有效壓實(shí)時(shí)間對(duì)瀝青路面壓實(shí)質(zhì)量影響的研究

姚怡彤

（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州730000）

0 引言

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）規(guī)定,規(guī)范要求高速公路和一級(jí)公路的瀝青路面在外界氣溫低于10℃時(shí)不得施工，二級(jí)及其以下等級(jí)公路的瀝青路面在外界環(huán)境低于5℃時(shí)不得施工。我省高寒地區(qū)較多，年平均氣溫低，工期一般集中在5～10月，有限的施工期限使得這些地區(qū)的工期安排處于非常緊張狀態(tài)，不利于高等級(jí)公路的建設(shè)。瀝青路面之所以不能在低溫施工，主要是由于低溫狀態(tài)下瀝青混合料降溫速度非?？?。

導(dǎo)致沒有充足的時(shí)間將瀝青混合料充分壓實(shí)，因而導(dǎo)致瀝青路面的早期破壞。瀝青混合料的壓實(shí)必須在一定得溫度范圍內(nèi)完成，研究表明，當(dāng)溫度低于一定的限度（中止溫度）后，作用于混合料的壓實(shí)功并不能顯著提高混合料的密實(shí)度，僅能改善混合料的平整度。因此，壓實(shí)必須在路面溫度低于中止溫度之前完成，否則路面無法達(dá)到理想的壓實(shí)度。

1 有效壓實(shí)時(shí)間的概念及計(jì)算方法

有效壓實(shí)時(shí)間是指混合料從運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)的溫度降至最低允許碾壓溫度所需的時(shí)間?？捎糜趬簩?shí)的有效時(shí)間取決于攤鋪后混合料的冷卻速度。冷卻速度受鋪層厚度、碾壓的及時(shí)性、下承層的表面溫度、氣溫、風(fēng)力、雨雪等天氣因素的影響。瀝青混合料在高溫時(shí)降溫相當(dāng)迅速，之后降溫速度逐漸趨于平緩。在鋪層較薄、風(fēng)力較大、雨雪天氣等狀況下，可用于壓實(shí)的有效壓實(shí)時(shí)間越短；鋪層越厚、天氣晴朗、地表溫度較高等狀況下，可用于壓實(shí)的有效壓實(shí)時(shí)間越長。掌握瀝青路面的有效壓實(shí)時(shí)間對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員合理安排壓實(shí)工序，保證壓實(shí)質(zhì)量具有非常重大的實(shí)踐意義。、

圖2-1 混合料冷卻速度較快的情況（分別是薄層、大風(fēng)、雨雪天氣）

圖2-2 混合料冷卻速度較慢的情況（分別是厚層晴天、地表溫度較高）

瀝青混合料對(duì)溫度非常敏感，根據(jù)壓實(shí)溫度的允許范圍，計(jì)算瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間，可以施工人員做出合理的壓實(shí)決策，對(duì)于提高瀝青路面壓實(shí)效果意義顯著。美國加州大學(xué)的Vaughan Voller教授和David Timm博士開發(fā)了Multicool軟件，用于計(jì)算瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間。

圖2-2是MultiCool的程序界面，MultiCool是一個(gè)易操作、簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)程序，它可以計(jì)算出施工過程中熱拌瀝青混合料的冷卻速率。它要求用戶輸入時(shí)間日期、緯度、氣溫、風(fēng)速、混合料特性及每一層的鋪層厚度、鋪筑的材料類型、混合料溫度、土基或基層是否被凍結(jié)等。程序可根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出每層熱拌瀝青混合料的冷卻時(shí)間及另一層的最佳鋪筑時(shí)間。有助于現(xiàn)場(chǎng)施工人員決定是否在冷天攤鋪及熱拌瀝青混合料運(yùn)輸?shù)綌備伂F(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度安排。盡管該程序不能代替良好的判斷及現(xiàn)場(chǎng)觀察，但它在施工計(jì)劃過程及現(xiàn)場(chǎng)決策過程中起到重要作用。

本文以我國瀝青路面常用的路面結(jié)構(gòu)為例，即5cmSMA-16、7cmAC-20、8cmATB-25的組合方式，使用Multicool程序計(jì)算瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間的具體步驟為：

1）確定瀝青結(jié)合料PG等級(jí)

SHRP研究人員提出了將歷史氣溫轉(zhuǎn)化為路面設(shè)計(jì)溫度的理念，并提供了計(jì)算方式。Superpave設(shè)計(jì)方法，允許設(shè)計(jì)者根據(jù)可靠度來確定結(jié)合料的PG等級(jí)?？煽慷仁悄陮?shí)際溫度(極端最低氣溫或七天高氣溫)不超過設(shè)計(jì)溫度的百分率?？煽慷仍礁呔鸵馕吨L(fēng)險(xiǎn)越低。一般情況下，要求瀝青膠結(jié)料的PG高溫等級(jí)必須高于氣候資料計(jì)算的路面高溫設(shè)計(jì)溫度，而所需的PG低溫等級(jí)必須低于按氣候等級(jí)計(jì)算的路面低溫設(shè)計(jì)溫度。本文以瀝青膠結(jié)料的PG等級(jí)是PG64-34級(jí)進(jìn)行計(jì)算。

2）收集milticool計(jì)算所需的數(shù)據(jù)資料。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體施工參數(shù)進(jìn)行收集，包括緯度、氣溫、風(fēng)速、混合料特性及每一層的鋪層厚度、鋪筑的材料類型、混合料溫度、土基或基層是否被凍結(jié)。

假設(shè)施工溫度為20℃，風(fēng)速為10Km/h，天氣晴朗干燥的情況下，表面層選用的是5cm厚的SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-16。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》瀝青路面施工的最低氣溫應(yīng)符合總則1.0.4的要求，寒冷季節(jié)遇大風(fēng)降溫，不能保證迅速壓實(shí)時(shí)不得鋪筑瀝青混合料。SBS改性瀝青混合料攤鋪后的溫度不低于160℃，碾壓終了的溫度不低于90℃。經(jīng)計(jì)算SMA瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間如圖3.7所示，由圖知，SMA混合料在天氣晴朗的某天早上10:30從攤鋪溫度到碾壓終了的有效壓實(shí)時(shí)間為28min。

圖2-3 SMA-16在氣溫為20℃，晴朗天氣狀況下的有效壓實(shí)時(shí)間

7cm的下面層AC-20，采用與SMA相同的氣溫、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖2-3所示，AC-20混合料在天氣晴朗的情況下從攤鋪完成到碾壓終了的有效壓實(shí)時(shí)間為52min。

圖2-4 AC-20在氣溫為20℃，晴朗天氣狀況下的有效壓實(shí)時(shí)間

8cm的柔性基層ATB-25，采用與SMA相同的氣溫、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，根據(jù)通丹高速設(shè)計(jì)文件，ATB-25采用遼寧盤錦70#瀝青，由規(guī)范查的，ATB運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)的溫度不低于145℃，碾壓終了的溫度不低于70℃，根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算ATB-25的有效壓實(shí)時(shí)間，ATB-25混合料在天氣晴朗的情況下從攤鋪完成到碾壓終了的有效壓實(shí)時(shí)間為84min。

上面層5cmSMA-16、下面層7cmAC-20、柔性基層8cmATB-25的有效壓實(shí)時(shí)間分別為28min、52min、84min，由此可知，不同類型的瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間變化非常顯著。在有效壓實(shí)時(shí)間已知的情況下，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，可采取相應(yīng)的措施，如合理安排壓實(shí)機(jī)械、增加人員配備、增加鋪層厚度等措施來保證路面壓實(shí)質(zhì)量。瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間的計(jì)算，對(duì)于保證瀝青路面壓實(shí)質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

3 有效壓實(shí)時(shí)間的影響因素分析

不同條件下瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間是不盡相同的，系統(tǒng)的分析有效壓實(shí)時(shí)間的影響因素，并找出這些因素對(duì)瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間的影響規(guī)律，以期能在施工過程中采取有效的規(guī)避措施，從而提高瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量和瀝青路面的使用壽命。

3.1 鋪層厚度

鋪層越厚，其有效壓實(shí)時(shí)間越長，壓實(shí)度越容易達(dá)到。其原因是，鋪層越厚，其保溫時(shí)間越長；鋪層越薄，瀝青混合料的冷卻速度急劇增加，而瀝青混合料在低溫狀況下粘性增大不利于壓實(shí)。

假定氣溫、風(fēng)力、混合料類型等參數(shù)不變，通過改變面層厚度來分析厚度對(duì)混合料有效壓實(shí)時(shí)間的影響。同樣，選擇上節(jié)所所述的SMA-16，厚度分別選為30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，計(jì)算結(jié)果見表3-1。

表3-1 不同路面厚度SMA的有效壓實(shí)時(shí)間

圖3-1 SMA面層厚度與有效壓實(shí)時(shí)間的關(guān)系

圖3-1直觀的表明，在其他條件相同的狀況下，面層厚度對(duì)瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間影響顯著，隨著面層厚度的增加有效壓實(shí)時(shí)間也呈現(xiàn)線性增長的趨勢(shì)。在條件允許的情況下，適當(dāng)?shù)募哟箐亴雍穸瓤捎行У臏p小瀝青混合料的冷卻速率，從而增加有效壓實(shí)時(shí)間，有利于壓實(shí)質(zhì)量的保證。

3.2 風(fēng)速

風(fēng)力大小主要影響鋪層的表面溫度及溫度的下降速率，面層厚度越大，風(fēng)力對(duì)混合料影響相對(duì)較小。選擇氣溫為20℃,50mmSMA的瀝青混合料壓實(shí)為例，風(fēng)速從5Km/h、10 Km/h、15 Km/h、20 Km/h，有效壓實(shí)時(shí)間分別為31、28、27、25min。

由圖可知，風(fēng)速越大，瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間越短。風(fēng)為空氣的自然對(duì)流現(xiàn)象，風(fēng)的影響促使空氣的流動(dòng)，加快能量的傳遞。因此，在無風(fēng)或風(fēng)力較小的情況下，瀝青混合料向空中傳遞的熱量少，混合料的降溫速率也較低，用于壓實(shí)的時(shí)間也相對(duì)較長。值得注意的是，在風(fēng)力較大的情況下，新鋪的瀝青混合料表面由于迅速降溫而導(dǎo)致表面硬化，這會(huì)導(dǎo)致混合料在振動(dòng)壓路機(jī)作用下形成熱龜裂，影響瀝青路面使用壽命。

3.3 氣溫及下承層溫度

在其他條件不變的情況下，隨著氣溫的升高，有效壓實(shí)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的增加，反之，有效壓實(shí)時(shí)間減少。這是因?yàn)?，氣溫較高時(shí)，混合料的冷卻速度較小，即可用于壓實(shí)的有效壓實(shí)時(shí)間變長。當(dāng)下承層的溫度較低，由于熱傳導(dǎo)的作用，鋪層混合料的溫度下降較快，即有效壓實(shí)時(shí)間縮短。

我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定瀝青路面不得在氣溫10℃(高速公路和一級(jí)公路)或5℃(其他等級(jí)公路)，以及雨天、路面潮濕的情況下施工。寒冷季節(jié)遇大風(fēng)降溫，不能保證迅速壓實(shí)時(shí)不得鋪筑瀝青混合料。由此可見氣溫對(duì)于瀝青路面壓實(shí)特性有重大影響。假定其他條件基本保持不變，且假定下承層溫度與氣溫相同，研究氣溫變化對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間的影響程度。還是以SMA混合料為例，選擇50mmSMA，分別選擇氣溫為15℃、20℃、25℃、30℃，分別計(jì)算混合料的有效壓實(shí)時(shí)間，計(jì)算結(jié)果分別為26、28、31、34min。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著氣溫的增加，有效壓實(shí)時(shí)間也不斷增大。此外，國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)風(fēng)力小于4級(jí)時(shí)，4cm厚面層的表面和內(nèi)部溫差一般不大，但是當(dāng)風(fēng)力大于4級(jí)時(shí)，表面與內(nèi)部溫差較大，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)超過20℃，而對(duì)于6cm厚的瀝青面層，由于內(nèi)部熱量較高并不斷向表面擴(kuò)散，故表面與內(nèi)部溫差較4cm厚的面層要小的多。這說明，通過增加鋪層厚度可削減風(fēng)速對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間的影響。所以，瀝青路面施工宜在溫度較高的季節(jié)進(jìn)行，應(yīng)盡量避開雨天、大風(fēng)等不良天氣。

下承層溫度與混合料降溫速率也有一定關(guān)系,主要原因在鋪層頂面與大氣接觸，鋪層底面與下承層接觸，導(dǎo)致上下部的降溫速率較中間層快，即面層中間與面層頂面和底面存在溫度差。隨著面層頂面和底面溫度的降低,含中間層會(huì)向上下兩側(cè)傳遞，因而導(dǎo)致面層中間點(diǎn)溫度下降幅度大，即混合料整體降溫速率變大。我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定下承層的溫度低于10℃時(shí)，改性瀝青混合料或SMA瀝青混合料不允許進(jìn)行攤鋪施工。

3.4 壓實(shí)時(shí)間點(diǎn)

瀝青混合料在不同的時(shí)間點(diǎn)壓實(shí)，其有效壓實(shí)時(shí)間也不盡相同。假定其他因素不變，分別選擇08:30,10:30,12:30，14:30,16:30,18:30六個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行SMA混合料的有效壓實(shí)時(shí)間計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3-2所示。

表3-2 不同時(shí)間點(diǎn)的有效壓實(shí)時(shí)間

圖3-2 壓實(shí)時(shí)間點(diǎn)與有效壓實(shí)時(shí)間的關(guān)系圖

由圖3-2可知，壓實(shí)時(shí)間點(diǎn)與有效壓實(shí)時(shí)間呈現(xiàn)拋物線關(guān)系，即早上開始?jí)簩?shí)時(shí)，瀝青混合料降溫速率比較快，到正午時(shí)，壓實(shí)速率較慢，正午之后，瀝青混合料降溫速率升高，有效壓實(shí)時(shí)間縮短。

3.5 初壓溫度及其他因素

瀝青混合料在攤鋪后、初壓前的時(shí)間段內(nèi)溫度損失很大，而在復(fù)壓、終壓階段冷卻速度較低，所以及時(shí)碾壓是提高壓實(shí)質(zhì)量的基本措施，壓路機(jī)應(yīng)緊跟攤鋪機(jī)作業(yè)。如果碾壓不及時(shí)，瀝青混合料溫度則會(huì)在短時(shí)間內(nèi)下降而造成壓實(shí)困難。故混合料的初壓溫度對(duì)于有效壓實(shí)時(shí)間意義顯著。

此外，太陽輻射、雨雪天氣等因素也會(huì)影響瀝青混合料的有效壓實(shí)的大小。

4 結(jié)語

根據(jù)前面定量的分析，各因素對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間的影響程度從大到小依次為：面層厚度、風(fēng)力、氣溫及下承層溫度、壓實(shí)時(shí)間點(diǎn)等。對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間影響最大的是面層厚度。風(fēng)力、氣溫、太陽輻射、雨雪天氣等是不可控制的環(huán)境因素，對(duì)于這些不利因素，我們無法改變，只能盡可能避免或采取別的措施進(jìn)行補(bǔ)救。在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)及時(shí)關(guān)注氣象信息，避免在惡劣天氣條件小進(jìn)行瀝青混合料面層的施工。如果使用multicool計(jì)算得出的時(shí)間不足以充分壓實(shí)瀝青混合料，可以選擇一些方式延長時(shí)間，例如，通過增加壓實(shí)厚度、或提高混合料初壓溫度來獲得足夠的有效壓實(shí)時(shí)間。在施工前，可用該軟件計(jì)算有效壓實(shí)時(shí)間，并據(jù)此合理安排壓實(shí)機(jī)械的類型與組合方式，可以最大程度地保證混合料的壓實(shí)質(zhì)量。

綜上所述，環(huán)境、機(jī)械、設(shè)計(jì)、人為等因素，都會(huì)影響瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間。通過對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間影響因素的分析，對(duì)瀝青路面的施工工序有很多重要的啟示。瀝青路面施工時(shí)，壓路機(jī)必須緊跟攤鋪機(jī)作業(yè)；合理安排運(yùn)輸車輛，減少等料時(shí)間；在運(yùn)輸過程中，應(yīng)采取有效的保溫措施，如加蓋蓬布等；盡量減少溫度損失，以保證混合料的攤鋪溫度和初壓溫度；在條件許可的情況下適當(dāng)?shù)卦黾訅郝窓C(jī)數(shù)量，且要合理安排碾壓時(shí)間段；合理安排壓路機(jī)作業(yè)順序，從而保證瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量。

［1］李波，劉建勛,等.瀝青混合料降溫速率影響因素的灰關(guān)聯(lián)分析[J].西安：長安大學(xué)學(xué)報(bào),2011,09.

［2］鄧學(xué).路基路面工程[M].北京：人民交通出版社,2008,4.

［3］郝培文.瀝青路面施工與維修技術(shù)[M].北京：人民交通出版社.

［4］張肖寧.瀝青路面施工質(zhì)量控制與保證[M].北京：人民交通出版社.2009.

［5］沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京:人民交通出版社,2001.

［6］中華人民共和國交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTGF4O-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].人民交通出版社,2004.

［7］居彩梅.車載式壓實(shí)度檢測(cè)儀[D].西安：長安大學(xué),2001.

［8］劉興國，馬紅梅,等.熱拌瀝青混合料級(jí)配實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].長沙：中外公路,2012,10(5).

［9］劉興國，馬紅梅,等.瀝青路面壓實(shí)度實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)研究[J].北京：公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2012,11(11).