瀝青路面就地?zé)嵩偕訜嵊绊懸蛩貙?shí)驗(yàn)分析

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院, 廣東廣州510640)

0 前言

在瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)中，施工效果不僅跟新舊瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)有關(guān)，同時(shí)施工過(guò)程中對(duì)瀝青路面的加熱工藝也是關(guān)系施工質(zhì)量的重要因素[1-5]。在施工過(guò)程中通過(guò)加熱使舊路面達(dá)到合適的溫度范圍內(nèi)，若溫度過(guò)高，則加劇RAP料中瀝青的老化，影響再生瀝青混合料的路用性能；若溫度過(guò)低，則會(huì)造成RAP料中舊瀝青流動(dòng)性差，無(wú)法與施工過(guò)程中加入的新瀝青進(jìn)行有效融合，新舊瀝青混合料無(wú)法形成一個(gè)充分混溶，性能均勻的整體[6-10]。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)就地?zé)嵩偕訜峁に嚰百|(zhì)量控制已經(jīng)做出一些規(guī)定，但并不完善，施工過(guò)程中對(duì)于路面的加熱仍存在影響因素復(fù)雜，控制難度大的問(wèn)題，嚴(yán)重影響就地?zé)嵩偕┕べ|(zhì)量，為此國(guó)內(nèi)外道路工作者展開(kāi)了大量的研究工作[11-13]。顧海榮等[14]采用Energy2D軟件對(duì)不同加熱功率下瀝青路面溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程進(jìn)行分析，得出了瀝青路面的理想加熱功率曲線。張德育等[15]借助有限元軟件ABAQUS對(duì)加熱溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了加熱方式、環(huán)境因素、加熱機(jī)的操作參數(shù)及加熱功率對(duì)瀝青路面加熱溫度場(chǎng)的影響程度,提出了卡羅泰康就地?zé)嵩偕鷻C(jī)組的理想加熱方式。郭小宏等[16]假定瀝青路面的加熱過(guò)程為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，分析瀝青路面內(nèi)部溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系，得出瀝青路面內(nèi)部各點(diǎn)的溫度值與路面總吸熱量的計(jì)算方法。然而，上述研究工作大部分都是通過(guò)軟件模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，在采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究時(shí)所采用的設(shè)備并不能很好地貼近施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

為此，本文設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法研究油石比、加熱源溫度、加熱源高度及風(fēng)速等因素對(duì)瀝青路面加熱效果的影響。

1 室內(nèi)加熱實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括室內(nèi)加熱裝置、溫度探測(cè)器、試驗(yàn)板、鉆孔機(jī)、風(fēng)扇、鉗子等。

加熱試驗(yàn)裝置如圖1所示，由溫控箱和加熱板兩部分組成，溫控箱用于調(diào)節(jié)加熱板溫度，最高溫度為1 000 ℃，加熱板中的發(fā)熱體為紅外線陶瓷發(fā)熱體，其加熱高度可通過(guò)4個(gè)腳架進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

①以成型車轍板的方式制作試驗(yàn)板，試驗(yàn)板厚度5 cm，通過(guò)鉆孔機(jī)在板底鉆孔，孔的直徑為2 cm，孔的位置及孔深如圖2所示。

②將溫度探測(cè)器中的溫度探頭插入試驗(yàn)板的孔中，將孔塞緊，然后將溫度探頭連接到溫度探測(cè)器上，如圖3所示。

③利用室內(nèi)加熱裝置模擬瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぶ械募訜釞C(jī)，用試驗(yàn)板模擬瀝青路面，室內(nèi)加熱裝置對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行加熱60 min，后散熱60 min，通過(guò)溫度探測(cè)器記錄試驗(yàn)板中不同位置溫度的變化。

④通過(guò)改變油石比、加熱源溫度、加熱源高度、風(fēng)速等因素，進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，并記錄溫度變化的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3 溫度探頭布置
Fig.3 Temperature probe arrangement

圖4 室內(nèi)加熱實(shí)驗(yàn)
Fig.4 Indoor heating experiment

1.3 熱傳遞效率計(jì)算公式

試驗(yàn)板吸收熱量計(jì)算公式如式(1)所示，加熱裝置產(chǎn)生的熱量計(jì)算公式如式(2)所示，熱轉(zhuǎn)化效率公式如式(3)所示。

(1)

式中，Q1為試驗(yàn)板吸收的熱量，J；c為瀝青混合料比熱容，J/(kg· ℃)；m為瀝青混合料質(zhì)量，kg；ΔT為溫度差，℃；ρ為試驗(yàn)板密度，kg/m3；S為加熱試驗(yàn)板的面積，0.01 m2；at+b為根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的4個(gè)深度的數(shù)據(jù)擬合的深度與溫度的關(guān)系式，℃；T0為試驗(yàn)板原始溫度，℃。

(2)

式中，Q2為加熱裝置產(chǎn)生的熱量，J；P為加熱裝置功率，w；t為加熱時(shí)間，s；T為設(shè)置的加熱溫度，℃；Tmax為加熱源最大溫度，1 000 ℃；P0為加熱裝置最大功率，1 000 W。

(3)

式中，η為熱傳遞效率， %。

1.4 試驗(yàn)材料及試件的性能參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)采用的試驗(yàn)板集料級(jí)配類型為AC-13,級(jí)配曲線如圖5所示，瀝青采用70號(hào)普通瀝青。

圖5 試驗(yàn)板合成級(jí)配曲線圖Fig.5 Synthetic gradation curve of the test plate

采用以上級(jí)配，分別采用4.5 %、5.0 %、5.5 %的油石比制作馬歇爾試件，測(cè)定空隙率，密度和比熱容等數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 馬歇爾試件檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Marshall test results

2 各因素對(duì)加熱效果的影響

2.1 油石比對(duì)加熱效果的影響

選用1.4中的級(jí)配，分別采用4.5 %、5.0 %、5.5 %的油石比成型試驗(yàn)板，按“1.2節(jié)”中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，設(shè)置加熱源溫度800 ℃、加熱源高度10 cm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖6～圖8所示。

圖6 4.5 %油石比溫度變化圖
Fig.6 4.5 % oil-stone ratio temperaturechange diagram

圖7 5.0 %油石比溫度變化圖
Fig.7 5.0 % oil-stone ratio temperaturechange diagram

圖8 5.5 %油石比溫度變化圖Fig.8 5.5 % oil-stone ratio temperature change diagram

從表2和圖6～圖8中可以看出，在油石比不同的情況下，加熱和散熱的趨勢(shì)基本相同，越靠近表面，溫度上升和下降的幅度越大。為便于分析，將60 min時(shí)不同油石比試驗(yàn)板各層溫度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 不同油石比60min溫度統(tǒng)計(jì)Tab.3 Temperature statistics of different oil-stone ratios of 60 mins

從表3可以看出，隨著油石比的增加，加熱板對(duì)試驗(yàn)板的加熱效果變差。在油石比上升1 %的情況下，深度1 cm的瀝青混合料溫度下降10.5 ℃，深度4 cm的瀝青混合料溫度下降8.1 ℃。隨著油石比的上升，瀝青混合料的孔隙率下降，比熱容大的瀝青取代了比熱容小的空氣。在瀝青混合料體積和加熱功率不變的情況下，油石比低的瀝青混合料溫度上升更快。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，計(jì)算不同油石比試驗(yàn)板的熱轉(zhuǎn)化效率，如表4所示，從表中可以看出熱轉(zhuǎn)化效率隨著油石比的增加而降低。

表4 不同油石比試驗(yàn)板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.4 Table of thermal conversion efficiency of different oil-stone ratio test plates

2.2 加熱源溫度對(duì)加熱效果的影響

選用1.3中的級(jí)配，采用4.5 %的油石比成型3塊試驗(yàn)板，設(shè)置加熱源高度10 cm，調(diào)整加熱源溫度為600 ℃、800 ℃、1 000 ℃，按1.2中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5和圖9～圖11所示。

表5 不同加熱源溫度試驗(yàn)板加熱溫度數(shù)據(jù)Tab.5 Heating temperature data of different heating source temperature test plates

圖9 加熱源溫度600 ℃溫度變化圖
Fig.9 Temperature change diagram ofheating source temperature 600 ℃

圖10 加熱源溫度800 ℃溫度變化圖
Fig.10 Temperature change diagram ofheating source temperature 800 ℃

圖11 加熱源溫度1 000 ℃溫度變化圖Fig.11 Temperature change diagram of heating source temperature 1 000 ℃

從表5和圖9～圖11可以看出，在加熱源溫度變化的情況下，瀝青混合料升溫與降溫的趨勢(shì)基本相似，加熱源溫度越高，瀝青混合料的加熱效果越好，將60 min時(shí)不同加熱源溫度試驗(yàn)板各層溫度統(tǒng)計(jì)如表6，計(jì)算不同加熱源溫度試驗(yàn)板的熱轉(zhuǎn)化效率，如表7所示。

表6 不同加熱源溫度60 min溫度統(tǒng)計(jì)Tab.6 Temperature statistics of different heating source temperatures for 60 mins

表7 不同加熱源溫度試驗(yàn)板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.7 Thermal conversion efficiency table of different heating source temperature test plates

從表6和表7可以看出，加熱源溫度對(duì)試驗(yàn)板加熱效果的影響顯著，加熱源溫度從600 ℃提升到1 000 ℃，距離表面1 cm深度溫度提高139.5 ℃，提升幅度達(dá)到101.2 %，距離表面4 cm處溫度提高75.4 ℃，提高幅度達(dá)76.5 %。熱轉(zhuǎn)化效率隨著加熱源溫度的升高而提高。

2.3 加熱源高度對(duì)加熱效果的影響

選用1.3中的級(jí)配，采用4.5 %的油石比成型3塊試驗(yàn)板，設(shè)置加熱源溫度為800 ℃，調(diào)整加熱源高度為5 cm、10 cm、15 cm，按“1.2節(jié)”中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8和圖12～圖14所示。

表8 不同加熱源高度試驗(yàn)板加熱溫度數(shù)據(jù)Tab.8 Heating temperature data of different heating source height test plates

圖12 加熱源高度5 cm溫度變化圖
Fig.12 Temperature change diagram ofheating source height 5 cm

圖13 加熱源高度10 cm溫度變化圖
Fig.13 Temperature change diagram ofheating source height 10 cm

圖14 加熱源高度15 cm溫度變化圖Fig.14 Temperature change diagram of heating source height 15 cm

從表8和圖12～圖14可以看出，在加熱源高度變化的情況下，瀝青混合料升溫與降溫的趨勢(shì)基本相似，加熱源高度越高，瀝青混合料的加熱效果越差，將60 min時(shí)不同加熱源高度試驗(yàn)板各層溫度統(tǒng)計(jì)如表9所示。

表9 不同加熱源高度60 min溫度統(tǒng)計(jì)Tab.9 Temperature statistics of different heating source heights of 60 minutes

從表9可以看出，加熱源高度對(duì)加熱效果的影響顯著，加熱源高度從5 cm提高到15 cm，距離表面1 cm深度溫度降低244.7 ℃，降低幅度達(dá)到69.6 %，距離表面4 cm處溫度降低114.2 ℃，降低幅度為53.7 %。在加熱源高度5 cm的條件下，加熱時(shí)間60 min時(shí)，距離試驗(yàn)板表面1 cm深度的溫度為351 ℃，此時(shí)瀝青已經(jīng)嚴(yán)重老化，故不進(jìn)行熱轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算。熱轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算如表10所示，從表中可以看出，熱轉(zhuǎn)化效率隨著加熱源高度的提高而降低。

表10 不同加熱源高度試驗(yàn)板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.10 Table of Thermal Conversion Efficiency of Different Heating Source Height Test Plates

圖15 不同風(fēng)速下的加熱實(shí)驗(yàn)Fig.15 Heating experiment at different wind speeds

2.4 風(fēng)速對(duì)加熱效果的影響

選用1.3中的級(jí)配，采用4.5 %的油石比成型3塊車轍板，進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)時(shí)在旁邊放置一臺(tái)小風(fēng)扇，如圖15，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)速，來(lái)研究風(fēng)速對(duì)加熱效果的影響。設(shè)置加熱源高度10 cm，加熱源溫度800 ℃，按1.2中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表11和圖16～圖18所示，當(dāng)風(fēng)扇分別處于1檔、2檔狀態(tài)下，風(fēng)速分別為1.39 m/s和2.78 m/s。

表11 不同風(fēng)速試驗(yàn)板加熱溫度數(shù)據(jù)Tab.11 Heating temperature data of different wind speed test panels

圖16 無(wú)風(fēng)時(shí)溫度變化圖
Fig.16 Temperature change diagram without wind

圖17 風(fēng)速1.39 m/s溫度變化圖
Fig.17 Wind speed 1.39 m/s temperature change chart

圖18 風(fēng)速2.78 m/s溫度變化圖Fig.18 Wind speed 2.78 m/s temperature change chart

從表11和圖16～圖18可以看出，在風(fēng)速變化的情況下，瀝青混合料升溫與降溫的趨勢(shì)基本相似，風(fēng)扇風(fēng)速越高，瀝青混合料的加熱效果越差，同時(shí)越接近表面，瀝青混合料的散熱速度也越快，原因?yàn)轱L(fēng)帶走了熱量，影響了加熱板將熱量向下傳遞。將60 min時(shí)不同風(fēng)速試驗(yàn)板各層溫度統(tǒng)計(jì)如表12，計(jì)算不同風(fēng)速試驗(yàn)板的熱轉(zhuǎn)化效率，如表13所示。

表12 不同風(fēng)速60 min溫度統(tǒng)計(jì)Tab 12 Temperature statistics of different wind speeds for 60 minutes

表13 不同風(fēng)速試驗(yàn)板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.13 Table of thermal conversion efficiency of different wind speed test panels

從表12和表13可以看出，風(fēng)速對(duì)加熱效果的影響顯著，風(fēng)速?gòu)?.39 m/s提高到2.78 m/s，距離表面1 cm深度溫度降低244.7 ℃，降低幅度達(dá)到69.6 %，距離表面4 cm處溫度降低114.2 ℃，降低幅度為53.7 %。熱轉(zhuǎn)化效率隨著風(fēng)速的提高而降低。

3 施工碾壓時(shí)間控制

根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《瀝青路面就地?zé)嵩偕夹g(shù)規(guī)程》DBJ/T 15—127—2017的要求[17]，就地?zé)嵩偕┕み^(guò)程中，再生混合料攤鋪溫度要大于或等于120 ℃，碾壓終了溫度要大于或等于70 ℃，假設(shè)施工中處于最不利條件，再生混合料攤鋪溫度為120 ℃，碾壓終了溫度為70 ℃，統(tǒng)計(jì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)板散熱過(guò)程中，溫度從120 ℃降到70 ℃的時(shí)間，如表14所示，對(duì)于部分加熱溫度未達(dá)到120 ℃的類型則不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表14 試驗(yàn)板降溫時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.14 Statistics of cooling time of test plates

從表14可以看出在實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境下，試驗(yàn)板從120 ℃降到70 ℃的最低時(shí)間為31 min，在實(shí)際施工過(guò)程中，從再生混合料攤鋪到路面碾壓完成所需時(shí)間是小于31 min的。對(duì)于風(fēng)速1.39 m/s和風(fēng)速2.78 m/s的情況下，試驗(yàn)板從120 ℃降到70 ℃的時(shí)間為14 min和10 min，可見(jiàn)風(fēng)速對(duì)路面降溫速度的影響很大，而在室外環(huán)境中，2.78 m/s的風(fēng)速是很常見(jiàn)的，因此，為保證施工質(zhì)量，應(yīng)加快施工速度，盡量縮短再生混合料攤鋪到路面碾壓完成的時(shí)間。

4 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一套室內(nèi)加熱實(shí)驗(yàn)方法，研究就地?zé)嵩偕┕み^(guò)程中不同因素對(duì)瀝青路面加熱效果的影響，得出以下結(jié)論：

①隨著油石比上升，加熱板對(duì)試驗(yàn)板加熱效果變差，原因是比熱容大的瀝青取代比熱容小的空氣，在瀝青混合料體積和加熱功率不變的情況下，油石比低的瀝青混合料溫度上升更快。

②在其他條件不變的情況下，隨著加熱源溫度的升高，加熱板對(duì)試驗(yàn)板的加熱效果越好，熱轉(zhuǎn)化效率越高。

③在其他條件不變的情況下，隨著加熱源高度的升高，加熱板對(duì)試驗(yàn)板的加熱效果越差，熱轉(zhuǎn)化效率越低。

④在其他條件不變的情況下，隨著風(fēng)速的升高，加熱板對(duì)試驗(yàn)板的加熱效果越差，熱轉(zhuǎn)化效率越低。原因是風(fēng)帶走了加熱板產(chǎn)生的熱量。

⑤施工過(guò)程中風(fēng)對(duì)路面的散熱速度影響巨大，因此為保證施工質(zhì)量，應(yīng)加快施工的速度。