石越峰，蔡德鉤，樓梁偉，姚建平，許俊磊，張世杰

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術開發(fā)公司，北京 100081; 3.京張城際鐵路有限公司，北京 100070;4.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

在基床表層與軌道結構之間全斷面鋪設瀝青混凝土，該種防水封閉結構可有效消除原有封閉體系中的結構縫和伸縮縫，可為路基提供整體化的防水保護[1-2]。瀝青混凝土的材料性能與溫度關系密切，其防水效果、壓實質量和使用年限均與施工溫度有關[3]。

瀝青混凝土施工過程中的離析是造成瀝青混凝土壓實度不均勻、空隙率大、平整度差、水損害等早期破壞的重要原因之一，主要包括級配離析和溫度離析2類。溫度離析是指由于環(huán)境條件、施工條件、施工工藝等的影響，造成瀝青混凝土在拌和、運輸、攤鋪、壓實過程中溫度變化而出現的明顯差異性，主要表現為瀝青混凝土施工溫度分布不均勻。區(qū)別于級配離析，溫度離析無法通過肉眼觀察進行判斷，在施工過程中也很難得以控制[4-8]。為滿足鐵路瀝青混凝土長期服役性能的要求，選用鐵路專用高黏瀝青進行瀝青混凝土的生產，相比于公路行業(yè)普遍采用的改性瀝青，鐵路專用高黏瀝青的低溫黏度更高，因此控制鐵路瀝青混凝土的溫度離析就顯得尤為重要。

依托京張城際鐵路全斷面瀝青混凝土防水封閉結構的施工，結合鐵路瀝青混凝土服役壽命長的特點，本文梳理全斷面瀝青混凝土防水封閉結構的施工工藝，選用多種手段對瀝青混凝土施工過程的溫度進行監(jiān)控，研究拌和、運輸、攤鋪、壓實等施工過程中瀝青混凝土的降溫規(guī)律，分析施工各階段產生溫度離析的原因，最后提出控制鐵路瀝青混凝土溫度離析的合理化建議。

1 熱力學基礎理論

溫度場是指研究對象在某一時刻t一定范圍內所有點溫度分布的總稱，可用時間和空間的坐標函數來描述[9]，表達式為

Q=f(x,y,z,t)

式中：Q為t時刻坐標為(x,y,z)點的溫度值。

對式(1)求偏微分可知，若?Q/?t=0即溫度不隨時間的變化而變化，稱為穩(wěn)態(tài)溫度場；若?Q/?t≠0，則稱為非穩(wěn)態(tài)溫度場。

在生活中熱量的傳遞是常見而復雜的物理現象。按照熱量傳遞的機理不同，大致可分為熱傳導、熱對流和熱輻射3種基本熱傳導方式。

1)熱傳導。導熱是指在連續(xù)介質內若有溫度差存在或者兩溫度不同的物體直接接觸時，在物體內沒有可見的宏觀物體流動時所發(fā)生的傳熱現象。熱傳導是通過分子、原子、電子等粒子的微觀運動進行熱量交換的熱量傳遞方式。

2)熱對流。在流體宏觀運動情況下所發(fā)生的傳熱，稱為熱對流。一般的熱對流傳熱分為由流體各部分的密度不同而造成的自然對流，以及有外力作用情況下引起的強制對流。

3)熱輻射。物體因受熱發(fā)出熱輻射，高溫物體向低溫物體熱輻射，同時低溫物體向高溫物體熱輻射，最終結果是高溫物體失去熱量而低溫物體得到熱量。輻射傳熱不需要物體作傳熱媒介，而是依靠物體發(fā)射電磁波來傳遞熱量。工程上的傳熱過程多是包括2種或3種基本傳熱方式的傳熱過程，簡稱綜合傳熱[10]。

2 施工工藝

瀝青混凝土防水封閉結構的施工主要包括灑布透層瀝青和瀝青混凝土的拌和、運輸、攤鋪、壓實、養(yǎng)護。其主要施工工藝流程如圖1所示。

圖1 主要施工工藝流程

2.1 施工準備

做好施工前的準備工作是保證瀝青混凝土質量的前提和基礎。施工準備主要包括以下4個方面：①原材料進場與質量證明文件的查驗。②施工機械的準備與檢查。③基床表層的檢查。瀝青混凝土施工前，應確認基床表層的中線高程、線間高程、路肩高程、橫坡、平整度等符合TB 10751—2010《高速鐵路路基工程施工質量驗收標準》中的規(guī)定。④灑布透層瀝青。采用瀝青灑布車按照1.0 kg/m2均勻噴灑透層瀝青，待其充分滲透且水分蒸發(fā)，盡早進行瀝青混凝土的攤鋪。

2.2 瀝青混凝土的拌和

采用3000型瀝青混凝土拌和站(最大理論產量為240 t/h)進行瀝青混凝土的集中廠拌。主要生產參數如下：骨料加熱溫度為190～200 ℃，鐵路專用高黏瀝青加熱溫度為180～190 ℃，拌和時間60 s，瀝青混凝土的出料溫度為185～195 ℃，出料溫度高于200 ℃的瀝青混凝土應廢棄。出廠前，應逐車檢測瀝青混凝土的質量、溫度和外觀，如溫度不符合要求、花白料、結團、嚴重離析的瀝青混凝土不得出廠。

2.3 瀝青混凝土的運輸

圖2 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作原理示意

瀝青混凝土采用大噸位自卸卡車進行運輸，同時采用苫布進行覆蓋，以保證瀝青混凝土的到場溫度不低于170 ℃。在運輸車輛上安裝智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)(見圖2)，監(jiān)控車廂內瀝青混凝土的實時溫度，獲取運輸車輛的位置，便于現場組織。

2.4 瀝青混凝土的攤鋪

采用3臺瀝青混凝土攤鋪機呈階梯形進行攤鋪，相鄰攤鋪機的搭接寬度宜為10～20 cm，攤鋪機前后錯開距離不應超過20 m。為保證瀝青混凝土的攤鋪質量，規(guī)定攤鋪溫度不得低于170 ℃。瀝青混凝土攤鋪時應緩慢、均勻、連續(xù)作業(yè)，不得隨意變換速度或中途停頓，不得出現明顯的離析、波浪、裂縫、拖痕等現象。

2.5 瀝青混凝土的壓實

采用“鋼輪壓路機(先靜壓后振動)、膠輪壓路機、鋼輪壓路機”的組合方式進行瀝青混凝土的初壓、復壓、終壓。結合本工程選用瀝青混凝土材料的特點，要求初壓開始溫度不低于165 ℃，終了溫度不低于145 ℃；終壓開始溫度不低于130 ℃，終了溫度不低于110 ℃；在不產生推移和裂縫的前提下，應確保初壓、復壓、終壓在盡可能高的溫度下進行。

3 溫度離析成因分析

3.1 拌和離析

瀝青混凝土卸入運料車后，利用ST9450高精度紅外熱成像儀(量程：-25～450 ℃，精度：0.1 ℃)測量其溫度，測得瀝青混凝土的溫度在185～192 ℃，溫差達到7 ℃，產生了一定程度上的溫度離析現象。鐵路專用高黏瀝青在儲存罐中通過盤管中的導熱油進行加熱，正常生產時其溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)；礦粉屬于常溫儲存，其溫度變化較小。因此，造成瀝青混凝土拌和過程中溫度離析的原因主要在于集料。集料在加熱滾筒中通過旋流火焰進行加熱，使集料在幾十秒內溫度達到190～200 ℃。但由于集料粒徑、含水率不同，導致集料的受熱狀態(tài)不均勻，使拌和完成后的瀝青混凝土也存在溫度離析的現象。

3.2 運輸離析

在運輸車上安裝智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)(見圖3)，獲取車廂內瀝青混凝土的溫度，同時通過GPS獲取運輸車輛的位置信息。

圖3 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)

圖4 瀝青混凝土溫度隨運輸距離變化曲線

通過獲取瀝青混凝土運輸途中實時溫度，得到瀝青混凝土溫度隨運輸距離的降溫規(guī)律，見圖4?？芍瑸r青混凝土隨運輸距離的降溫呈二次函數規(guī)律，且相關性系數均在0.99以上。美國國家交通委員會提出以10 ℃作為劃分是否發(fā)生溫度離析的標準[11]，但考慮到鐵路專用高黏瀝青的材料特點，最終選擇以 5 ℃ 降溫為標準，結合瀝青混凝土隨運輸距離的降溫規(guī)律，推薦瀝青混凝土的最長運輸距離應控制在70 km之內，以保證瀝青混凝土到場后的施工和易性。

3.3 攤鋪離析

利用MT4 MAX紅外溫槍(量程：-30～350 ℃，精度：0.1 ℃)測量瀝青混凝土的表面溫度，利用testo 905-T1插入式溫度計(量程：-50～350 ℃，精度：0.1 ℃)測量瀝青混凝土的內部溫度。瀝青混凝土的虛鋪厚度為10 cm，選取5 cm位置為瀝青混凝土內部溫度的測量點，每個測量點測溫3次，取平均值作為測量值。在瀝青混凝土的攤鋪過程中，對瀝青混凝土表面溫度及表面以下5 cm處的溫度進行記錄，測試結果見圖5。

圖5 瀝青混凝土溫度下降曲線

由圖5可知，瀝青混凝土表面與內部溫度散失規(guī)律不同。瀝青混凝土表面的溫度下降呈指數變化(R2=0.988)，而5 cm處內部溫度下降呈線性關系(R2=0.998)，且表面溫度下降速率明顯快于內部。這主要是由于瀝青混凝土上表面與內部產生熱傳導的同時，瀝青混凝土上表面與空氣接觸，熱空氣會向上流動產生熱對流，因此瀝青混凝土表面降溫速率較快。

利用上述方法對瀝青混凝土在攤鋪過程中的溫度空間分布進行測量與記錄。在橫向溫度測量方面，以攤鋪機左側邊緣為原點，垂直于攤鋪機的行進方向以2 m為間距，分別測量0,2,4,6,8 m的溫度值；在縱向溫度測量方面，沿攤鋪機的行進方向以5 m為間距，分別測量0,5,10,15,20 m的溫度值。橫向、縱向溫度分布均選取3個斷面，取其平均值作為測量值，測試結果見圖6。

圖6 瀝青混凝土攤鋪過程溫度空間分布

由圖6可知：

1)在橫向分布方面(即垂直于攤鋪機行進方向)，攤鋪機兩端(0和8 m位置)的瀝青混凝土溫度明顯低于攤鋪機中部的，即呈“Λ”形分布。這主要是因為攤鋪機兩側的瀝青混凝土需經螺旋布料器傳送至兩端，在螺旋傳送的過程中加大了瀝青混凝土與空氣的接觸，致使其溫度較低。因此，攤鋪機的攤鋪寬度不宜過寬，避免造成嚴重的溫度散失。

2)在縱向分布方面(即沿攤鋪機行進方向)，每輛運輸車內的瀝青混凝土經攤鋪機虛鋪后溫度也呈現“Λ”形分布。其原因在于運輸車輛兩側和頂部均覆蓋苫布和棉被，車廂前后兩面未進行覆蓋，使得車廂瀝青混凝土的溫度基本呈“低—高—低”分布。同時，證明了覆蓋苫布、棉被等措施有利于瀝青混凝土溫度的保持。

3.4 壓實離析

壓實過程采用“鋼輪壓路機、膠輪壓路機、鋼輪壓路機”的組合方式進行。鋼輪壓路機通常會采用向鋼輪噴水的方式避免瀝青粘到鋼輪上[12]。若灑水量過多，會使瀝青混凝土表面溫度過低，形成硬殼，碾壓時會產生微裂紋，進而影響防水效果。因此，選取了2個測點對壓實過程中的溫度進行測試，測試結果見圖7。

圖7 噴水對瀝青混凝土溫度的影響

由圖7可知，向鋼輪壓路機噴水會造成瀝青混凝土的溫度急劇下降，下降幅值約9～12 ℃。瀝青混凝土表面溫度會在60 s左右開始回升，并在180 s左右趨于穩(wěn)定，但不能回升至起始溫度。據測算，在壓實過程中平均灑水量為1.0～1.5 kg/m2。溫度較高時瀝青混凝土表面的水依靠瀝青混凝土的熱量最終汽化，造成了瀝青混凝土表面溫度的流失，屬典型的熱對流現象。與此同時，內部的瀝青混凝土通過熱傳導、熱輻射的方式將熱量傳遞至瀝青混凝土的表面，使其表面溫度回升。

4 控制措施

結合上述研究，控制瀝青混凝土溫度離析現象的建議如下：

1)優(yōu)化配合比設計。在設計瀝青混凝土配合比時，應充分考慮溫度離析問題，合理確定礦料級配，避免集料粒徑偏差過大。

2)控制集料含水率。一方面在集料儲存區(qū)域設置防雨棚，保證集料處于干燥狀態(tài)；另一方面正式生產前應調整火焰噴頭的方向、角度，使集料均勻加熱。

3)開發(fā)拌和站信息化平臺。利用拌和站信息化平臺通過移動終端對拌和過程中瀝青加熱溫度、集料加熱溫度、拌和溫度、出料溫度、瀝青用量、礦料級配等關鍵參數進行實時監(jiān)測、記錄與預警，保證了瀝青混凝土生產過程中溫度的穩(wěn)定、可控。

4)加強運輸管理。采用大噸位運料車，并控制運輸距離和運輸時間，同時采用苫布、棉被等對車廂頂部及周圍進行覆蓋保溫。針對部分線路瀝青混凝土拌和站分散的情況，可采用移動式瀝青混凝土拌和設備進行生產。

5)確定合理的攤鋪方案。攤鋪機的攤幅不宜過長，建議攤鋪寬度應在攤鋪機的基本攤鋪寬度上加 3 m 范圍內為宜，通常不超過7 m，避免螺旋布料器送料造成溫度的損失。當路基較寬時，可采用2臺或多臺攤鋪機梯形作業(yè)。

6)確定合理的壓實工藝。壓路機應及時碾壓瀝青混凝土，將熱量封鎖在瀝青混凝土內部。對于鋼輪壓路機，在不粘輪的前提下應盡量少噴水，減少溫度的散失。

7)加強施工溫度監(jiān)控。采用智能化、信息化測量手段進行施工過程溫度的監(jiān)控，提高施工溫度控制的實時性和準確性。

5 結語

1)結合熱量傳遞分類，施工過程中瀝青混凝土的溫度損失主要包括瀝青混凝土下表面與基床表層之間熱傳導、上表面與空氣的熱對流以及自身內部的熱輻射。

2)鐵路瀝青混凝土的溫度離析主要分為拌和離析、運輸離析、攤鋪離析和壓實離析4類。

3)通過優(yōu)化配合比設計、控制集料含水率、開發(fā)拌和站信息化平臺、加強運輸管理、確定合理的攤鋪和壓實方案、加強過程溫度監(jiān)控等手段，提出了控制瀝青混凝土施工過程溫度離析的合理化建議。