李 波，任文宏，周書友，馬建兵，

(1.蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070;2.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州730030;3.甘肅省交通廳工程處，甘肅蘭州730030)

0 引言

熱拌瀝青混合料(HMA)路面經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，應(yīng)用技術(shù)日臻成熟.隨著認(rèn)識(shí)水平、環(huán)保要求的不斷提高，熱拌瀝青混合料在拌制、運(yùn)輸以及攤鋪過(guò)程中出現(xiàn)的熱老化、有害氣體排放以及過(guò)多能耗等問(wèn)題，逐步為各國(guó)的科技工作者所關(guān)注.經(jīng)過(guò)各國(guó)科研工作者的不斷努力，開發(fā)出了一種新的瀝青混合料類型——溫拌瀝青混合料(WMA)［1-2］.這種混合料的拌和及碾壓溫度介于熱拌瀝青混合料和冷拌瀝青混合料之間，與熱拌瀝青混合料相比較，溫拌瀝青混合料的拌和溫度及攤鋪溫度可大大降低，同時(shí)其性能又可得到很好的保持［3-4］.

在施工工期緊或施工條件限制不得已需要低溫施工時(shí)，一些單位開始利用瀝青混合料溫拌技術(shù)進(jìn)行低溫作業(yè)［5］.應(yīng)用研究表明，在溫度降低至一定程度時(shí)，熱拌瀝青混合料出料溫度要比正常情況下高20℃，溫拌也可以采取同樣的措施，但效果完全不同.熱拌瀝青混合料溫度從180℃降到160℃僅需要1 min，總的有效壓實(shí)時(shí)間為5 min，而溫拌瀝青混合料如果也提高20℃出料，則總的有效壓實(shí)延長(zhǎng)為13 min［6］.

由于瀝青混凝土受氣溫、風(fēng)力、太陽(yáng)輻射等因素的影響較大，瀝青混合料降溫規(guī)律極其復(fù)雜，現(xiàn)階段仍缺少合理的溫拌瀝青混合料低溫施工溫度范圍和施工工藝指南.因此，提出低溫環(huán)境中溫拌瀝青混合料施工溫度要求，對(duì)于合理的使用溫拌瀝青混合料技術(shù)，保證瀝青混凝土路面壓實(shí)度和使用性能的要求，解決低溫環(huán)境瀝青路面施工難，控制好瀝青路面的施工質(zhì)量等工程實(shí)際問(wèn)題具有重要的實(shí)踐意義.

1 溫拌瀝青混合料延長(zhǎng)施工時(shí)效機(jī)理

延長(zhǎng)施工時(shí)效體現(xiàn)為：工作溫度下降后仍然能夠獲得滿意的碾壓效果，能夠達(dá)到目標(biāo)密實(shí)度的碾壓時(shí)間(有效碾壓時(shí)間)延長(zhǎng)，在熱拌不能接受的熱量散失偏快的外界條件下，能為碾壓機(jī)械贏得足夠的操作時(shí)間［7］.

1.1 有效壓實(shí)溫度范圍

溫拌瀝青混合料的攤鋪/壓實(shí)工作性對(duì)溫度的敏感性大大降低(甚至形成不敏感的溫度范圍)，可以達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)度的壓實(shí)溫度范圍明顯擴(kuò)大.秦永春博士證實(shí)了Evotherm溫度與密實(shí)度曲線的溫度不敏感區(qū)段的存在，而對(duì)比的熱拌瀝青混合料，則沒(méi)有觀測(cè)到顯著的不敏感區(qū).由于溫度和密實(shí)度曲線的兩端與瀝青黏度關(guān)系不大，因此，溫拌技術(shù)的效能主要取決于曲線中間位置的塌落程度，對(duì)溫度不敏感區(qū)域越寬，溫拌的效果就越好.

1.2 施工中的降溫速率

碾壓溫度范圍的向下移動(dòng)以及對(duì)溫度不敏感碾壓區(qū)域的存在，保證了溫拌瀝青混合料在降低施工溫度后仍然具有足夠好的工作性.

相對(duì)于熱拌瀝青混合料，溫拌瀝青混合料與環(huán)境溫度的差異縮小.按照熱傳導(dǎo)學(xué)原理，物體與環(huán)境溫度差異越小，則其溫度變化速率越小.研究表明，溫拌瀝青混合料可以有效地延長(zhǎng)瀝青混合料施工時(shí)間達(dá)5 min.這一點(diǎn)對(duì)于低溫季節(jié)施工具有非常重要的意義，溫拌與熱拌的這點(diǎn)差異，正好踩在壓實(shí)有否可操作性時(shí)間的門檻上.

2 溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)方案

2.1 總體方案

瀝青混合料的降溫速率受較多因素的影響，特別是在低溫環(huán)境下不得不施工時(shí)，瀝青混合料降溫速率會(huì)加快，導(dǎo)致瀝青混合料快速變硬，很難壓實(shí).因此，為了使建設(shè)者能夠在低溫環(huán)境中準(zhǔn)確掌握瀝青混合料的降溫規(guī)律，調(diào)整瀝青路面施工工藝以保證低溫環(huán)境中瀝青路面的施工質(zhì)量，明尼蘇達(dá)州立大學(xué)交通學(xué)院編制了一套輸入瀝青路面施工特征參數(shù)(瀝青的PG分級(jí)、瀝青混合料厚度、瀝青混合料類型和攤鋪溫度以及下臥層類型、材料和溫度)和外界環(huán)境條件因素參數(shù)(空氣、風(fēng)速、天氣狀況和緯度)用于預(yù)測(cè)瀝青混合料降溫速率的軟件 PAVECOOL［8］.

采用天定高速公路瀝青路面上面層施工過(guò)程中瀝青路面內(nèi)部和表面的溫度隨時(shí)間變化值與PAVECOOL軟件，計(jì)算得到的瀝青路面施工過(guò)程中的溫度值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證PAVECOOL軟件的適用性.

2.2 PAVECOOL適用性驗(yàn)證

瀝青混合料內(nèi)部溫度采用插入式溫度計(jì)測(cè)量和路表溫度和下臥層溫度采用紅外線射溫槍分別測(cè)定.瀝青混合料攤鋪過(guò)程中溫度場(chǎng)測(cè)試見(jiàn)圖1.不同環(huán)境中上面層施工過(guò)程中瀝青路面內(nèi)部和表面的溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值見(jiàn)圖2.

從圖2可以看出，在碾壓初期采用PAVECOOL軟件計(jì)算得到各個(gè)時(shí)刻的溫度值與路面表面溫度變化較為一致，碾壓時(shí)間為5 min時(shí)兩者的誤差率僅為0.1%;而在碾壓后期PAVECOOL計(jì)算值與瀝青路面內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)較為一致，碾壓時(shí)間為33 min時(shí)兩者的誤差率僅為0.3%.此外，采用PAVECOOL軟件計(jì)算得到的各個(gè)時(shí)刻的瀝青混合料溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)與實(shí)際測(cè)得的瀝青混合料的溫度變化趨勢(shì)非常相似.

綜上所述，在路面參數(shù)和環(huán)境參數(shù)選擇合適的情況下，采用瀝青路面降溫計(jì)算軟件PAVECOOL可以預(yù)測(cè)瀝青混合料施工中不同時(shí)刻的溫度，從而可以為確定有效壓實(shí)時(shí)間、確定混合料出料和壓實(shí)溫度提供有利的依據(jù).

3 低溫環(huán)境中溫拌瀝青混合料施工溫度

3.1 總體思路

以天定高速公路低溫環(huán)境下瀝青路面施工為例，采用PAVECOOL得到不同外部環(huán)境因素下各層瀝青混合料的溫度變化規(guī)律.該項(xiàng)目路面第三標(biāo)段瀝青面層由甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司承建，面層施工自2010年3月初開始至12月底結(jié)束.瀝青混合料采用瑪蓮尼-4000型拌和站拌和，攤鋪采用德國(guó)產(chǎn)福格勒攤鋪機(jī)，碾壓機(jī)械組合見(jiàn)表1.

表1 正常施工的碾壓組合Tab.1 The combination of RCC in normal construction process

由于一般情況下瀝青路面施工過(guò)程中機(jī)械臺(tái)班的效率是固定的，以一次完整的碾壓時(shí)間33～36 min為判斷依據(jù)，依據(jù)溫拌瀝青混合料到達(dá)壓實(shí)度93%對(duì)應(yīng)的碾壓終了溫度(基質(zhì)瀝青65℃、改性瀝青75℃)，參考天水至定西11月和12月中的環(huán)境溫度特點(diǎn)，利用PAVECOOL計(jì)算出熱拌及溫拌不同攤鋪溫度下能夠施工的最低環(huán)境溫度，為天定高速路面施工提供指導(dǎo).

3.2 計(jì)算參數(shù)

(1)混合料類型及層厚.天定高速公路路面混合料類型及層厚見(jiàn)表2.

表2 天定高速公路路面結(jié)構(gòu)及材料Tab.2 Pavement structure and materials for express from Tianshui to Dingxi

(2)膠結(jié)料種類.天定高速公路下面層采用的瀝青為克拉瑪依90#瀝青，中上面層采用的瀝青為克拉瑪依改性瀝青.參照美國(guó)SHRP方法，對(duì)天定高速公路所用瀝青按瀝青路用性能進(jìn)行PG分級(jí)，即下面層PG58-16，中、上面層PG70-22.

(3)項(xiàng)目所在地地理緯度.項(xiàng)目所在地地理緯度為35°.

(4)風(fēng)速.調(diào)研定西與天水地區(qū)11，12月份天氣狀況，風(fēng)速基本介于0～14 km/h之間.因此，本研究計(jì)算中風(fēng)速取最高值14 km/h和最低值0 km/h兩個(gè)值進(jìn)行計(jì)算.

(5)下臥層溫度.路面下臥層溫度采用連續(xù)7 d平均最高氣溫、地理緯度確定高溫設(shè)計(jì)溫度.按照LTPP路表最高設(shè)計(jì)溫度與空氣溫度的換算關(guān)系式(1)［9］，可以得到不同溫度條件下20 mm深處的最高路面設(shè)計(jì)溫度.

式中：t20mm為位于20 mm深處的最高路面設(shè)計(jì)溫度;tair為連續(xù)7 d平均最高氣溫;Lat為項(xiàng)目所處地區(qū)的地理緯度.

低溫設(shè)計(jì)溫度則由年平均極端最低氣溫確定，換算可通過(guò)式(2)計(jì)算：

式中：tmin為路表最低設(shè)計(jì)溫度;tair為當(dāng)日氣溫.

(6)低溫環(huán)境混合料攤鋪溫度.考慮到低溫環(huán)境下，瀝青混合料降溫速率較快的特點(diǎn)，本研究中將下面層設(shè)定熱拌初壓溫度為145℃，溫拌為140℃、130℃、120℃;中、上面層設(shè)定熱拌為170℃，溫拌為165 ℃、160 ℃、155 ℃、150℃、145 ℃、140℃.

(7)有效碾壓時(shí)間.根據(jù)文獻(xiàn)有效壓實(shí)時(shí)間計(jì)算結(jié)果和施工經(jīng)驗(yàn)［10］，一次完整的碾壓過(guò)程所需的時(shí)間設(shè)定為34 min.

3.3 最低施工環(huán)境溫度

(1)下面層.將以上參數(shù)帶入到PAVECOOL軟件中，得到各個(gè)氣候環(huán)境中的下面層瀝青混合料(90號(hào)瀝青，6 cm厚)施工最低環(huán)境溫度，見(jiàn)表3.

表3 下面層瀝青混合料施工最低環(huán)境溫度Tab.3 The minimum ambient temperature of asphalt mixture construction at the bottom of asphalt pavement

可以看出，在下臥層干燥、未結(jié)冰的情況下，并且風(fēng)力較弱(微風(fēng))時(shí)，進(jìn)行下面層瀝青混合料施工的最低環(huán)境溫度為-1℃.當(dāng)然，此結(jié)論是建立在混合料攤鋪溫度為145℃的前提下的.此外，將混合料溫度提高，在天氣條件良好的時(shí)候，熱拌瀝青混合料的最低環(huán)境溫度為-15℃.

(2)中面層.中面層瀝青混合料(KLMY SBS I-C，5 cm厚)施工最低環(huán)境溫度，見(jiàn)表4.

可以看出，微風(fēng)時(shí)，空氣溫度低于10℃時(shí)須考慮使用溫拌瀝青混合料.當(dāng)溫拌瀝青混合料攤鋪溫度提高至165℃時(shí)，最低施工空氣溫度為-14℃.即在有風(fēng)情況下，熱拌施工溫度區(qū)間為高于10℃;溫拌施工溫度區(qū)間為低于10℃高于-14℃.

表4 中面層瀝青混合料最低環(huán)境溫度Tab.4 The minimum ambient temperature of asphalt mixture construction at the middle of asphalt pavement

無(wú)風(fēng)時(shí)，空氣溫度低于4℃時(shí)須考慮使用溫拌瀝青混合料.溫拌瀝青混合料按攤鋪溫度的不同，當(dāng)攤鋪溫度為165℃時(shí)，最低施工空氣溫度為-20℃.即在無(wú)風(fēng)情況下，熱拌施工溫度區(qū)間為高于4℃;溫拌施工溫度區(qū)間為低于4℃大于-20℃.

(3)上面層.上面層瀝青混合料(KLMY SBS I-C asphalt，4 cm depth)施工最低環(huán)境溫度，見(jiàn)表5.

表5 上面層瀝青混合料最低環(huán)境溫度Tab.5 The minimum ambient temperature of asphalt mixture construction at surface of asphalt pavement

可以看出，微風(fēng)時(shí)，空氣溫度低于15℃時(shí)須考慮使用溫拌瀝青混合料，溫拌瀝青混合料按攤鋪溫度的不同，當(dāng)攤鋪溫度為165℃時(shí)最低施工空氣溫度為1℃.即在有風(fēng)情況下，熱拌施工溫度區(qū)間為高于15℃;溫拌施工溫度區(qū)間為低于15℃高于1℃.

無(wú)風(fēng)時(shí)，空氣溫度低于10℃時(shí)使用溫拌瀝青混合料，溫拌瀝青混合料按攤鋪溫度的不同，當(dāng)攤鋪溫度為165℃時(shí)最低施工空氣溫度為-7℃.即在無(wú)風(fēng)情況下，熱拌施工溫度區(qū)間為高于7℃;溫拌施工溫度區(qū)間為低于7℃高于-7℃.

4 結(jié)論

(1)在路面參數(shù)和環(huán)境參數(shù)選擇合適的情況下，采用瀝青路面降溫計(jì)算軟件PAVECOOL可以預(yù)測(cè)瀝青混合料施工中不同時(shí)刻的溫度，從而可以為確定有效壓實(shí)時(shí)間、確定混合料出料和壓實(shí)溫度提供了有利的依據(jù).

(2)提高下面層熱拌瀝青混合料溫度，保證下臥層(乳化瀝青)的干燥和不結(jié)冰，風(fēng)力較小時(shí)，可以進(jìn)行熱拌瀝青混合料的施工，而不用選擇溫拌混合料.

(3)結(jié)合天水和定西兩地天氣狀況，中面層在11，12月份在天氣晴朗、干燥、無(wú)大風(fēng)的條件下完全可以進(jìn)行溫拌瀝青混合料施工.

(4)在大風(fēng)條件下，無(wú)論是否采用瀝青混合料溫拌技術(shù)都不宜進(jìn)行上面層瀝青混合料的鋪筑.

(5)低溫條件下溫拌瀝青混合料施工環(huán)境和溫度的確定方法是基于理論分析得到的，部分結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性仍需檢驗(yàn);在今后的工程實(shí)踐研究中應(yīng)注重相關(guān)數(shù)據(jù)的收集分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)低溫條件下溫拌瀝青混合料施工環(huán)境和溫度進(jìn)行修正.

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