依托现场实体工程开展足尺度试验研究. 综合考虑地形、地貌以及工程地质条件等因素，在由四川省蜀道集团投资建设的德昌至会理高速公路LM3标段的主线上共选取3个直线铺筑试验段，长度分别为500，300，800 m，累计长度为1 600 m，地点分别位于爱国村、沙坝村和高家村，图 1所示为位于爱国村的铺筑试验段. 铺层为上、中、下共3个层位，厚度分别为4，6，6 cm. 沥青混合料共3个类型，即：SMA-13、AC-20及AC-20C，沥青及用量分别为90^#SBS改性沥青5.9%、90^#SBS改性沥青4.1%以及70^#基质沥青4.1%. 矿质混合料的级配见表 1.

选择非降雨日开展铺筑施工，并在每个铺筑现场搭建移动式罩棚以便做好防雨准备. 采用间歇式拌和机对沥青混合料进行拌制. 为了便于施工及保证施工的连续稳定性，采用5辆与摊铺机相匹配的自卸式汽车进行前后搭接运输，且在装料前在车厢板表面均匀喷洒一层防黏隔离剂，同时采用小堆装料以减少集料离析.

采用履带式摊铺机进行摊铺，预先采用防黏隔离剂对摊铺机的料斗内表面进行刷涂以防止黏结成硬块. 单台摊铺机的铺筑宽度为6 m，同时采用2台摊铺机以前后10~15 m的间距实施错位梯队式同步摊铺，左右两幅的搭接摊铺宽度为15~30 cm，且上、下层的铺筑搭接位置需错开40 cm. 每台摊铺机的摊铺速度为2~4 m/min，采用自动找平方式进行找平，下面层采用钢丝绳引导实施高程控制，上面层采用平衡梁辅助摊铺. 由于采用机械摊铺，沥青混合料的松铺系数取1.25. 采用12 t钢轮压路机进行碾压，初压时的碾压速度控制在1.5~2.0 km/h，复压和终压时的碾压速度均控制在2.5~3.0 km/h. 现场碾压均为静压，其中初次碾压和终止碾压的次数均为2遍，复压为3~5遍.

依据时温等效原则，通过足尺度试验监测压实过程中沥青混合料在不同气温风速下的降温规律和有效压实时间，并对影响因素(气温、风速及混合料类型)进行敏感性分析.

采用手持式气象站对气温及风速实施监测，采用插入式温度计通过点测法获得路面的内部温度^[17-18]. 试验中同时考虑气温和风速2个环境因素，为了合理地对气温和风速进行确定，经与当地气象部门协商后获得了20年的气温和风速数据. 经统计分析，以5 ℃为梯度共设置3个气温段，即：5~10 ℃、10~15 ℃、15~20 ℃；以3 m/s为梯度共设置3个风速段，即：0~3 m/s(微风)、3~6 m/s(中风)及6~9 m/s(大风).

沿横断面方向共均匀布置5个插入式温度计，横向布置间距视断面实际宽度而定，插入深度为铺层厚度的中点. 为了防止施工破坏以及提高数据的代表性，同时对3组横断面实施监测，保证每次可得到不少于15个温度数据并取其平均值为最终值，且每隔一分钟即读取一次数据，从而完成对摊铺压实阶段路面温度降至90 ℃时的温度变化规律实施监测.

不同气温下，SMA-13、AC-20C及AC-20共3种沥青混合料在摊铺压实过程中的降温变化分别如图 2~图 4所示.

由图 2a可知，当风速为0~3 m/s时，在0~3 min内，降温速率明显快于后期，气温越低则降温速率越快. 从第3 min开始，SMA-13在15~20 ℃时的降温速率明显小于5~10 ℃和10~15 ℃时的降温速率；在3~12 min内，气温在5~10 ℃与10~15 ℃时的降温速率相当，其原因在于该阶段已经基本完成了初次碾压并形成了相对致密的结构；在第12 min后，当气温低于15 ℃时，SMA-13沥青混合料降温显著，其有效压实时间将缩短达10~15 min以上.

由图 2b可知，当风速为3~6 m/s时，在0~3 min内，气温为5~10 ℃及10~15 ℃时混合料的降温速率大. 当气温为15~20 ℃时，降温速率明显小于气温为5~10 ℃及10~15 ℃时. 另外可以看到，当风速为3~6 m/s时，SMA-13在不同气温下的有效压实时间变化不大，表明风速的影响明显强于气温.

由图 3可知，在0~3 min内，气温越低，则AC-20C降温越快；在第3 min后，随着气温逐渐升高，降温速率越缓. 此外，可以看到从第7 min开始，在气温为10~15 ℃及15 ℃~20 ℃时AC-20C的降温速率均变缓，由此可见当风速小于6 m/s、气温大于5 ℃时，AC-20C的有效压实时间是能满足摊铺和碾压要求的.

AC-20沥青混合料在摊铺压实过程中的降温变化如图 4所示. 可以看到，在0~3 min内，当气温为5~10 ℃时，AC-20沥青混合料的降温速率明显比其他气温时更快. 当气温小于10 ℃时，在碾压初期其内部温度的影响变化显著，从第7 min后随着气温的逐渐升高，AC-20沥青混合料的降温速率明显变缓，有效压实时间差值较小，表明气温对AC-20沥青混合料的影响较小.

在压实过程中，风速对沥青混合料内部的降温变化如图 5、图 6所示.

由图 5可知，当风速为3~6 m/s时，SMA-13的降温速率明显高于风速为0~3 m/s时的降温速率，且随着风速逐渐增大，SMA-13沥青混合料的降温愈发显著. 当气温为15~20 ℃时，风速为0~3 m/s时的有效压实时间是风速为3~6 m/s时的1.7倍，可见该气温下风速对SMA-13的降温影响显著；当气温分别为5~10 ℃及10~15 ℃，风速为0~3 m/s时SMA-13的有效压实时间约为风速为3~6 m/s时的1.25倍及1.4倍，可见气温越高，风速对SMA-13的影响越大. 当气温为15~20 ℃时，SMA-13从100 ℃降至90 ℃，风速为0~3 m/s时的降温速率明显小于3~6 m/s时的降温速率，有效压实时间减少约10 min，表明风速对SMA-13终压阶段的影响是显著的.

由图 6可知，当风速为3~6 m/s时，AC-20C沥青混合料在初压及复压阶段的降温与风速为0~3 m/s时相比不显著. 当温度降至110 ℃~90 ℃(终压阶段)时，随着风速逐渐增大，AC-20C沥青混合料的降温越明显，其有效压实时间的降低越显著. 可见，在初压及复压阶段，风速对AC-20C沥青混合料的降温影响并不显著，而在压实后期，风速对AC-20C沥青混合料的降温影响显著.

在同等环境条件下，不同沥青混合料在摊铺压实过程中其内部的降温变化见图 7. 由图 7可知，在0~9 min内，AC-20C沥青混合料的降温速率明显高于AC-20沥青混合料；在第9 min后，AC-20C沥青混合料与AC-20沥青混合料的降温速率相当，说明在摊铺碾压的初期阶段，2种混合料的热扩散有差异，混合料本身热物性参数对摊铺碾压初期阶段具有显著影响，表明在该阶段，改性沥青混合料的热扩散明显快于基质沥青混合料.

根据上述试验方案，基于实测气温、风速及混合料类型对有效压实时间的影响实施SPSS多因素方差正交分析. 需要说明的是，SPSS是成熟的多因素方差分析方法，已经得到了广泛认可及应用，其原理详见相关教材，此处不再赘述.

将影响因素划分为2类，累计共7个影响因素. 第一类是单一影响因素，共3个，即：气温(A)、风速(B)以及混合料类型(C)；第二类是耦合影响因素，共4个，即：气温&风速(D)、气温&混合料类型(E)、风速&混合料类型(F)以及气温&风速&混合料类型(G).

根据当地气象资料，气温和风速均有3个变化梯度，故第一类影响因素的水平数为3，其水平取值如表 2所示.

采用IBM公司设计开发的SPSS统计程序实施多因素方差分析. 根据该程序的操作规程，在确定好影响因素及其水平后，需要选择合适的数据分析模型实施分析. SPSS程序中共包含3种数据分析模型，即：一般线性模型、广义线性模型以及混合模型. 实践表明，采用一般线性模型中的多变量分析方程即可完成大多数多因素方差分析，且具有迭代累积误差小、收敛速度快的优势，故选用一般线性模型中的多变量分析方程对方差、均值以及F值等进行分析. 以A、B两因素方差分析为例，其模型方程如下式所示：

式中：X_ijk为第k次迭代时第i组的第j个观察值，无量纲；μ为总体的平均水平值，无量纲；α_i为因素A在i水平下的附加效应，无量纲；β_j为因素B在j水平下的附加效应，无量纲；α_iβ_j为A、B两因素的耦合效应，无量纲；ε_ijk为随机误差变量，无量纲.

完成上述步骤后，只需按照程序的提示执行操作即可完成分析过程并得到结果，如表 3所示.

由表 3可知，气温、风速及混合料类型对有效压实时间的影响显著. 依据F值可以看到，单一因素中的敏感性排序为：C＞B＞A；两因素相组合的敏感性排序为：D＞E＞F. 可见，对于沥青混合料在压实过程中的降温及有效压实时间，应重视不同混合料类型的差异带来的压实降温特性差异，并同时考虑气温和风速的综合作用对压实降温的影响. 此外，在施工中还需根据混合料的不同类型及环境条件实施分类铺筑施工，从而保证压实效率.

理论研究和工程实践表明^[19-20]，室内击实温度是保证沥青混合料密实度及施工压实质量的有效评价依据. 为了合理确定沥青混合料在施工过程中的摊铺及碾压温度，依据压实等效原则，分别对SMA-13、AC-20C和AC-20沥青混合料开展变温击实试验. 依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)^[21]对不同层位碾压温度的推荐值，以5 ℃为试验温度梯度对不同沥青混合料的室内击实温度进行设计.

其中，上面层为SMA-13，厚度为4 cm，集料为玄武岩，沥青为90^#SBS改性沥青，油石比为5.9%，以155 ℃，160 ℃，165 ℃，170 ℃，175 ℃共5个温度进行马歇尔变温击实. 中面层为AC-20C，厚度为6 cm，集料为石灰岩，沥青为90^#SBS改性沥青，油石比为4.1%，以155 ℃，160 ℃，165 ℃，170 ℃，175 ℃共5个温度进行击实. 下面层为AC-20，厚度为6 cm，集料为石灰岩，沥青为中海牌70^#基质沥青，油石比为4.1%，以140 ℃，145 ℃，150 ℃，155 ℃，160 ℃共5个温度进行击实.

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)^[22]的规定，利用式(2)对不同击实温度下沥青混合料的空隙率进行计算，结果如表 4所示.

式中：e为孔隙率，无量纲；σ₁为毛体积密度(g/mm³)；σ₂为最大理论密度(g/mm³)，用下式进行计算：

式中：σ′为集料的有效相对密度(g/mm³)；m为沥青用量(g)；σ₃为沥青在25 ℃时的密度(g/mm³).

利用最小二乘法对表 4中由试验所得空隙率进行直线拟合，得到不同沥青混合料空隙率与击实温度之间的拟合关系，如图 9所示.

由表 4、图 9可知：随着击实温度的逐渐升高，沥青混合料的空隙率不断降低，击实温度越高则沥青混合料越密实、空隙率越小. 然而理论研究和实践均表明^[23-24]，当热拌沥青混合料温度过高时，易引起沥青老化，进而影响沥青的耐久性和使用性能. 依据沥青混合料配合比设计以及空隙率验证结果，SMA-13混合料上面层的最佳空隙率为3.5%，AC-20C、AC-20混合料上面层的最佳空隙率均为3.7%. 以最佳空隙率为控制指标，通过拟合可知SMA-13混合料的最佳击实温度为169 ℃，AC-20C混合料的最佳击实温度为166 ℃，AC-20混合料的最佳击实温度为152 ℃.

为了验证最佳击实温度下热拌沥青混合料路用性能是否良好，采用车辙试验、低温小梁弯曲试验及浸水马歇尔试验对其路用性能指标进行评价，试验结果如表 5所示. 可以看到，在最佳击实温度下，各沥青混合料的高温、低温及水稳定性能均良好，能满足规范要求，这为确定各沥青混合料的摊铺碾压温度提供了初步依据.

采用插入式温度计对现场摊铺压实阶段进行降温监测，同时考虑气温和风速2个环境因素. 根据当地气象站提供的气温和风速统计资料，设置5~10 ℃，10~15 ℃，15~20 ℃共3个温度梯度以及0~3 m/s，3~6 m/s，6~9 m/s共3个风速梯度. 采用手持式气象站对最佳击实温度下3种沥青混合料在摊铺、初压阶段(前3 min)的平均降温速率实施监测，结果如图 10所示.

试验结果表明，从摊铺至初压阶段，风速的影响大于气温. 在相同气温条件下，随着风速的增大，混合料的降温速率越来越大. SMA-13在气温为5~10 ℃、风速为6~9 m/s的环境下，降温速率达15.3 ℃/min，约为气温为5~10 ℃、风速为0~3 m/s时降温速率的1.8倍. 可见在低温时，风速对初压阶段温度的损失影响极大. 此外，AC-20C的降温速率明显高于AC-20，说明在初压阶段，改性沥青混合料的热扩散过程快于普通沥青混合料. 综上所述，在初压阶段，沥青混合料的平均降温速率从高到低的顺序依次为：SMA-13＞AC-20C＞AC-20.

李锐铎等^[25]的研究表明，基于分数阶理论，热拌沥青混合料的温度场特征与初始温度、静置时间、日照强度以及地形系数等具有如下式所示的关系：

式中：T_i为i时刻沥青混合料的温度(℃)；η为地形系数，无量纲，表征地形对温度变化的增量效应；Δt为环境中的静置时间(min)；p为太阳辐射量(MJ/m²)；j为风力效应系数，表征环境风对温度场的变化效应，无量纲；T₀^j为沥青混合料在风力系数j条件下的初始温度(℃).

根据《太阳能资源测量总辐射》(GB/T 31156—2014)^[26]的规定，在平坦、开阔的地形条件下，地形系数η以及风力效应系数j的取值均为1，即视为无增量效应. 据此，可将式(4)改写为如下形式：

式中：太阳辐射量p对时间t求一阶偏导数，其结果表征太阳辐射量随时间的变化率，即：降温速率. 本次铺筑试验段均位于同一地区，故日光辐射率、水热传导系数等均为等值常量，对时间t求一阶偏导数后，日光辐射率、水热传导系数等偏导数分项结果均为0，此时降温速率为一个不带隐函数的单变量. 为此，引入参数V用于表征该降温速率. 此时，可将式(5)改写为如下形式：

为此，根据上述实际监测的统计分析结果，以最佳击实温度为基准综合考虑当地的降温速率，可建立摊铺温度的估算模型，如下式所示：

式中：T₂为摊铺温度上限值(℃)；T₁为摊铺温度下限值或称为初压阶段上限值(℃)；T₀为最佳击实温度值(℃)；V为摊铺至初压阶段的平均降温速率(℃/min)；t₁为摊铺时刻(min)；t₂为初次碾压时刻(min)；t₃为初压完成时刻(min).

联合式(7)、式(8)，同时结合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中终压温度不低于90 ℃的规定，可得：摊铺温度为T₁~T₂，初压温度为T₀~T₁，复压温度为90 ℃~T₀，终压温度≥90 ℃.

工程实践和现场监测表明，在低温下实施紧凑碾压时，从摊铺至初压完成大约需用时2 min. 为满足低温下对压实质量的控制要求，依据图 9和图 10的结果，联合式(7)、式(8)可推算得到不同铺层混合料在不同气温及风速下各个阶段的碾压温度值(表 6).

结合表 6及图 10可知，对于SMA-13热拌沥青混合料，当气温为5~15 ℃、风速＞3 m/s时，由于碾压温度过高，考虑运输过程中的温度损失，拌合温度将达200 ℃，容易产生废料或沥青老化，进而导致耐久性变差，故不宜开展铺筑施工. 在工期紧的情况下，可采用热拌温铺技术降低最佳击实温度及施工碾压温度，通过延长有效压实时间来达到预期压实效果. 此外，通过严格控制各个阶段的铺筑温度、提高碾压效率，可弥补低温大风造成的温度损失，能有效保证沥青路面的压实质量.

依据表 6设定的摊铺及碾压温度，对SMA-13、AC-20C及AC-20沥青混合料在不同气温和风速下的有效压实时间进行足尺度试验监测，结果如图 11所示. 由图 11a可知，当气温小于15 ℃、风速大于3 m/s时，SMA-13的有效压实时间小于20 min，不能满足铺筑压实施工的时间要求. 由图 11b和图 11c可知，当AC-20C及AC-20沥青混合料的铺层厚度为6 cm时，在低温大风下能满足铺筑压实施工时所需的时间(＞20 min)，通过优化压实机械效率可保证正常施工.

SMA-13沥青混合料具有骨架密实型结构，集料采用的是间断型级配，由此使得大小孔隙依次被填充，集料之间的摩擦接触和咬合接触更加优越，且多采用风化程度弱、硬度高、强度大的岩浆岩类石料(如玄武岩)，易形成大量的三钢片式锁闭结构. 此时若集料之间的黏结性和包裹度不佳，将难以被压实，故需要适当地提高碾压温度以增强沥青的软化性、渗透性. 上述分析也表明SMA-13沥青混合料具有最高的碾压温度，这也意味着在快速降温环境下，沥青的软化性、渗透性容易下降而稠度上升，进而难以被压实. 因此对于SMA-13沥青混合料，在压实施工过程中需要特别注意保证其碾压温度并规避快速降温环境.

与AC-20沥青混合料相比，AC-20C沥青混合料虽然也采用连续型级配，属于悬浮密实型结构，但粗集料大颗粒含量更多，抗车辙能力更强，由此也使其骨架抗力强于AC-20沥青混合料. 在最大粒径相同的情况下，其内部空隙之间的贯通性以及与外界的连通性亦强于AC-20沥青混合料，导致在相同的气温和风速条件下，其降温速率更快，也更不容易被压实. 因此，两者相比之下，在工程实践中AC-20C沥青混合料需要更高的碾压温度且对气温和风速的要求更高. 另一方面，也意味着当在风速大、气温低的条件下，易致碾压温度下降过快，此时需特别注意要通过提高压实机械效率来保证压实质量.

1) 基于室内马歇尔变温击实试验，得到SMA-13、AC-20C及AC-20沥青混合料在压实过程中的最佳碾压温度分别为169 ℃，166 ℃，152 ℃. 当气温为5~15 ℃、风速大于3 m/s时，不宜开展SMA-13沥青混合料铺筑施工. 当风速小于6 m/s、气温大于5 ℃时，AC-20C及AC-20沥青混合料在铺层为6 cm时能正常摊铺和碾压，但当风速大于6 m/s、气温为5~10 ℃时，需提升压实机械效率以保证压实质量.

2) 在碾压初期的0~3 min内，风速对SMA-13沥青混合料的影响大于AC-20C及AC-20，降温可达15~30 ℃；在初压阶段，平均降温速率的高低顺序依次为SMA-13＞AC-20C＞AC-20；在同等条件下，改性沥青混合料AC-20C在初压阶段的热扩散过程快于基质沥青混合料AC-20.

3) 气温、风速及混合料类型对有效压实时间的影响是显著的. 单因素敏感性排序为：混合料类型＞风速＞气温，两因素组合的敏感性排序为：气温 & 风速＞气温 & 混合料类型＞风速 & 混合料类型.

4) 现场铺筑所用沥青混合料均由设计所定，今后可继续对其他类型的沥青混合料进行分析研究；铺筑时的压实机械类型是不变的，可考虑采用多种具有不同压实功的机械实施现场铺筑并分析其压实特性，这也是接下来需要继续研究的重要工作.