川藏過渡區(qū)不同氣溫和風速下瀝青混合料降溫與壓實特性

摘要：川藏過渡區(qū)氣溫和風速復雜多變， 在進行瀝青混合料攤鋪碾壓時難以有效控制其壓實質(zhì)量． 為此， 以川藏過渡區(qū)德昌至會理高速公路LM3標段為依托開展現(xiàn)場鋪筑試驗． 首先基于理論分析和現(xiàn)場實測對SMA-13、 AC-20C及AC-20共3種不同瀝青混合料在鋪筑過程中的降溫規(guī)律進行分析． 然后對氣溫、 風速及混合料類型共3個因素開展SPSS正交分析， 從而獲得其對有效碾壓時間的影響性排序． 進一步根據(jù)降溫規(guī)律建立瀝青混合料的碾壓溫度估算模型， 同時開展室內(nèi)變溫擊實試驗對其最佳擊實溫度進行估算． 結果表明： 當風速小于6 m/s且氣溫大于5 ℃時， AC-20C與AC-20的碾壓質(zhì)量較好； 當風速大于3 m/s且氣溫為5～15 ℃時， SMA-13的碾壓質(zhì)量欠佳； 對有效碾壓時間的雙因素影響性排序為氣溫amp;風速＞氣溫amp;混合料類型＞風速amp;混合料類型； SMA-13、 AC-20C及AC-20的最佳擊實溫度分別為169 ℃，166 ℃，152 ℃． 最后基于分數(shù)階理論， 給出了不同氣溫、 風速下不同類型瀝青混合料的現(xiàn)場攤鋪和碾壓溫度建議值．

關 鍵 詞：瀝青混合料； 壓實質(zhì)量； 氣溫； 風速； 降溫規(guī)律； 實測

中圖分類號：

U416

文獻標志碼：A

文章編號：16739868（2024）07014915

Study on Cooling and Compaction Properties of

Asphalt Mixture under Different Air Temperatures

and Wind Speeds in Sichuan-Xizang Transition Zone

WU Xia HE Zhaoyi ZHANG Siyuan3， GAN Xiangli3

1. School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China；

2. School of Architecture Engineering， Jiangxi College of Applied Technology， Ganzhou Jiangxi 341000， China；

3. Sichuan Communications Construction Group Co. Ltd.， Chengdu 61004 China

Abstract： The temperature and wind speed in Sichuan-Xizang transition zone are complex and variable． It is difficult to effectively control the compaction quality when paving with asphalt mixture． Therefore， the field paving test was carried out based on LM3 section of Dechang—Huili expressway in the transition zone between Sichuan and Xizang． Firstly， the cooling laws of SMA-13， AC-20C and AC-20 were analyzed based on theoretical analysis and field measurement． Then， SPSS orthogonal analysis was carried out on three factors， namely air temperature， wind speed and mixture type， so as to obtain the order of their influence on effective rolling time． Additionally， the rolling temperature estimation model of asphalt mixture was established according to the cooling law， and the indoor variable temperature compaction test was carried out to estimate its optimal compaction temperature． Facts and figures show that when the wind speed is less than 6 m/s and the temperature is higher than 5 ℃， the rolling quality of AC-20C and AC-20 is better． When the wind speed is more than 3 m/s and the temperature is 5～15 ℃， the rolling quality of SMA-13 is poor． The order of two factors influencing the effective rolling time is air temperature amp; wind speed＞air temperature amp; mixture type＞wind speed amp; mixture type． The optimal compaction temperature of SMA-13， AC-20C and AC-20 is 169 ℃， 166 ℃ and 152 ℃， respectively． Finally， the values of field paving and rolling temperature for different types of asphalt mixtures at different air temperatures and wind speeds were recommended based on fractional order theory．

Key words： asphalt mixture； compaction quality； temperature； wind speed； cooling law； field measurement

碾壓溫度是保證瀝青混合料能否有效壓實的重要因素之一［1］． 受氣溫和風速影響， 瀝青混合料在攤鋪及碾壓過程中會迅速降溫， 導致難以碾壓密實、 降低瀝青路面的強度和耐久性， 進而容易造成裂縫、 車轍等嚴重的早期損壞［2-4］． 為此， 在實際工程中常采用提高瀝青混合料的碾壓溫度和增大壓實功來保證壓實質(zhì)量． 但提高碾壓溫度極易導致拌合溫度過高從而加劇瀝青老化并最終影響瀝青混合料的耐久性［5］， 而增大壓實功則一方面易造成集料產(chǎn)生“過壓”而導致空隙率過小或破碎， 從而出現(xiàn)“泛油”病害， 另一方面容易改變?yōu)r青混合料的級配從而影響路面的結構強度甚至“失穩(wěn)”［6-7］．

為此， Yu等［8］針對SMA-13、 AC-13瀝青混合料研究了級配、 壓實次數(shù)及初始壓實溫度對壓實特性的影響， 表明壓實度與初始壓實溫度之間具有良好的相關性． Wang等［9］基于DEM離散元模型及現(xiàn)場試驗， 考慮攤鋪速度、 攤鋪角度、 攤鋪厚度等因素， 對攤鋪作業(yè)方式進行了改進． Qian等［10］基于三維數(shù)值模擬分析， 發(fā)現(xiàn)壓實過程中的初始碾壓溫度和層厚會影響整個層位的溫度場， 且風速和氣溫主要影響瀝青混合料的上層溫度場． 在此基礎上， 王黎明等［11］對鋪筑過程中的熱擴散影響因素進行了仿真模擬和敏感性分析， 認為氣溫和風速對熱擴散影響顯著， 且攤鋪溫度、 混合料類型和鋪層厚度對壓實影響具有敏感性． 此外， 在碾壓機械與施工效率方面， 劉聶玚子等［12］從節(jié)能角度建立了瀝青混合料的攤鋪碾壓機械總體能耗計算模型， 提出了瀝青混合料攤鋪碾壓節(jié)能施工技術． Polaczyk等［13］基于Witczak模型， 針對瀝青振動壓實儀和旋轉壓實儀， 研究發(fā)現(xiàn)用瀝青溫度和碾壓遍數(shù)能更有效地對壓實度進行評估． 基于現(xiàn)場試驗， Yohana Ribas等［14］采用馬歇爾壓路機得到了瀝青混合料的成型試樣， 發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實儀和旋轉擊實儀的代表性最佳． Wan等［15］認為在較低的頻率下實施多次壓實可提高壓實效率， 據(jù)此史妍妮等［16］發(fā)現(xiàn)AC-20瀝青混合料的高效壓實攤鋪頻率為33～49 Hz， 最佳攤鋪速度為2 m/min． 上述研究對于豐富和完善瀝青混合料的壓實質(zhì)量控制具有積極意義．

然而， 以上研究多單一地對瀝青混合料在壓實過程中的溫度場變化、 壓實影響因素或碾壓機械效率等進行分析． 理論研究和工程實踐表明， 瀝青混合料的碾壓溫度一般根據(jù)相關設計與施工規(guī)范進行經(jīng)驗取值， 但在惡劣環(huán)境下， 不同的瀝青混合料具有不同的壓實降溫特性， 達到目標密實度的最佳碾壓溫度也并不相同， 由此導致采用規(guī)范進行經(jīng)驗取值的做法存在明顯的主觀性、 經(jīng)驗性缺陷．

對此， 本文以壓實過程中的碾壓溫度為切入點， 對川藏過渡區(qū)不同氣溫和風速環(huán)境下不同瀝青混合料的降溫規(guī)律開展足尺度試驗研究， 并基于時溫等效原則及多因素方差分析研究氣溫、 風速及混合料類型對降溫速率及有效壓實時間的影響規(guī)律， 基于壓實等效原則建立室內(nèi)擊實溫度與壓實溫度（攤鋪、 初壓、 復壓、 終壓）間的關系， 進而量化攤鋪溫度及碾壓溫度， 以期為不同氣溫和風速環(huán)境下瀝青混合料的壓實質(zhì)量控制提供相關參考．

1 原材料及現(xiàn)場鋪筑

依托現(xiàn)場實體工程開展足尺度試驗研究． 綜合考慮地形、 地貌以及工程地質(zhì)條件等因素， 在由四川省蜀道集團投資建設的德昌至會理高速公路LM3標段的主線上共選取3個直線鋪筑試驗段， 長度分別為500，300，800 m， 累計長度為1 600 m， 地點分別位于愛國村、 沙壩村和高家村， 圖1所示為位于愛國村的鋪筑試驗段． 鋪層為上、 中、 下共3個層位， 厚度分別為4，6，6 cm． 瀝青混合料共3個類型， 即： SMA-13、 AC-20及AC-20C， 瀝青及用量分別為90#SBS改性瀝青5.9%、 90#SBS改性瀝青4.1%以及70#基質(zhì)瀝青4.1%． 礦質(zhì)混合料的級配見表1．

選擇非降雨日開展鋪筑施工， 并在每個鋪筑現(xiàn)場搭建移動式罩棚以便做好防雨準備． 采用間歇式拌和機對瀝青混合料進行拌制． 為了便于施工及保證施工的連續(xù)穩(wěn)定性， 采用5輛與攤鋪機相匹配的自卸式汽車進行前后搭接運輸， 且在裝料前在車廂板表面均勻噴灑一層防黏隔離劑， 同時采用小堆裝料以減少集料離析．

采用履帶式攤鋪機進行攤鋪， 預先采用防黏隔離劑對攤鋪機的料斗內(nèi)表面進行刷涂以防止黏結成硬塊． 單臺攤鋪機的鋪筑寬度為6 m， 同時采用2臺攤鋪機以前后10～15 m的間距實施錯位梯隊式同步攤鋪， 左右兩幅的搭接攤鋪寬度為15～30 cm， 且上、 下層的鋪筑搭接位置需錯開40 cm． 每臺攤鋪機的攤鋪速度為2～4 m/min， 采用自動找平方式進行找平， 下面層采用鋼絲繩引導實施高程控制， 上面層采用平衡梁輔助攤鋪． 由于采用機械攤鋪， 瀝青混合料的松鋪系數(shù)取1.25． 采用12 t鋼輪壓路機進行碾壓， 初壓時的碾壓速度控制在1.5～2.0 km/h， 復壓和終壓時的碾壓速度均控制在2.5～3.0 km/h． 現(xiàn)場碾壓均為靜壓， 其中初次碾壓和終止碾壓的次數(shù)均為2遍， 復壓為3～5遍．

2 瀝青混合料壓實降溫特性

依據(jù)時溫等效原則， 通過足尺度試驗監(jiān)測壓實過程中瀝青混合料在不同氣溫風速下的降溫規(guī)律和有效壓實時間， 并對影響因素（氣溫、 風速及混合料類型）進行敏感性分析．

2.1 試驗方案

采用手持式氣象站對氣溫及風速實施監(jiān)測， 采用插入式溫度計通過點測法獲得路面的內(nèi)部溫度［17-18］． 試驗中同時考慮氣溫和風速2個環(huán)境因素， 為了合理地對氣溫和風速進行確定， 經(jīng)與當?shù)貧庀蟛块T協(xié)商后獲得了20年的氣溫和風速數(shù)據(jù)． 經(jīng)統(tǒng)計分析， 以5 ℃為梯度共設置3個氣溫段， 即： 5～10 ℃、 10～15 ℃、 15～20 ℃； 以3 m/s為梯度共設置3個風速段， 即： 0～3 m/s（微風）、 3～6 m/s（中風）及6～9 m/s（大風）．

沿橫斷面方向共均勻布置5個插入式溫度計， 橫向布置間距視斷面實際寬度而定， 插入深度為鋪層厚度的中點． 為了防止施工破壞以及提高數(shù)據(jù)的代表性， 同時對3組橫斷面實施監(jiān)測， 保證每次可得到不少于15個溫度數(shù)據(jù)并取其平均值為最終值， 且每隔一分鐘即讀取一次數(shù)據(jù)， 從而完成對攤鋪壓實階段路面溫度降至90 ℃時的溫度變化規(guī)律實施監(jiān)測．

2.2 壓實降溫特性分析

2.2.1 不同氣溫下壓實降溫規(guī)律

不同氣溫下， SMA-13、 AC-20C及AC-20共3種瀝青混合料在攤鋪壓實過程中的降溫變化分別如圖2～圖4所示．

由圖2a可知， 當風速為0～3 m/s時， 在0～3 min內(nèi)， 降溫速率明顯快于后期， 氣溫越低則降溫速率越快． 從第3 min開始， SMA-13在15～20 ℃時的降溫速率明顯小于5～10 ℃和10～15 ℃時的降溫速率； 在3～12 min內(nèi)， 氣溫在5～10 ℃與10～15 ℃時的降溫速率相當， 其原因在于該階段已經(jīng)基本完成了初次碾壓并形成了相對致密的結構； 在第12 min后， 當氣溫低于15 ℃時， SMA-13瀝青混合料降溫顯著， 其有效壓實時間將縮短達10～15 min以上．

由圖2b可知， 當風速為3～6 m/s時， 在0～3 min內(nèi)， 氣溫為5～10 ℃及10～15 ℃時混合料的降溫速率大． 當氣溫為15～20 ℃時， 降溫速率明顯小于氣溫為5～10 ℃及10～15 ℃時． 另外可以看到， 當風速為3～6 m/s時， SMA-13在不同氣溫下的有效壓實時間變化不大， 表明風速的影響明顯強于氣溫．

由圖3可知， 在0～3 min內(nèi)， 氣溫越低， 則AC-20C降溫越快； 在第3 min后， 隨著氣溫逐漸升高， 降溫速率越緩． 此外， 可以看到從第7 min開始， 在氣溫為10～15 ℃及15 ℃～20 ℃時AC-20C的降溫速率均變緩， 由此可見當風速小于6 m/s、 氣溫大于5 ℃時， AC-20C的有效壓實時間是能滿足攤鋪和碾壓要求的．

AC-20瀝青混合料在攤鋪壓實過程中的降溫變化如圖4所示． 可以看到， 在0～3 min內(nèi)， 當氣溫為5～10 ℃時， AC-20瀝青混合料的降溫速率明顯比其他氣溫時更快． 當氣溫小于10 ℃時， 在碾壓初期其內(nèi)部溫度的影響變化顯著， 從第7 min后隨著氣溫的逐漸升高， AC-20瀝青混合料的降溫速率明顯變緩， 有效壓實時間差值較小， 表明氣溫對AC-20瀝青混合料的影響較?。?/p>

2.2.2 不同風速下壓實降溫規(guī)律

在壓實過程中， 風速對瀝青混合料內(nèi)部的降溫變化如圖5、 圖6所示．

由圖5可知， 當風速為3～6 m/s時， SMA-13的降溫速率明顯高于風速為0～3 m/s時的降溫速率， 且隨著風速逐漸增大， SMA-13瀝青混合料的降溫愈發(fā)顯著． 當氣溫為15～20 ℃時， 風速為0～3 m/s時的有效壓實時間是風速為3～6 m/s時的1.7倍， 可見該氣溫下風速對SMA-13的降溫影響顯著； 當氣溫分別為5～10 ℃及10～15 ℃， 風速為0～3 m/s時SMA-13的有效壓實時間約為風速為3～6 m/s時的1.25倍及1.4倍， 可見氣溫越高， 風速對SMA-13的影響越大． 當氣溫為15～20 ℃時， SMA-13從100 ℃降至90 ℃， 風速為0～3 m/s時的降溫速率明顯小于3～6 m/s時的降溫速率， 有效壓實時間減少約10 min， 表明風速對SMA-13終壓階段的影響是顯著的．

由圖6可知， 當風速為3～6 m/s時， AC-20C瀝青混合料在初壓及復壓階段的降溫與風速為0～3 m/s時相比不顯著． 當溫度降至110 ℃～90 ℃（終壓階段）時， 隨著風速逐漸增大， AC-20C瀝青混合料的降溫越明顯， 其有效壓實時間的降低越顯著． 可見， 在初壓及復壓階段， 風速對AC-20C瀝青混合料的降溫影響并不顯著， 而在壓實后期， 風速對AC-20C瀝青混合料的降溫影響顯著．

2.2.3 不同混合料類型壓實降溫規(guī)律

在同等環(huán)境條件下， 不同瀝青混合料在攤鋪壓實過程中其內(nèi)部的降溫變化見圖7． 由圖7可知， 在0～9 min內(nèi)， AC-20C瀝青混合料的降溫速率明顯高于AC-20瀝青混合料； 在第9 min后， AC-20C瀝青混合料與AC-20瀝青混合料的降溫速率相當， 說明在攤鋪碾壓的初期階段， 2種混合料的熱擴散有差異， 混合料本身熱物性參數(shù)對攤鋪碾壓初期階段具有顯著影響， 表明在該階段， 改性瀝青混合料的熱擴散明顯快于基質(zhì)瀝青混合料．

2.3 多因素敏感性分析

根據(jù)上述試驗方案， 基于實測氣溫、 風速及混合料類型對有效壓實時間的影響實施SPSS多因素方差正交分析． 需要說明的是， SPSS是成熟的多因素方差分析方法， 已經(jīng)得到了廣泛認可及應用， 其原理詳見相關教材， 此處不再贅述．

2.3.1 確定影響因素及其水平

將影響因素劃分為2類， 累計共7個影響因素． 第一類是單一影響因素， 共3個， 即： 氣溫（A）、 風速（B）以及混合料類型（C）； 第二類是耦合影響因素， 共4個， 即： 氣溫amp;風速（D）、 氣溫amp;混合料類型（E）、 風速amp;混合料類型（F）以及氣溫amp;風速amp;混合料類型（G）．

根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料， 氣溫和風速均有3個變化梯度， 故第一類影響因素的水平數(shù)為3， 其水平取值如表2所示．

2.3.2 確定分析模型

采用IBM公司設計開發(fā)的SPSS統(tǒng)計程序?qū)嵤┒嘁蛩胤讲罘治觯?根據(jù)該程序的操作規(guī)程， 在確定好影響因素及其水平后， 需要選擇合適的數(shù)據(jù)分析模型實施分析． SPSS程序中共包含3種數(shù)據(jù)分析模型， 即： 一般線性模型、 廣義線性模型以及混合模型． 實踐表明， 采用一般線性模型中的多變量分析方程即可完成大多數(shù)多因素方差分析， 且具有迭代累積誤差小、 收斂速度快的優(yōu)勢， 故選用一般線性模型中的多變量分析方程對方差、 均值以及F值等進行分析． 以A、 B兩因素方差分析為例， 其模型方程如下式所示：

Xijk=μ+αi+βj+αiβj+εijk（1）

式中： Xijk為第k次迭代時第i組的第j個觀察值， 無量綱； μ為總體的平均水平值， 無量綱； αi為因素A在i水平下的附加效應， 無量綱； βj為因素B在j水平下的附加效應， 無量綱； αiβj為A、 B兩因素的耦合效應， 無量綱； εijk為隨機誤差變量， 無量綱．

2.3.3 實施分析

完成上述步驟后， 只需按照程序的提示執(zhí)行操作即可完成分析過程并得到結果， 如表3所示．

由表3可知， 氣溫、 風速及混合料類型對有效壓實時間的影響顯著． 依據(jù)F值可以看到， 單一因素中的敏感性排序為： C＞B＞A； 兩因素相組合的敏感性排序為： D＞E＞F． 可見， 對于瀝青混合料在壓實過程中的降溫及有效壓實時間， 應重視不同混合料類型的差異帶來的壓實降溫特性差異， 并同時考慮氣溫和風速的綜合作用對壓實降溫的影響． 此外， 在施工中還需根據(jù)混合料的不同類型及環(huán)境條件實施分類鋪筑施工， 從而保證壓實效率．

3 瀝青混合料最佳擊實溫度

3.1 試驗方案

理論研究和工程實踐表明［19-20］， 室內(nèi)擊實溫度是保證瀝青混合料密實度及施工壓實質(zhì)量的有效評價依據(jù)． 為了合理確定瀝青混合料在施工過程中的攤鋪及碾壓溫度， 依據(jù)壓實等效原則， 分別對SMA-13、 AC-20C和AC-20瀝青混合料開展變溫擊實試驗． 依據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）［21］對不同層位碾壓溫度的推薦值， 以5 ℃為試驗溫度梯度對不同瀝青混合料的室內(nèi)擊實溫度進行設計．

其中， 上面層為SMA-13， 厚度為4 cm， 集料為玄武巖， 瀝青為90#SBS改性瀝青， 油石比為5.9%， 以155 ℃，160 ℃，165 ℃，170 ℃，175 ℃共5個溫度進行馬歇爾變溫擊實． 中面層為AC-20C， 厚度為6 cm， 集料為石灰?guī)r， 瀝青為90#SBS改性瀝青， 油石比為4.1%， 以155 ℃，160 ℃，165 ℃，170 ℃，175 ℃共5個溫度進行擊實． 下面層為AC-20， 厚度為6 cm， 集料為石灰?guī)r， 瀝青為中海牌70#基質(zhì)瀝青， 油石比為4.1%， 以140 ℃，145 ℃，150 ℃，155 ℃，160 ℃共5個溫度進行擊實．

3.2 確定最佳擊實溫度

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）［22］的規(guī)定， 利用式（2）對不同擊實溫度下瀝青混合料的空隙率進行計算， 結果如表4所示．

e=1-σ1σ2×100%（2）

式中： e為孔隙率， 無量綱； σ1為毛體積密度（g/mm3）； σ2為最大理論密度（g/mm3）， 用下式進行計算：

σ2=100100σ′+mσ3（3）

式中： σ′為集料的有效相對密度（g/mm3）； m為瀝青用量（g）； σ3為瀝青在25 ℃時的密度（g/mm3）．

利用最小二乘法對表4中由試驗所得空隙率進行直線擬合， 得到不同瀝青混合料空隙率與擊實溫度之間的擬合關系， 如圖9所示．

由表4、 圖9可知： 隨著擊實溫度的逐漸升高， 瀝青混合料的空隙率不斷降低， 擊實溫度越高則瀝青混合料越密實、 空隙率越?。?然而理論研究和實踐均表明［23-24］， 當熱拌瀝青混合料溫度過高時， 易引起瀝青老化， 進而影響瀝青的耐久性和使用性能． 依據(jù)瀝青混合料配合比設計以及空隙率驗證結果， SMA-13混合料上面層的最佳空隙率為3.5%， AC-20C、 AC-20混合料上面層的最佳空隙率均為3.7%． 以最佳空隙率為控制指標， 通過擬合可知SMA-13混合料的最佳擊實溫度為169 ℃， AC-20C混合料的最佳擊實溫度為166 ℃， AC-20混合料的最佳擊實溫度為152 ℃．

3.3 路用性能評價

為了驗證最佳擊實溫度下熱拌瀝青混合料路用性能是否良好， 采用車轍試驗、 低溫小梁彎曲試驗及浸水馬歇爾試驗對其路用性能指標進行評價， 試驗結果如表5所示． 可以看到， 在最佳擊實溫度下， 各瀝青混合料的高溫、 低溫及水穩(wěn)定性能均良好， 能滿足規(guī)范要求， 這為確定各瀝青混合料的攤鋪碾壓溫度提供了初步依據(jù)．

4 攤鋪及碾壓溫度

4.1 攤鋪至初壓階段降溫速率

采用插入式溫度計對現(xiàn)場攤鋪壓實階段進行降溫監(jiān)測， 同時考慮氣溫和風速2個環(huán)境因素． 根據(jù)當?shù)貧庀笳咎峁┑臍鉁睾惋L速統(tǒng)計資料， 設置5～10 ℃， 10～15 ℃， 15～20 ℃共3個溫度梯度以及0～3 m/s， 3～6 m/s， 6～9 m/s共3個風速梯度． 采用手持式氣象站對最佳擊實溫度下3種瀝青混合料在攤鋪、 初壓階段（前3 min）的平均降溫速率實施監(jiān)測， 結果如圖10所示．

試驗結果表明， 從攤鋪至初壓階段， 風速的影響大于氣溫． 在相同氣溫條件下， 隨著風速的增大， 混合料的降溫速率越來越大． SMA-13在氣溫為5～10 ℃、 風速為6～9 m/s的環(huán)境下， 降溫速率達15.3 ℃/min， 約為氣溫為5～10 ℃、 風速為0～3 m/s時降溫速率的1.8倍． 可見在低溫時， 風速對初壓階段溫度的損失影響極大． 此外， AC-20C的降溫速率明顯高于AC-20， 說明在初壓階段， 改性瀝青混合料的熱擴散過程快于普通瀝青混合料． 綜上所述， 在初壓階段， 瀝青混合料的平均降溫速率從高到低的順序依次為： SMA-13＞AC-20C＞AC-20．

4.2 最佳擊實溫度與攤鋪碾壓溫度計算模型

李銳鐸等［25］的研究表明， 基于分數(shù)階理論， 熱拌瀝青混合料的溫度場特征與初始溫度、 靜置時間、 日照強度以及地形系數(shù)等具有如下式所示的關系：

Ti=ηΔtpt+Tj0（4）

式中： Ti為i時刻瀝青混合料的溫度（℃）； η為地形系數(shù)， 無量綱， 表征地形對溫度變化的增量效應； Δt為環(huán)境中的靜置時間（min）； p為太陽輻射量（MJ/m2）； j為風力效應系數(shù)， 表征環(huán)境風對溫度場的變化效應， 無量綱； Tj0為瀝青混合料在風力系數(shù)j條件下的初始溫度（℃）．

根據(jù)《太陽能資源測量 總輻射》（GB/T 31156—2014）［26］的規(guī)定， 在平坦、 開闊的地形條件下， 地形系數(shù)η以及風力效應系數(shù)j的取值均為 即視為無增量效應． 據(jù)此， 可將式（4）改寫為如下形式：

Ti=Δtpt+T0（5）

式中： 太陽輻射量p對時間t求一階偏導數(shù)， 其結果表征太陽輻射量隨時間的變化率， 即： 降溫速率． 本次鋪筑試驗段均位于同一地區(qū)， 故日光輻射率、 水熱傳導系數(shù)等均為等值常量， 對時間t求一階偏導數(shù)后， 日光輻射率、 水熱傳導系數(shù)等偏導數(shù)分項結果均為0， 此時降溫速率為一個不帶隱函數(shù)的單變量． 為此， 引入?yún)?shù)V用于表征該降溫速率． 此時， 可將式（5）改寫為如下形式：

Ti=ΔtV+T0（6）

為此， 根據(jù)上述實際監(jiān)測的統(tǒng)計分析結果， 以最佳擊實溫度為基準綜合考慮當?shù)氐慕禍厮俾剩?可建立攤鋪溫度的估算模型， 如下式所示：

T1=（t3-t2）V+T0（7）

T2=（t2-t1）V+T1（8）

式中： T2為攤鋪溫度上限值（℃）； T1為攤鋪溫度下限值或稱為初壓階段上限值（℃）； T0為最佳擊實溫度值（℃）； V為攤鋪至初壓階段的平均降溫速率（℃/min）； t1為攤鋪時刻（min）； t2為初次碾壓時刻（min）； t3為初壓完成時刻（min）．

聯(lián)合式（7）、 式（8）， 同時結合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）中終壓溫度不低于90 ℃的規(guī)定， 可得： 攤鋪溫度為T1～T2， 初壓溫度為T0～T 復壓溫度為90 ℃～T0， 終壓溫度≥90 ℃．

4.3 確定攤鋪及碾壓溫度

工程實踐和現(xiàn)場監(jiān)測表明， 在低溫下實施緊湊碾壓時， 從攤鋪至初壓完成大約需用時2 min． 為滿足低溫下對壓實質(zhì)量的控制要求， 依據(jù)圖9和圖10的結果， 聯(lián)合式（7）、 式（8）可推算得到不同鋪層混合料在不同氣溫及風速下各個階段的碾壓溫度值（表6）．

結合表6及圖10可知， 對于SMA-13熱拌瀝青混合料， 當氣溫為5～15 ℃、 風速＞3 m/s時， 由于碾壓溫度過高， 考慮運輸過程中的溫度損失， 拌合溫度將達200 ℃， 容易產(chǎn)生廢料或瀝青老化， 進而導致耐久性變差， 故不宜開展鋪筑施工． 在工期緊的情況下， 可采用熱拌溫鋪技術降低最佳擊實溫度及施工碾壓溫度， 通過延長有效壓實時間來達到預期壓實效果． 此外， 通過嚴格控制各個階段的鋪筑溫度、 提高碾壓效率， 可彌補低溫大風造成的溫度損失， 能有效保證瀝青路面的壓實質(zhì)量．

4.4 有效壓實時間

依據(jù)表6設定的攤鋪及碾壓溫度， 對SMA-13、 AC-20C及AC-20瀝青混合料在不同氣溫和風速下的有效壓實時間進行足尺度試驗監(jiān)測， 結果如圖11所示． 由圖11a可知， 當氣溫小于15 ℃、 風速大于3 m/s時， SMA-13的有效壓實時間小于20 min， 不能滿足鋪筑壓實施工的時間要求． 由圖11b和圖11c可知， 當AC-20C及AC-20瀝青混合料的鋪層厚度為6 cm時， 在低溫大風下能滿足鋪筑壓實施工時所需的時間（＞20 min）， 通過優(yōu)化壓實機械效率可保證正常施工．

SMA-13瀝青混合料具有骨架密實型結構， 集料采用的是間斷型級配， 由此使得大小孔隙依次被填充， 集料之間的摩擦接觸和咬合接觸更加優(yōu)越， 且多采用風化程度弱、 硬度高、 強度大的巖漿巖類石料（如玄武巖）， 易形成大量的三鋼片式鎖閉結構． 此時若集料之間的黏結性和包裹度不佳， 將難以被壓實， 故需要適當?shù)靥岣吣雺簻囟纫栽鰪姙r青的軟化性、 滲透性． 上述分析也表明SMA-13瀝青混合料具有最高的碾壓溫度， 這也意味著在快速降溫環(huán)境下， 瀝青的軟化性、 滲透性容易下降而稠度上升， 進而難以被壓實． 因此對于SMA-13瀝青混合料， 在壓實施工過程中需要特別注意保證其碾壓溫度并規(guī)避快速降溫環(huán)境．

與AC-20瀝青混合料相比， AC-20C瀝青混合料雖然也采用連續(xù)型級配， 屬于懸浮密實型結構， 但粗集料大顆粒含量更多， 抗車轍能力更強， 由此也使其骨架抗力強于AC-20瀝青混合料． 在最大粒徑相同的情況下， 其內(nèi)部空隙之間的貫通性以及與外界的連通性亦強于AC-20瀝青混合料， 導致在相同的氣溫和風速條件下， 其降溫速率更快， 也更不容易被壓實． 因此， 兩者相比之下， 在工程實踐中AC-20C瀝青混合料需要更高的碾壓溫度且對氣溫和風速的要求更高． 另一方面， 也意味著當在風速大、 氣溫低的條件下， 易致碾壓溫度下降過快， 此時需特別注意要通過提高壓實機械效率來保證壓實質(zhì)量．

5 結論

1） 基于室內(nèi)馬歇爾變溫擊實試驗， 得到SMA-13、 AC-20C及AC-20瀝青混合料在壓實過程中的最佳碾壓溫度分別為169 ℃，166 ℃，152 ℃． 當氣溫為5～15 ℃、 風速大于3 m/s時， 不宜開展SMA-13瀝青混合料鋪筑施工． 當風速小于6 m/s、 氣溫大于5 ℃時， AC-20C及AC-20瀝青混合料在鋪層為6 cm時能正常攤鋪和碾壓， 但當風速大于6 m/s、 氣溫為5～10 ℃時， 需提升壓實機械效率以保證壓實質(zhì)量．

2） 在碾壓初期的0～3 min內(nèi)， 風速對SMA-13瀝青混合料的影響大于AC-20C及AC-20， 降溫可達15～30 ℃； 在初壓階段， 平均降溫速率的高低順序依次為SMA-13＞AC-20C＞AC-20； 在同等條件下， 改性瀝青混合料AC-20C在初壓階段的熱擴散過程快于基質(zhì)瀝青混合料AC-20．

3） 氣溫、 風速及混合料類型對有效壓實時間的影響是顯著的． 單因素敏感性排序為： 混合料類型＞風速＞氣溫， 兩因素組合的敏感性排序為： 氣溫amp;風速＞氣溫amp;混合料類型＞風速amp;混合料類型．

4） 現(xiàn)場鋪筑所用瀝青混合料均由設計所定， 今后可繼續(xù)對其他類型的瀝青混合料進行分析研究； 鋪筑時的壓實機械類型是不變的， 可考慮采用多種具有不同壓實功的機械實施現(xiàn)場鋪筑并分析其壓實特性， 這也是接下來需要繼續(xù)研究的重要工作．

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責任編輯 柳劍