Search Advanced

Message Board

Dear readers, authors and reviewers,you can add a message on this page. We will reply to you as soon as possible!

2024 Volume 46 Issue 7
Article Contents
Previous Article Next Article

WU Xia, HE Zhaoyi, ZHANG Siyuan, et al. Study on Cooling and Compaction Properties of Asphalt Mixture under Different Air Temperatures and Wind Speeds in Sichuan-Xizang Transition Zone[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2024, 46(7): 149-163. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2024.07.015
Citation: WU Xia, HE Zhaoyi, ZHANG Siyuan, et al. Study on Cooling and Compaction Properties of Asphalt Mixture under Different Air Temperatures and Wind Speeds in Sichuan-Xizang Transition Zone[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2024, 46(7): 149-163. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2024.07.015
shu

Study on Cooling and Compaction Properties of Asphalt Mixture under Different Air Temperatures and Wind Speeds in Sichuan-Xizang Transition Zone

  • 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 610041, China

More Information
  • Received Date: 07/08/2023
    Available Online: 20/07/2024

  • MSC: U416

  • 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 & wind speed > air temperature & mixture type > wind speed & 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.

  • 加载中
  • [1] 姚洁, 邱劲. 基于SSA-BP算法的道路交通流量预测研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2022, 44(10): 193-201. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2022.10.020

    CrossRef Google Scholar

    [2] LIANG W, LIU P S, WANG S Y. An Efficient Non-Destructive Separation Method of Road Marking from Asphalt Pavement by Microwave Directional Heating[J]. Road Materials and Pavement Design, 2023, 24(9): 2156-2173. doi: 10.1080/14680629.2022.2117073

    CrossRef Google Scholar

    [3] KHRESAT G A, DARABI M K, LITTLE D N, et al. Prediction of Permanent Deformation of Granular Layers in Asphalt Pavements with Pavement Analysis Using the Nonlinear Damage Approach—Airfield Pavements[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2023, 2677(7): 520-531. doi: 10.1177/03611981231153654

    CrossRef Google Scholar

    [4] CONSOLI N C, TEBECHRANI NETO A, KHAJEH A, et al. Dynamic Properties of Reclaimed Asphalt Pavement-Green Cement Blends for Road Base Layer[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2023, 41(6): 3495-3511. doi: 10.1007/s10706-023-02470-0

    CrossRef Google Scholar

    [5] 洪正强, 郑彬双, 陈嘉颖, 等. 基于车辆行驶稳定性的沥青路面车辙阈值[J]. 江苏大学学报(自然科学版), 2020, 41(6): 718-725.

    Google Scholar

    [6] 司伟, 张博文, 杨若聪, 等. 青藏高寒区基于真实环境冻融作用的沥青混合料冻融疲劳破坏表征[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2023, 43(3): 11-21.

    Google Scholar

    [7] 李宁利, 王猛, 赵新坡. 橡塑合金改性沥青混合料路用性能研究[J]. 重庆大学学报, 2022, 45(11): 46-58.

    Google Scholar

    [8] YU H N, YUE X, ZHANG C, et al. Evaluation of Compaction Characteristics of Asphalt Mixture under Different Compaction Effects[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2023, 35(6): 1943-1955.

    Google Scholar

    [9] WANG C H, MOHAREKPOUR M, LIU Q, et al. Investigation on Asphalt-Screed Interaction during Pre-Compaction: Improving Paving Effect via Numerical Simulation[J]. Construction and Building Materials, 2021, 289: 123164. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123164

    CrossRef Google Scholar

    [10] QIAN G P, HE Z Y, YU H N, et al. Research on the Affecting Factors and Characteristic of Asphalt Mixture Temperature Field during Compaction[J]. Construction and Building Materials, 2020, 257: 119509. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119509

    CrossRef Google Scholar

    [11] 王黎明, 李崟. 热态沥青混合料铺筑热扩散影响因素分析[J]. 科学技术与工程, 2019, 19(36): 307-314.

    Google Scholar

    [12] 刘聂玚子, 王元庆, 刘洪海, 等. 沥青路面摊铺碾压过程能耗模型与节能技术[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2023, 55(7): 80-86.

    Google Scholar

    [13] POLACZYK P, HU W, GONG H R, et al. Improving Asphalt Pavement Intelligent Compaction Based on Differentiated Compaction Curves[J]. Construction and Building Materials, 2021, 301: 124125.

    Google Scholar

    [14] YOHANA RIBAS C, PADILHA THIVES L. Evaluation of Effect of Compaction Method on the Macrostructure of Asphalt Mixtures through Digital Image Processing under Brazilian Conditions[J]. Construction and Building Materials, 2019, 228: 116821.

    Google Scholar

    [15] WAN Y P, JIA J. Nonlinear Dynamics of Asphalt-Screed Interaction during Compaction: Application to Improving Paving Density[J]. Construction and Building Materials, 2019, 202: 363-373.

    Google Scholar

    [16] 史妍妮, 刘洪海, 高新民, 等. 沥青路面高密实度摊铺工艺参数研究[J]. 振动与冲击, 2022, 41(2): 240-245.

    Google Scholar

    [17] 马子媛, 李海莲, 蔺望东. 基于层次变权未确知理论的沥青路面预养护评价模型[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2021, 44(12): 1668-1675.

    Google Scholar

    [18] 陈岳峰. 基于MEPDG的组合式基层沥青路面车辙预估[J]. 公路交通科技, 2020, 37(12): 15-23.

    Google Scholar

    [19] JIA H C, SHENG Y P, GUO P, et al. Effect of Synthetic Fibers on the Mechanical Performance of Asphalt Mixture: A Review[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition), 2023, 10(3): 331-348.

    Google Scholar

    [20] LI B, ZHANG P, ZHU X W, et al. Permeability Model and Characteristics Analysis of Porous Asphalt Mixture under the Circulation Clogging and Cleaning[J]. Road Materials and Pavement Design, 2023, 24(6): 1440-1460.

    Google Scholar

    [21] 中华人民共和国交通部. 公路沥青路面施工技术规范: JTG F40—2004[S]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

    Google Scholar

    [22] 中华人民共和国交通运输部. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程: JTG E20—2011[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

    Google Scholar

    [23] JAIN S, CHANDRAPPA A K. Critical Review on Waste Cooking Oil Rejuvenation in Asphalt Mixture with High Recycled Asphalt[J]. Environmental Science and Pollution Research International, 2023, 30(32): 77981-78003.

    Google Scholar

    [24] 李强, 陆杨, 王家庆, 等. 温拌再生沥青胶结料二次老化性能[J]. 交通运输工程学报, 2022, 22(4): 102-116.

    Google Scholar

    [25] 李锐铎. 基于分数阶导数理论的沥青混合料力学特性[M]. 北京: 化学工业出版社, 2019.

    Google Scholar

    [26] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 太阳能资源测量总辐射: GB/T 31156—2014[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.

    Google Scholar

  • 加载中
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

Figures(11)  /  Tables(6)

Export Citation
PDF
XML

Article Metrics

Article views(5647) PDF downloads(266) Cited by(0)

Access History

Other Articles By Authors

Study on Cooling and Compaction Properties of Asphalt Mixture under Different Air Temperatures and Wind Speeds in Sichuan-Xizang Transition Zone

  • Received Date: 07/08/2023
  • Available Online: 20/07/2024

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 & wind speed > air temperature & mixture type > wind speed & 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.

    HTML

  • 开放科学(资源服务)标识码(OSID)：

  • 碾压温度是保证沥青混合料能否有效压实的重要因素之一[1]. 受气温和风速影响，沥青混合料在摊铺及碾压过程中会迅速降温，导致难以碾压密实、降低沥青路面的强度和耐久性，进而容易造成裂缝、车辙等严重的早期损坏[2-4]. 为此，在实际工程中常采用提高沥青混合料的碾压温度和增大压实功来保证压实质量. 但提高碾压温度极易导致拌合温度过高从而加剧沥青老化并最终影响沥青混合料的耐久性[5]，而增大压实功则一方面易造成集料产生“过压”而导致空隙率过小或破碎，从而出现“泛油”病害，另一方面容易改变沥青混合料的级配从而影响路面的结构强度甚至“失稳”[6-7].

    为此，Yu等[8]针对SMA-13、AC-13沥青混合料研究了级配、压实次数及初始压实温度对压实特性的影响，表明压实度与初始压实温度之间具有良好的相关性. Wang等[9]基于DEM离散元模型及现场试验，考虑摊铺速度、摊铺角度、摊铺厚度等因素，对摊铺作业方式进行了改进. Qian等[10]基于三维数值模拟分析，发现压实过程中的初始碾压温度和层厚会影响整个层位的温度场，且风速和气温主要影响沥青混合料的上层温度场. 在此基础上，王黎明等[11]对铺筑过程中的热扩散影响因素进行了仿真模拟和敏感性分析，认为气温和风速对热扩散影响显著，且摊铺温度、混合料类型和铺层厚度对压实影响具有敏感性. 此外，在碾压机械与施工效率方面，刘聂玚子等[12]从节能角度建立了沥青混合料的摊铺碾压机械总体能耗计算模型，提出了沥青混合料摊铺碾压节能施工技术. Polaczyk等[13]基于Witczak模型，针对沥青振动压实仪和旋转压实仪，研究发现用沥青温度和碾压遍数能更有效地对压实度进行评估. 基于现场试验，Yohana Ribas等[14]采用马歇尔压路机得到了沥青混合料的成型试样，发现马歇尔击实仪和旋转击实仪的代表性最佳. Wan等[15]认为在较低的频率下实施多次压实可提高压实效率，据此史妍妮等[16]发现AC-20沥青混合料的高效压实摊铺频率为33~49 Hz，最佳摊铺速度为2 m/min. 上述研究对于丰富和完善沥青混合料的压实质量控制具有积极意义.

    然而，以上研究多单一地对沥青混合料在压实过程中的温度场变化、压实影响因素或碾压机械效率等进行分析. 理论研究和工程实践表明，沥青混合料的碾压温度一般根据相关设计与施工规范进行经验取值，但在恶劣环境下，不同的沥青混合料具有不同的压实降温特性，达到目标密实度的最佳碾压温度也并不相同，由此导致采用规范进行经验取值的做法存在明显的主观性、经验性缺陷.

    对此，本文以压实过程中的碾压温度为切入点，对川藏过渡区不同气温和风速环境下不同沥青混合料的降温规律开展足尺度试验研究，并基于时温等效原则及多因素方差分析研究气温、风速及混合料类型对降温速率及有效压实时间的影响规律，基于压实等效原则建立室内击实温度与压实温度(摊铺、初压、复压、终压)间的关系，进而量化摊铺温度及碾压温度，以期为不同气温和风速环境下沥青混合料的压实质量控制提供相关参考.

1.   原材料及现场铺筑

  • 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.

2.   沥青混合料压实降温特性

  • 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.

    • 2.1.   试验方案

  • 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.

    • 2.2.   压实降温特性分析

    2.2.1.   不同气温下压实降温规律

  • 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.

    • 2.2.2.   不同风速下压实降温规律

  • 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.

    • 2.2.3.   不同混合料类型压实降温规律

  • 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.

    • 2.3.   多因素敏感性分析

  • 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.

    • 2.3.1.   确定影响因素及其水平

  • 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.

    • 2.3.2.   确定分析模型

  • 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：Xijk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；αi为因素A在i水平下的附加效应，无量纲；βj为因素B在j水平下的附加效应，无量纲；αiβj为A、B两因素的耦合效应，无量纲；εijk为随机误差变量，无量纲.

    • 2.3.3.   实施分析

  • 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.

3.   沥青混合料最佳击实温度

    3.1.   试验方案

  • 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.

    • 3.2.   确定最佳击实温度

  • 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 ℃.

    • 3.3.   路用性能评价

  • 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.

4.   摊铺及碾压温度

    4.1.   摊铺至初压阶段降温速率

  • 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.

    • 4.2.   最佳击实温度与摊铺碾压温度计算模型

  • 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：Ti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；T0j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 ℃.

    • 4.3.   确定摊铺及碾压温度

  • 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.

    • 4.4.   有效压实时间

  • 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.

5.   结论

  • 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.

Figure (11)  Table (6) Reference (26)

Catalog

    Copyright Journal of Southwest University Natural Science Edition

    Address： Tel：023-68254576, 68252540, 68366165,68366917 E-mail：lkxb@swu.edu.cn

    Supported by:Beijing Renhe Information Technology Co. Ltd

    /

    DownLoad:  Full-Size Img  PowerPoint
    Return
    Return