溫度對(duì)SMA-13瀝青混合料壓實(shí)特性影響試驗(yàn)及施工控制分析

鄒志輝

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

溫度對(duì)瀝青路面的施工質(zhì)量影響較大，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中對(duì)瀝青混合料的攤鋪溫度等有明確規(guī)定，但鑒于不同瀝青路面工程所處的環(huán)境、所用材料等存在差異，完全遵循規(guī)范可能達(dá)不到預(yù)定質(zhì)量要求，合理的溫度范圍很大程度上影響了瀝青混合料的壓實(shí)特性，為此有必要進(jìn)行瀝青混合料的溫度相關(guān)試驗(yàn)研究[1]。一般情況下，高溫碾壓可以增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能，但碾壓溫度過高反而會(huì)加速瀝青乳化，降低瀝青混合料質(zhì)量，碾壓溫度過低則達(dá)不到較好的碾壓效果[2]。因此，確定好合理碾壓溫度范圍及碾壓時(shí)間是瀝青路面施工的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青混合料的施工技術(shù)、材料組成等進(jìn)行了研究: 如張乃計(jì)等[3]以溫度為研究變量，進(jìn)行了瀝青混合料不同溫度下的剪切試驗(yàn)，從而建立了瀝青混合料粘結(jié)層之間溫度-強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系式，研究結(jié)果為瀝青路面的整體性能提升提供了依據(jù)；高杰等[1]采用紅外熱像儀就瀝青路面的溫度變化進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，研究了路面溫度對(duì)路面壓實(shí)度的影響程度，給出了研究路段的實(shí)測壓實(shí)度代表值等內(nèi)容，并提出了溫度-壓實(shí)度之間的相關(guān)性。綜上所述，國內(nèi)外研究者在研究瀝青混合料的溫度影響其壓實(shí)特性方面均結(jié)合了具體的實(shí)際試驗(yàn)，并獲得了可靠性強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)了施工實(shí)踐，但研究成果全面推廣運(yùn)用還有待考究。為此，本文基于SMA-13混合料的項(xiàng)目實(shí)例，以溫度為研究變量進(jìn)行SMA-13混合料的現(xiàn)場試驗(yàn)及施工控制研究，以期獲得可供現(xiàn)場施工質(zhì)量控制的借鑒成果。

1 SMA-13瀝青混合料壓實(shí)特性與溫度的關(guān)系

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以G5513長沙至益陽高速公路擴(kuò)容工程為例，試驗(yàn)路段為K30+884～K31+384左幅，全長500 m。主車道路面結(jié)構(gòu)瀝青上面層采用4 cm厚的SMA-13混合料。

瀝青在混合料中起到潤滑和粘滯作用，故瀝青對(duì)SMA混合料的性能影響較大，考慮到溫度能夠影響SMA混合料中的瀝青狀態(tài)及其他組成材料的性能，因此需要重點(diǎn)關(guān)注壓實(shí)溫度對(duì)壓實(shí)特性的影響[4]。本文以壓實(shí)溫度為變量，進(jìn)行SMA-13混合料的壓實(shí)特性研究，在規(guī)定范圍內(nèi)將壓實(shí)溫度分為：170 ℃、160 ℃、150 ℃、140 ℃、 130 ℃、 120 ℃、 100 ℃、80 ℃、60 ℃?？紤]到瀝青在170 ℃時(shí)容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，因此設(shè)置的最高碾壓溫度為170 ℃。SMA-13混合料采用馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，試件尺寸為101.6 mm×63.5 mm，理論最大密度為2.46 g /cm3，試驗(yàn)中采用的拌合溫度為 (160±2) ℃，拌合時(shí)間為3 min。拌合完成后將SMA-13馬歇爾試件升溫或者降溫使其達(dá)到成型溫度，再進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)75次。按照規(guī)范要求制作3個(gè)試件，測定馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)內(nèi)容，取均值作為最終測定值。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表1，將試件在不同成型溫度下的馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)值繪制曲線關(guān)系圖見圖1。

表1 不同成型溫度下SMA-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果成型溫度/℃毛體積密度/(g·cm-3)空隙率/%瀝青飽和度/%礦料間隙率/%流值/0.1mm穩(wěn)定度/kN602.274.6769.4518.6039.55.2802.363.9275.5218.1837.16.11002.373.8376.0117.6334.96.21202.393.6278.5617.0331.36.21302.403.5279.2216.8230.76.31402.413.2180.1316.3228.96.41502.412.9681.9416.1530.36.61602.412.9282.1816.1333.76.71702.422.6782.7815.9130.86.9

圖1 不同成型溫度下馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線

1.2.1空隙率、礦料間隙率、流值受成型溫度影響分析

由圖1可知，隨著成型溫度逐漸升高，馬歇爾試件的空隙率、礦料間隙率呈現(xiàn)出反相關(guān)關(guān)系。當(dāng)成型溫度達(dá)到170 ℃時(shí)，試件的空隙率、礦料間隙率最低,造成此類結(jié)果主要原因是合理的碾壓溫度范圍內(nèi)，隨著碾壓溫度升高，瀝青粘度逐漸降低，瀝青扮演的潤滑、填充等作用越來越顯著，瀝青混合料形成更為密實(shí)的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率降低；當(dāng)成型溫度較低，如低于80 ℃時(shí)，試件的空隙率較大，主要原因是瀝青的粘度高，限制了骨料運(yùn)動(dòng)，從而形成的結(jié)構(gòu)不密實(shí)，空隙率等指標(biāo)大，超過了SMA-13混合料空隙率3%～4%的范圍。

瀝青混合料空隙率過大對(duì)瀝青路面的透水不利，同時(shí)影響瀝青路面的疲勞性能。因此，在施工過程中必須嚴(yán)格控制好碾壓溫度，確保瀝青路面的空隙率滿足規(guī)定要求。礦料的間隙率不宜過大或者過小，礦料間隙率過大會(huì)影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)車轍等病害；礦料間隙率過小則容易導(dǎo)致SMA-13瀝青混合料的耐久性及抗疲勞能力減弱，從而影響其使用壽命。

流值隨著碾壓溫度增大逐漸變小，在130 ℃時(shí)達(dá)到最低，但在140 ℃又開始增加，后又減少，并未呈現(xiàn)出線性關(guān)系。

1.2.2毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度受成型溫度影響分析

隨著成型溫度升高，SMA-13瀝青混合料的毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度逐漸增大，呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)溫度超過80 ℃后，馬歇爾試件的穩(wěn)定度隨著溫度的升高增長量變小。

造成此結(jié)果主要原因是在合理的碾壓溫度范圍內(nèi)，隨著碾壓溫度逐漸增大，瀝青稠度變小，有助于混合料在受壓情形下形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，礦料的密實(shí)同時(shí)增大了瀝青的飽和度。

因此，SMA-13瀝青混合料碾壓過程中要控制好碾壓的溫度，同時(shí)注意碾壓的及時(shí)性。

1.3 有效碾壓溫度確定

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求SMA混合料路面的壓實(shí)度應(yīng)≥97%，為此，可根據(jù)壓實(shí)度指標(biāo)來確定有效碾壓溫度。

由1.2節(jié)中分析可知，SMA-13混合料的成型溫度與混合料空隙率呈現(xiàn)相反關(guān)系，可見要得到較低混合料空隙率需要較高的成型溫度，而規(guī)范對(duì)空隙率的要求并不高，對(duì)應(yīng)的成型溫度要求也就不高，但成型溫度過低則試件難以壓實(shí)。

試件的礦料間隙率及流值也呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系。當(dāng)試件成型溫度在80 ℃以下時(shí)，試件穩(wěn)定度出現(xiàn)拐點(diǎn)，可見80 ℃壓實(shí)溫度是試件質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)，且壓實(shí)溫度為80 ℃以下時(shí)試件的穩(wěn)定度、空隙率不能滿足要求，對(duì)應(yīng)的路面壓實(shí)質(zhì)量不能達(dá)到要求?？梢哉J(rèn)為SMA-13混合料的壓實(shí)溫度應(yīng)大于或等于80 ℃。

綜上所述，應(yīng)控制SMA-13混合料的壓實(shí)溫度在80 ℃以上。

1.4 瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間分析

瀝青混合料施工應(yīng)控制好碾壓時(shí)間，尤其是在低壓實(shí)溫度下。有效壓實(shí)時(shí)間是指瀝青混合料出場、攤鋪到最終碾壓的時(shí)間。一旦出現(xiàn)大氣溫度不高、碾壓時(shí)間過長、碾壓過慢等情況，SMA-13混合料的有效碾壓溫度可能得不到保障。因此，需根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境確定碾壓溫度變化與大氣環(huán)境之間的關(guān)系。

SMA — 13混合料攤鋪時(shí)，攤鋪溫度場具有瞬時(shí)特性，大氣溫度、太陽輻射等因素均能影響該溫度場，因此可綜合大氣溫度、風(fēng)速、太陽輻射等因素考慮碾壓溫度的變化，進(jìn)而確定攤鋪的控制時(shí)間。

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定了采用輪胎壓路機(jī)終壓時(shí)，終壓溫度為80 ℃。再結(jié)合1.3節(jié)中確定的80 ℃有效碾壓溫度，選擇80 ℃作為SMA-13混合料壓實(shí)的最低控制溫度，以外界氣溫為研究變量，設(shè)置多個(gè)外界施工氣溫值，考察出場溫度為150 ℃及170 ℃時(shí)瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間，即瀝青混合料出場溫度降低到最低控制溫度的時(shí)間?，F(xiàn)場氣溫和瀝青混合料溫度均采用溫度計(jì)測得，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。

分析時(shí)認(rèn)為瀝青上面層厚4～5 cm，瀝青下面層厚6～8 cm，同時(shí)假定8 cm為瀝青厚層與薄層分界厚度，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 有效碾壓時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果施工氣溫/℃150 ℃出場溫度下有效碾壓時(shí)間/min170 ℃出場溫度下有效碾壓時(shí)間/min上面層下面層上面層下面層51112159<101216211317182417212126

由表2可知，施工氣溫影響了瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間，隨著外界施工氣溫逐漸增大，瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間逐漸增大。出場溫度不同，有效碾壓時(shí)間也有差異，170 ℃的有效碾壓時(shí)間較150 ℃的有效碾壓時(shí)間長。尤其要注意在氣溫5 ℃下施工時(shí)，初始碾壓段落在20 m以上，170 ℃出場溫度的上面層有效碾壓時(shí)間低于10 min，這可能給后期瀝青路面質(zhì)量造成隱患。此外，當(dāng)高速公路路面采用SMA-13混合料時(shí)，需提高混合料有效碾壓時(shí)間來確保壓實(shí)度達(dá)到98%的規(guī)范要求。

充分考慮大氣溫度、太陽輻射、風(fēng)速等因素對(duì)碾壓時(shí)間的影響，建立多元因素回歸模型，輸入各參數(shù)的實(shí)測值，擬合得到SMA-13混合料的有效壓實(shí)時(shí)間公式：

t=0.127x1-1.03x2+0.004 5x3+

0.266x4+12.31x5-97.79

(1)

式中：x1為大氣溫度，℃；x2為風(fēng)速，m/s；x3為太陽輻射,W/m2；x4為初壓溫度,℃；x5為鋪層厚度，cm。

施工中只需測定各個(gè)參數(shù)實(shí)測值，再代入式(1)中，即可獲得有效碾壓時(shí)間，從而便于施工技術(shù)人員合理安全施工。

2 SMA-13施工現(xiàn)場溫度控制分析

溫度作為控制施工質(zhì)量的重要因素在確保工程質(zhì)量上發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為此，針對(duì)性的進(jìn)行SMA-13混合料的溫度分析可確保施工溫度滿足規(guī)范要求，從而指導(dǎo)施工實(shí)踐[5]。本文就以上試驗(yàn)路段的瀝青路面采用紅外熱像儀監(jiān)測瀝青路面施工過程中的溫度變化，根據(jù)路面層次的溫度變化來分析路面混合料溫度離析現(xiàn)象。

2.1 溫度離析

瀝青混合料在攤鋪前及攤鋪過程中均會(huì)發(fā)生溫度損失，并且不同攤鋪位置的瀝青混合料溫度損失程度不同，再者外界因素不同，瀝青混合料的溫度損失也有差異，這種瀝青混合料在不同區(qū)域內(nèi)的溫度差異稱為溫度離析。溫度離析一般會(huì)對(duì)瀝青混合料的空隙率、密度等關(guān)鍵指標(biāo)產(chǎn)生影響，溫度離析過大是不利的，會(huì)造成瀝青混合料中溫度較低的部分難以壓實(shí)，降低路面的平整度及壓實(shí)度等，進(jìn)而導(dǎo)致路面水損，降低路面的使用壽命等。考慮SMA-13瀝青混合料施工過程中的影響因素，為確保瀝青路面的施工質(zhì)量，進(jìn)行瀝青混合料的溫度離析分析具有較大的實(shí)踐意義。

2.2 攤鋪現(xiàn)場溫度測量

采用紅外熱像儀對(duì)攤鋪中的某路段進(jìn)行的溫度測量。A路段攤鋪紅外熱像分析圖見圖2，攤鋪機(jī)溫度變化情況見表3，攤鋪過程中外界溫度為23 ℃。

圖2 A路段攤鋪紅外熱像分析圖

表3 A路段溫度分布表(攤鋪1.7 h)℃最高溫度最低溫度溫度最大差值平均溫度A路段146.7141.65.1143.67

由表3可知，攤鋪1.7 h后，A路段瀝青混合料平均溫度為143.67 ℃，最高溫度與最低溫度的差值為5.1 ℃<10 ℃，不會(huì)出現(xiàn)溫度離析。觀測發(fā)現(xiàn)在接縫處有部分溫度發(fā)生變化，但屬正?，F(xiàn)象，對(duì)施工無顯著影響。

試驗(yàn)中對(duì)區(qū)域A初壓、復(fù)壓、終壓的紅外熱像及溫度進(jìn)行采集，其中線A為初壓與復(fù)壓交界處,復(fù)壓階段的紅外熱像圖如圖3所示，終壓階段紅外熱像分析如圖4所示。初壓、復(fù)壓、終壓區(qū)域內(nèi)溫度分布如表4所示。

圖3 區(qū)域A復(fù)壓階段紅外線圖

圖4 區(qū)域A終壓-紅外熱像分析圖

表4 區(qū)域A、B溫度分布表℃碾壓階段區(qū)域最高溫度最低溫度溫差最大值平均溫度初壓區(qū)域A159.2131.327.9147.2區(qū)域B158.3149.58.7154.3復(fù)壓區(qū)域A145.7136.79.0140.5線A139.3122.516.8131.7線A129.191.237.9110.2終壓線B132.2116.116.1124.2線C100.692.97.796.8

表4反映了不同區(qū)域在初壓、復(fù)壓、終壓3個(gè)階段的溫度分布情況。從最大溫差值來看，區(qū)域A溫差較大，說明經(jīng)過初壓后，碾壓部分溫度下降值較為明顯，但此時(shí)瀝青混合料表面溫度的不均勻分布是由施工中鋼輪碾壓時(shí)灑水所致，其最終的平均溫度在147.2 ℃。區(qū)域B中最大溫差8.7 ℃<10 ℃，未出現(xiàn)溫度離析現(xiàn)象，平均溫度為154.3 ℃>150 ℃，滿足最低初壓溫度要求。

復(fù)壓中，平均溫度為140.5 ℃，最大溫差為9.0 ℃<10 ℃，無離析現(xiàn)象，滿足復(fù)壓最低溫度130 ℃。線A為復(fù)壓與初壓交界處，對(duì)應(yīng)的復(fù)壓區(qū)域平均溫度為131.7 ℃左右，與初壓區(qū)域溫差16.8 ℃左右，說明隨著碾壓次數(shù)增加，瀝青混合料溫度逐漸降低。

終壓中，線A、線B、線C所對(duì)應(yīng)位置處的瀝青混合料溫度具有顯著的漸變趨勢。由于線A橫跨了復(fù)壓、終壓區(qū)域，因而溫度差異大，但終壓后溫度能夠維持在100 ℃左右，滿足最低終壓溫度80 ℃的要求。

2.3 現(xiàn)場溫度離析控制措施

溫度離析主要發(fā)生在瀝青混合料運(yùn)輸及拌合過程中，因此需嚴(yán)格按照要求進(jìn)行瀝青混合料的運(yùn)輸及拌合?？紤]瀝青混合料的集料存放地點(diǎn)差異，在進(jìn)行瀝青混合料現(xiàn)場施工配比設(shè)計(jì)時(shí)需考慮原材料差異影響，可結(jié)合各個(gè)集料的現(xiàn)狀對(duì)混合料的配比值進(jìn)行微調(diào),以避免集料的差異性影響，從而降低原材料在拌合及運(yùn)輸中的離析現(xiàn)象。

在瀝青混合料運(yùn)輸及拌合過程中，全面分析瀝青混合料拌合及運(yùn)輸中的關(guān)鍵技術(shù)及工藝，優(yōu)化施工環(huán)境，如增設(shè)瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車輛，進(jìn)行二次拌合，將“拌合-運(yùn)輸-攤鋪-壓實(shí)”優(yōu)化為“拌合-運(yùn)輸-中途轉(zhuǎn)運(yùn)-攤鋪-壓實(shí)”。攤鋪中可采用轉(zhuǎn)運(yùn)車輛，加強(qiáng)拌合力度，確保拌合均勻，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)車輛需確保拌合和攤鋪同步進(jìn)行?？傊?，通過科學(xué)布局、精確施工，以最優(yōu)的施工工藝降低溫度離析現(xiàn)象。

3 小結(jié)

1) 隨著成型溫度逐漸升高，馬歇爾試件的空隙率、礦料間隙率呈現(xiàn)出了反相關(guān)關(guān)系，當(dāng)成型溫度達(dá)到170 ℃時(shí)，試件的空隙率、礦料間隙率最低。隨著成型溫度的增大，SMA-13瀝青混合料的毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度逐漸增大，呈現(xiàn)出了明顯的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)溫度超過100 ℃后，馬歇爾試件的穩(wěn)定度隨著溫度的升高,其增長量變小。SMA-13瀝青混合料碾壓過程中要控制好碾壓溫度，同時(shí)注意碾壓的及時(shí)性。

2) 從現(xiàn)場施工及壓實(shí)效果來看，將SMA-13混合料的有效碾壓溫度控制在80 ℃及以上能夠確保SMA-13混合料的壓實(shí)質(zhì)量。施工氣溫影響瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間，隨著外界施工氣溫逐漸增大，瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間逐漸增大。出場溫度不同，有效碾壓時(shí)間也有差異，應(yīng)注意低溫施工的碾壓時(shí)間控制。

3) 采用紅外熱像儀對(duì)SAM-13瀝青混合料施工初壓、復(fù)壓、終壓進(jìn)行溫度檢測，從檢測數(shù)據(jù)來看，SMA-13混合料施工過程中的溫度控制得當(dāng)，基本上沒有出現(xiàn)溫度離析情況。