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公路的瀝青路面在外界氣溫低于10℃時不得施工，二級及其以下等級公路的瀝青路面在外界環(huán)境低于5℃時不得施工。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?？臁?/p>

導(dǎo)致沒有充足的時間將瀝青混合料充分壓實，因而導(dǎo)致瀝青路面的早期破壞。瀝青混合料的壓實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功并不能顯著提高混合料的密實度，僅能改善混合料的平整度。因此，壓實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)到理想的壓實度。

1 有效壓實時間的概念及計算方法

有效壓實時間是指混合料從運輸至現(xiàn)場的溫度降至最低允許碾壓溫度所需的時間。可用于壓實的有效時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，可用于壓實的有效壓實時間越短；鋪層越厚、天氣晴朗、地表溫度較高等狀況下，可用于壓實的有效壓實時間越長。掌握瀝青路面的有效壓實時間對于施工現(xiàn)場作業(yè)人員合理安排壓實工序，保證壓實質(zhì)量具有非常重大的實踐意義。、

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）

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

圖2-2是MultiCool的程序界面，MultiCool是一個易操作、簡單的計算機(jī)程序，它可以計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)計算出每層熱拌瀝青混合料的冷卻時間及另一層的最佳鋪筑時間。有助于現(xiàn)場施工人員決定是否在冷天攤鋪及熱拌瀝青混合料運輸?shù)綌備伂F(xiàn)場的進(jìn)度安排。盡管該程序不能代替良好的判斷及現(xiàn)場觀察，但它在施工計劃過程及現(xiàn)場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程序計算瀝青混合料有效壓實時間的具體步驟為：

1）確定瀝青結(jié)合料PG等級

SHRP研究人員提出了將歷史氣溫轉(zhuǎn)化為路面設(shè)計溫度的理念，并提供了計算方式。Superpave設(shè)計方法，允許設(shè)計者根據(jù)可靠度來確定結(jié)合料的PG等級。可靠度是年實際溫度(極端最低氣溫或七天高氣溫)不超過設(shè)計溫度的百分率。可靠度越高就意味著風(fēng)險越低。一般情況下，要求瀝青膠結(jié)料的PG高溫等級必須高于氣候資料計算的路面高溫設(shè)計溫度，而所需的PG低溫等級必須低于按氣候等級計算的路面低溫設(shè)計溫度。本文以瀝青膠結(jié)料的PG等級是PG64-34級進(jìn)行計算。

2）收集milticool計算所需的數(shù)據(jù)資料。對施工現(xiàn)場的具體施工參數(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，不能保證迅速壓實時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)計算SMA瀝青混合料有效壓實時間如圖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時間為28min。

圖2-3 SMA-16在氣溫為20℃，晴朗天氣狀況下的有效壓實時間

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時間為52min。

圖2-4 AC-20在氣溫為20℃，晴朗天氣狀況下的有效壓實時間

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)計文件，ATB-25采用遼寧盤錦70#瀝青，由規(guī)范查的，ATB運輸至現(xiàn)場的溫度不低于145℃，碾壓終了的溫度不低于70℃，根據(jù)這些參數(shù)計算ATB-25的有效壓實時間，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時間為84min。

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

3 有效壓實時間的影響因素分析

不同條件下瀝青混合料的有效壓實時間是不盡相同的，系統(tǒng)的分析有效壓實時間的影響因素，并找出這些因素對瀝青混合料有效壓實時間的影響規(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，其有效壓實時間越長，壓實度越容易達(dá)到。其原因是，鋪層越厚，其保溫時間越長；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。

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混合料有效壓實時間的影響。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，計算結(jié)果見表3-1。

表3-1 不同路面厚度SMA的有效壓實時間

圖3-1 SMA面層厚度與有效壓實時間的關(guān)系

圖3-1直觀的表明，在其他條件相同的狀況下，面層厚度對瀝青混合料有效壓實時間影響顯著，隨著面層厚度的增加有效壓實時間也呈現(xiàn)線性增長的趨勢。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，從而增加有效壓實時間，有利于壓實質(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)力對混合料影響相對較小。選擇氣溫為20℃,50mmSMA的瀝青混合料壓實為例，風(fēng)速從5Km/h、10 Km/h、15 Km/h、20 Km/h，有效壓實時間分別為31、28、27、25min。

由圖可知，風(fēng)速越大，瀝青混合料的有效壓實時間越短。風(fēng)為空氣的自然對流現(xiàn)象，風(fēng)的影響促使空氣的流動，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，用于壓實的時間也相對較長。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，這會導(dǎo)致混合料在振動壓路機(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，有效壓實時間也會相應(yīng)的增加，反之，有效壓實時間減少。這是因為，氣溫較高時，混合料的冷卻速度較小，即可用于壓實的有效壓實時間變長。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，即有效壓實時間縮短。

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℃(高速公路和一級公路)或5℃(其他等級公路)，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，不能保證迅速壓實時不得鋪筑瀝青混合料。由此可見氣溫對于瀝青路面壓實特性有重大影響。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，研究氣溫變化對有效壓實時間的影響程度。還是以SMA混合料為例，選擇50mmSMA，分別選擇氣溫為15℃、20℃、25℃、30℃，分別計算混合料的有效壓實時間，計算結(jié)果分別為26、28、31、34min。

計算結(jié)果表明，隨著氣溫的增加，有效壓實時間也不斷增大。此外，國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)風(fēng)力小于4級時，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級時，表面與內(nèi)部溫差較大，嚴(yán)重時可能會超過20℃，而對于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)速對有效壓實時間的影響。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,含中間層會向上下兩側(cè)傳遞，因而導(dǎo)致面層中間點溫度下降幅度大，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，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 壓實時間點

瀝青混合料在不同的時間點壓實，其有效壓實時間也不盡相同。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時間點進(jìn)行SMA混合料的有效壓實時間計算。計算結(jié)果如表3-2所示。

表3-2 不同時間點的有效壓實時間

圖3-2 壓實時間點與有效壓實時間的關(guān)系圖

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

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，所以及時碾壓是提高壓實質(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，瀝青混合料溫度則會在短時間內(nèi)下降而造成壓實困難。故混合料的初壓溫度對于有效壓實時間意義顯著。

此外，太陽輻射、雨雪天氣等因素也會影響瀝青混合料的有效壓實的大小。

4 結(jié)語

根據(jù)前面定量的分析，各因素對有效壓實時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、壓實時間點等。對有效壓實時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)場應(yīng)及時關(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計算得出的時間不足以充分壓實瀝青混合料，可以選擇一些方式延長時間，例如，通過增加壓實厚度、或提高混合料初壓溫度來獲得足夠的有效壓實時間。在施工前，可用該軟件計算有效壓實時間，并據(jù)此合理安排壓實機(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質(zhì)量。

綜上所述，環(huán)境、機(jī)械、設(shè)計、人為等因素，都會影響瀝青混合料的有效壓實時間。通過對有效壓實時間影響因素的分析，對瀝青路面的施工工序有很多重要的啟示。瀝青路面施工時，壓路機(jī)必須緊跟攤鋪機(jī)作業(yè)；合理安排運輸車輛，減少等料時間；在運輸過程中，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,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.車載式壓實度檢測儀[D].西安：長安大學(xué),2001.

［8］劉興國，馬紅梅,等.熱拌瀝青混合料級配實時監(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.瀝青路面壓實度實時監(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).