公路瀝青路面施工壓實(shí)溫度控制研究

柴嘉占

(山西路橋第二工程有限公司,山西 臨汾 041000)

在公路瀝青路面施工中,對(duì)于路面施工壓實(shí)溫度有著明確的要求,但是在實(shí)際的施工過(guò)程中,由于施工的實(shí)際情況難以達(dá)到規(guī)范的要求,難以保證施工效果和質(zhì)量,因此對(duì)壓實(shí)溫度控制的研究具有重要意義。在進(jìn)行公路瀝青路面施工壓實(shí)溫度控制時(shí),首先應(yīng)對(duì)最低控制溫度進(jìn)行研究,通過(guò)溫度與壓實(shí)特性之間的關(guān)系,分析其變化情況,確定變化拐點(diǎn),并結(jié)合施工壓實(shí)質(zhì)量的要求,在壓實(shí)特性指標(biāo)滿(mǎn)足要求的情況下,確定需控制的最低壓實(shí)溫度。在瀝青混合料從出場(chǎng)到壓實(shí)使用存在一定時(shí)間,在該時(shí)間段內(nèi),由于外界環(huán)境的因素以及施工的過(guò)程等影響,會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的溫度降低,所以,需確定當(dāng)溫度降低至控制溫度時(shí),瀝青混合料的壓實(shí)有效時(shí)間。通過(guò)調(diào)控壓實(shí)有效時(shí)間對(duì)施工的流程進(jìn)行指導(dǎo)和調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)壓實(shí)溫度的控制。

1 壓實(shí)溫度與壓實(shí)特性

1.1 變溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以長(zhǎng)沙至益陽(yáng)高速公路擴(kuò)容工程中,路段K30+884～K31+384使用的SMA-13混合料作為研究的對(duì)象,通過(guò)保證常量不變,以壓實(shí)溫度作為變量,通過(guò)對(duì)混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),探究在不同壓實(shí)溫度下混合料壓實(shí)特性的變化情況,分析壓實(shí)溫度與壓實(shí)特性之間的關(guān)系[1]。

(1)常量設(shè)計(jì)。

為避免除變量外的其他因素對(duì)變溫試驗(yàn)產(chǎn)生影響,因此需保證其他影響因素為常量,常量主要包括兩部分,分別為SMA-13混合料馬歇爾試件的參數(shù)與拌和參數(shù)。其中固定SMA-13試件的尺寸為101 mm×64 mm,理論最大密度為2.39 g/cm3,且每個(gè)試件的拌和溫度一致,控制在162 ℃,拌和時(shí)間設(shè)計(jì)為4 min。為避免單一試件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的偶然性影響,試驗(yàn)共按照要求設(shè)計(jì)4個(gè)試件。每個(gè)試件在進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)時(shí),均擊實(shí)80次[2]。

(2)變量設(shè)計(jì)。

以試件的壓實(shí)溫度作為變量,用成型溫度代表試件的壓實(shí)溫度。SAM-13混合料使用SBS改性瀝青,為防止瀝青老化應(yīng)將其壓實(shí)溫度最高控制在170 ℃。SMA-13混合料經(jīng)拌和后,其試件的溫度約為162 ℃,通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行升溫、降溫處理,使試件達(dá)到設(shè)定的成型溫度,共設(shè)定9組不同的成型溫度進(jìn)行試驗(yàn),成型溫度控制如表1所示。

表1 成型溫度參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

將4個(gè)試件通過(guò)升、降溫的方式控制其成型溫度符合試驗(yàn)要求,通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)獲取其壓實(shí)特性指標(biāo)內(nèi)容,指標(biāo)包括穩(wěn)定度、流值、礦料間隙率、瀝青飽和度、空隙率、毛體積密度。每組試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)取4個(gè)試件試驗(yàn)指標(biāo)的平均值作為最終的測(cè)定值。不同溫度下試件的馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

1.3 結(jié)果分析

(1)變化情況分析。

①穩(wěn)定度變化情況分析。

由圖1可知,隨著成型溫度的升高,SMA-13材料的穩(wěn)定度在不斷升高,其中80 ℃前后的變化幅度較大,80 ℃作為拐點(diǎn)存在,在80～120 ℃期間變化情況較為平緩,且逐漸升高。

圖1 穩(wěn)定度與成型溫度變化情況圖

②流值變化情況分析。

由圖2可知,當(dāng)成型溫度升高,流值逐漸降低,當(dāng)處于140 ℃時(shí)為流值最低點(diǎn),隨后上升至160 ℃后下降,流值變化的整體不與成型溫度之間呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系[3]。

圖2 流值與成型溫度變化情況圖

③礦料間隙率變化情況分析。

由圖3可知,礦料間隙率與成型溫度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān),隨著溫度的增長(zhǎng),整體礦料間隙率下降幅度較為穩(wěn)定,在130～140 ℃區(qū)間內(nèi),礦料間隙率下降幅度較大,150～160 ℃區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定,超過(guò)區(qū)間后繼續(xù)下降。

圖3 礦料間隙率與成型溫度變化情況圖

④瀝青飽和度變化情況分析。

由圖4可知,瀝青飽和度的變化與成型溫度變化呈一定的正相關(guān)關(guān)系,其中60～80 ℃區(qū)間、100～120 ℃區(qū)間內(nèi),飽和度上升幅度較為明顯,其余成型溫度下,呈現(xiàn)較為穩(wěn)定上升的狀態(tài)。

圖4 瀝青飽和度與成型溫度變化情況圖

⑤空隙率變化情況分析。

由圖5可知,隨著成型溫度的降低,空隙率隨之下降,其中80～130 ℃區(qū)間、130～150 ℃區(qū)間、160～170 ℃區(qū)間內(nèi),空隙率的下降幅度較大,變化較為迅速,三者區(qū)間相互對(duì)比,其中80 ℃為較為明顯的變化拐點(diǎn)。

圖5 空隙率與成型溫度變化情況圖

⑥毛體積密度變化情況分析。

由圖6可知,在60～80 ℃成型溫度變化區(qū)間內(nèi),隨著成型溫度的提高,毛體積密度變化幅度較大,80～140 ℃區(qū)間內(nèi),上升變化幅度穩(wěn)定,無(wú)明顯波動(dòng),超過(guò)140 ℃后,雖然繼續(xù)上升,但最終趨于穩(wěn)定。

圖6 毛體積密度與成型溫度變化情況圖

(2)影響分析總結(jié)。

由1.3(1)節(jié)變化情況分析可知,排除不存在與成型溫度存在明顯相關(guān)關(guān)系的流值指標(biāo),與成型溫度呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)包括礦料間隙率、空隙率。在擬定的最高試驗(yàn)溫度170 ℃的條件下,SMA-13混合料試件的礦料間隙率、空隙率最低,對(duì)在設(shè)定溫度下變化情況進(jìn)行分析,礦料間隙率、空隙率受成型溫度影響的主要原因是瀝青的黏度特性,在成型溫度改變的條件下,瀝青的黏度會(huì)受到影響,當(dāng)溫度升高,瀝青的黏度減弱,對(duì)于骨料運(yùn)動(dòng)的限制作用降低,瀝青在SMA-13混合料結(jié)構(gòu)中,起到了潤(rùn)滑、填充的作用,使得混合料的結(jié)構(gòu)更加緊密,進(jìn)而降低了混合料的礦料間隙率、空隙率。反之,當(dāng)溫度下降,瀝青的黏度上升,在與骨料的相互作用下,瀝青自身的流動(dòng)性以及骨料的活動(dòng)性受限,使混合料整體結(jié)構(gòu)較為松散、不緊密,并且針對(duì)SMA-13混合料的空隙率的要求,在成型溫度<80 ℃時(shí),其空隙率>3.93%,幾乎超過(guò)了空隙率3%～4%的要求范圍。與成型溫度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)的指標(biāo)包括穩(wěn)定度、瀝青飽和度以及毛體積密度,其中穩(wěn)定度主要與其化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。而瀝青飽和度、毛體積密度主要與包括礦料間隙率、空隙率,上文分析可知,隨著溫度的升高,礦料間隙率、空隙率的下降,混合料的結(jié)構(gòu)變得更加緊密,進(jìn)而導(dǎo)致混合料的瀝青飽和度與毛體積密度升高。因此為保證混合料在壓實(shí)后,其壓實(shí)特性指標(biāo)能保證符合施工要求,要對(duì)其溫度進(jìn)行有效的控制。

2 壓實(shí)溫度控制范圍

SMA-13混合料的壓實(shí)度直接決定著公路瀝青路面施工的施工質(zhì)量,而壓實(shí)度的控制主要來(lái)源于對(duì)指標(biāo)的控制,根據(jù)1.3節(jié)的分析結(jié)果,對(duì)于混合料整體壓實(shí)度影響最大的指標(biāo)為空隙率。當(dāng)空隙率過(guò)小時(shí),瀝青路面在高溫、車(chē)輛載荷的作用下,會(huì)導(dǎo)致瀝青膠漿向側(cè)向擠出的現(xiàn)象,降低了瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,面層易產(chǎn)生推擠、轍槽等現(xiàn)象。當(dāng)混合料的空隙率過(guò)大,混合料不密實(shí),形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,并且會(huì)加速瀝青的老化,進(jìn)而使公路瀝青路面產(chǎn)生開(kāi)裂、車(chē)轍等現(xiàn)象,降低了路面的疲勞耐久性,減少了公路瀝青路面的使用壽命。

結(jié)合相應(yīng)的公路瀝青路面施工以及質(zhì)量控制規(guī)范,對(duì)于SMA混合料,SMA-13改性瀝青路面在其壓實(shí)度達(dá)到98%以上,或者公路路面的空隙率≤6%的情況下,可視為壓實(shí)合格。在保證滿(mǎn)足壓實(shí)度要求的情況下,其對(duì)于空隙率的要求限制不高,并根據(jù)上文空隙率與壓實(shí)溫度的變化情況可知,導(dǎo)致對(duì)于壓實(shí)溫度的要求較低。結(jié)合壓實(shí)溫度與其他指標(biāo)的變化情況,其中80 ℃作為相較而言較為明顯的拐點(diǎn)應(yīng)充分考慮,在80 ℃以下時(shí),混合料的空隙率、礦料間隙率、穩(wěn)定度等不足以滿(mǎn)足要求。因此經(jīng)過(guò)綜合考量,SMA-13混合料的最低壓實(shí)溫度控制在80 ℃以上時(shí),混合料的壓實(shí)才能滿(mǎn)足公路瀝青路面施工的質(zhì)量要求。

3 壓實(shí)有效時(shí)間

壓實(shí)的有效時(shí)間主要包括從混合料出場(chǎng)直至碾壓壓實(shí)的時(shí)間。由于混合料在拌和后出場(chǎng),運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)需要一定的時(shí)間,將來(lái)料攤鋪并且碾壓壓實(shí)也存在一定的時(shí)間,在有效時(shí)間的時(shí)間段內(nèi),混合料的溫度會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響導(dǎo)致溫度發(fā)生變化,因此需要探明在保證最低壓實(shí)溫度的情況下,在外界環(huán)境因素,主要包括大氣溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速的影響下,需要控制的有效時(shí)間。在有效時(shí)間內(nèi)完成碾壓壓實(shí)施工,可以控制壓實(shí)溫度滿(mǎn)足施工的質(zhì)量要求。

選用長(zhǎng)沙至益陽(yáng)高速公路擴(kuò)容工程中SMA-13瀝青路面施工案例作為外界環(huán)境因素的數(shù)據(jù)支撐,該工程500 m的主車(chē)道路面結(jié)構(gòu)使用了SMA-13混合料,其上面層厚度為4 cm,下面層厚度為7 cm。外界環(huán)境的施工溫度以及混合料的來(lái)料溫度均采用溫度計(jì)實(shí)測(cè),并在測(cè)量太陽(yáng)輻射時(shí)采用SOLAR-1太陽(yáng)輻射儀器測(cè)量,測(cè)量風(fēng)速時(shí)采用OMEGA風(fēng)速儀器測(cè)量。

以外界施工氣溫代表外界環(huán)境因素,作為變量設(shè)置4組試驗(yàn),以混合料出場(chǎng)至碾壓壓實(shí)后,當(dāng)上面層及下面層壓實(shí)溫度高于80 ℃作為有效壓實(shí)時(shí)間,在相同的混合料出場(chǎng)溫度的條件下,探究施工氣溫與有效壓實(shí)時(shí)間的關(guān)系,為避免單一混合料出場(chǎng)溫度對(duì)試驗(yàn)的偶然性影響,設(shè)置兩組不同的混合料出場(chǎng)溫度,且控制其他影響因素如車(chē)速、攤鋪速度等在不同施工氣溫的條件下保持不變,一共進(jìn)行8次試驗(yàn),混合料出場(chǎng)溫度以及施工氣溫參數(shù)如表3所示。

表3 出場(chǎng)溫度以及施工氣溫

混合料出場(chǎng)溫度在150 ℃的條件下,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的不同施工氣溫下壓實(shí)有效時(shí)間數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 壓實(shí)有效時(shí)間數(shù)據(jù)表(出場(chǎng)溫度150 ℃)

混合料出場(chǎng)溫度在170 ℃的條件下,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的不同施工氣溫下壓實(shí)有效時(shí)間數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 壓實(shí)有效時(shí)間數(shù)據(jù)表(出場(chǎng)溫度170 ℃)

由表4、表5可知,隨著施工氣溫的增加,不同出場(chǎng)溫度的混合料的壓實(shí)有效時(shí)間,均得到了提升,對(duì)比表4、表5,不同出場(chǎng)溫度的混合料在相同的施工氣溫的影響下,具有較高出場(chǎng)溫度(170 ℃)的混合料壓實(shí)有效時(shí)間要長(zhǎng)于出場(chǎng)溫度為150 ℃的壓實(shí)有效時(shí)間。

因此壓實(shí)有效時(shí)間和施工氣溫存在一定的關(guān)系,而施工氣溫與大氣溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射有關(guān)[4],通過(guò)在不同施工溫度下測(cè)量的數(shù)據(jù),建立方程并經(jīng)過(guò)擬合,得到施工溫度與大氣溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射之間的關(guān)系為

T=0.13x-1.02y+0.005z

(1)

式中:T為施工溫度,℃;x為大氣溫度,℃;y為風(fēng)速,m/s;z為太陽(yáng)輻射,W/m2。

通過(guò)施工的壓實(shí)有效時(shí)間結(jié)合實(shí)際施工溫度的數(shù)據(jù)、瀝青鋪層的厚度、以及實(shí)際初壓溫度建立回歸模型[5],有效時(shí)間與各因素的關(guān)系為

t=T+0.27m+12.3n-52.4

(2)

式中:t為有效時(shí)間,min;m為瀝青混合料初壓溫度,℃;n為瀝青混合料鋪層厚度,cm。

結(jié)合公式(1)、公式(2),可知壓實(shí)有效時(shí)間為

t=0.13x-1.02y+0.005z+0.27m+12.3n-

52.4

(3)

通過(guò)施工時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,即可把控在滿(mǎn)足最低壓實(shí)溫度的條件下,施工時(shí)間滿(mǎn)足壓實(shí)有效時(shí)間,可以保證SMA-13混合料在使用的過(guò)程中,壓實(shí)溫度能夠滿(mǎn)足使用要求,進(jìn)而保證施工質(zhì)量能夠滿(mǎn)足要求。

4 溫度控制效果

瀝青混合料在攤鋪的過(guò)程中,在不同位置,受不同外界因素的影響,會(huì)產(chǎn)生一定的溫度損失,在不同區(qū)域內(nèi)瀝青混合料的溫度被稱(chēng)為溫度離析。溫度離析過(guò)大會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料施工時(shí)溫度較低的部分無(wú)法壓實(shí),從而施工質(zhì)量降低。因此,為探究進(jìn)行溫度調(diào)控后SMA-13混合料的壓實(shí)施工質(zhì)量和效果,需對(duì)其溫度離析情況進(jìn)行分析。

施工當(dāng)天的氣溫為25 ℃,風(fēng)速為3.2 m/s,太陽(yáng)輻射700 W/m2,初壓溫度為160 ℃,攤鋪厚度為4 cm,利用公式(3)可計(jì)算,壓實(shí)有效時(shí)間約為52 min,因此,根據(jù)壓實(shí)有效時(shí)間擬定攤鋪機(jī)與壓實(shí)機(jī)同步進(jìn)行的施工方式,保證壓實(shí)的時(shí)間在壓實(shí)有效時(shí)間內(nèi),從而保證最低控制壓實(shí)溫度80 ℃的要求。選取工程中的一個(gè)路段記作區(qū)域A,利用紅外熱像儀進(jìn)行溫度的監(jiān)測(cè),壓實(shí)施工區(qū)域內(nèi)溫度變化情況如表6所示。

表6 溫度分布情況表 單位:℃

表6中,線(xiàn)A為初壓與復(fù)壓的交界線(xiàn),線(xiàn)B、線(xiàn)C為區(qū)域A內(nèi)選取的監(jiān)測(cè)線(xiàn),各位置情況如圖7所示。

圖7 區(qū)域A紅外熱像圖

由表6可知,在初壓時(shí),區(qū)域A的最大溫差為8.6 ℃,<10 ℃,未出現(xiàn)離析現(xiàn)象,且平均溫度高于150 ℃,滿(mǎn)足初壓溫度要求;在復(fù)壓時(shí),最大溫差為9.1 ℃,<10 ℃,無(wú)離析現(xiàn)象;在終壓時(shí),線(xiàn)A、B、C所對(duì)應(yīng)位置的溫度變化明顯,且由于線(xiàn)A區(qū)域橫跨了復(fù)壓以及終壓區(qū)域,導(dǎo)致溫差較大,但其最低溫度為91.3 ℃,滿(mǎn)足高于最低控制壓實(shí)溫度80 ℃的要求。

因此通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知,區(qū)域A在檢測(cè)的過(guò)程中未出現(xiàn)離析現(xiàn)象。通過(guò)在瀝青混合料壓實(shí)施工中對(duì)壓實(shí)溫度進(jìn)行控制,可有效控制瀝青混合料施工時(shí)的溫度離析現(xiàn)象,進(jìn)而保證瀝青路面的施工質(zhì)量。

5 分析總結(jié)

通過(guò)對(duì)不同壓實(shí)溫度下獲取SMA-13混合料壓實(shí)指標(biāo)的變化情況,通過(guò)指標(biāo)數(shù)據(jù)與相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比,獲取在滿(mǎn)足使用要求的情況下的最低控制壓實(shí)溫度為80 ℃,并以80 ℃作為判別標(biāo)準(zhǔn),分析在不同施工溫度、不同來(lái)料溫度影響下有效時(shí)間的確定方式,通過(guò)在施工中進(jìn)行調(diào)整,保證壓實(shí)時(shí)間小于壓實(shí)有效時(shí)間52 min,則可實(shí)現(xiàn)對(duì)于壓實(shí)溫度的控制,使其滿(mǎn)足施工質(zhì)量要求。

通過(guò)有效時(shí)間的分析可知,在公路瀝青路面施工中,對(duì)壓實(shí)溫度進(jìn)行控制主要可從以下幾方面出發(fā)。

(1)盡量減少外界環(huán)境的影響,當(dāng)外界環(huán)境的溫度與混合料溫差較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致混合料溫度下降較為明顯,因此在混合料的運(yùn)輸中,應(yīng)注意混合料的保溫、防風(fēng)處理,在混合料出場(chǎng)時(shí)盡量保持處于拌和溫度的上限。

(2)保證攤鋪與壓實(shí)同步進(jìn)行,減少相隔時(shí)間,保證初壓的溫度,進(jìn)而提高壓實(shí)有效時(shí)間,保證進(jìn)行后續(xù)復(fù)壓、終壓工作時(shí),溫度能夠滿(mǎn)足最低壓實(shí)溫度,進(jìn)而保證公路瀝青路面施工效果與質(zhì)量。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,以SMA-13瀝青混合料為例進(jìn)行分析,根據(jù)其特性指標(biāo)以及相應(yīng)要求,確定其最低壓實(shí)溫度控制范圍,進(jìn)而明確其進(jìn)行壓實(shí)施工的有效時(shí)間,結(jié)合壓實(shí)有效時(shí)間對(duì)施工的流程進(jìn)行調(diào)控,保證公路瀝青路面施工的質(zhì)量?；诖死梢炱渌麨r青混合料在施工中對(duì)于壓實(shí)溫度的控制方法,為瀝青混合料在公路路面的施工提供參考。