摘要：川藏過(guò)渡區(qū)氣溫和風(fēng)速?gòu)?fù)雜多變， 在進(jìn)行瀝青混合料攤鋪碾壓時(shí)難以有效控制其壓實(shí)質(zhì)量． 為此， 以川藏過(guò)渡區(qū)德昌至?xí)砀咚俟稬M3標(biāo)段為依托開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)鋪筑試驗(yàn)． 首先基于理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)SMA-13、 AC-20C及AC-20共3種不同瀝青混合料在鋪筑過(guò)程中的降溫規(guī)律進(jìn)行分析． 然后對(duì)氣溫、 風(fēng)速及混合料類型共3個(gè)因素開(kāi)展SPSS正交分析， 從而獲得其對(duì)有效碾壓時(shí)間的影響性排序． 進(jìn)一步根據(jù)降溫規(guī)律建立瀝青混合料的碾壓溫度估算模型， 同時(shí)開(kāi)展室內(nèi)變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)對(duì)其最佳擊實(shí)溫度進(jìn)行估算． 結(jié)果表明： 當(dāng)風(fēng)速小于6 m/s且氣溫大于5 ℃時(shí)， AC-20C與AC-20的碾壓質(zhì)量較好； 當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s且氣溫為5～15 ℃時(shí)， SMA-13的碾壓質(zhì)量欠佳； 對(duì)有效碾壓時(shí)間的雙因素影響性排序?yàn)闅鉁豠mp;風(fēng)速＞氣溫amp;混合料類型＞風(fēng)速amp;混合料類型； SMA-13、 AC-20C及AC-20的最佳擊實(shí)溫度分別為169 ℃，166 ℃，152 ℃． 最后基于分?jǐn)?shù)階理論， 給出了不同氣溫、 風(fēng)速下不同類型瀝青混合料的現(xiàn)場(chǎng)攤鋪和碾壓溫度建議值．

關(guān) 鍵 詞：瀝青混合料； 壓實(shí)質(zhì)量； 氣溫； 風(fēng)速； 降溫規(guī)律； 實(shí)測(cè)

中圖分類號(hào)：

U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16739868（2024）07014915

Study on Cooling and Compaction Properties of

Asphalt Mixture under Different Air Temperatures

and Wind Speeds in Sichuan-Xizang Transition Zone

WU Xia HE Zhaoyi ZHANG Siyuan3， GAN Xiangli3

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 61004 China

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 amp; wind speed＞air temperature amp; mixture type＞wind speed amp; 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．

Key words： asphalt mixture； compaction quality； temperature； wind speed； cooling law； field measurement

碾壓溫度是保證瀝青混合料能否有效壓實(shí)的重要因素之一［1］． 受氣溫和風(fēng)速影響， 瀝青混合料在攤鋪及碾壓過(guò)程中會(huì)迅速降溫， 導(dǎo)致難以碾壓密實(shí)、 降低瀝青路面的強(qiáng)度和耐久性， 進(jìn)而容易造成裂縫、 車轍等嚴(yán)重的早期損壞［2-4］． 為此， 在實(shí)際工程中常采用提高瀝青混合料的碾壓溫度和增大壓實(shí)功來(lái)保證壓實(shí)質(zhì)量． 但提高碾壓溫度極易導(dǎo)致拌合溫度過(guò)高從而加劇瀝青老化并最終影響瀝青混合料的耐久性［5］， 而增大壓實(shí)功則一方面易造成集料產(chǎn)生“過(guò)壓”而導(dǎo)致空隙率過(guò)小或破碎， 從而出現(xiàn)“泛油”病害， 另一方面容易改變?yōu)r青混合料的級(jí)配從而影響路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度甚至“失穩(wěn)”［6-7］．

為此， Yu等［8］針對(duì)SMA-13、 AC-13瀝青混合料研究了級(jí)配、 壓實(shí)次數(shù)及初始?jí)簩?shí)溫度對(duì)壓實(shí)特性的影響， 表明壓實(shí)度與初始?jí)簩?shí)溫度之間具有良好的相關(guān)性． Wang等［9］基于DEM離散元模型及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 考慮攤鋪速度、 攤鋪角度、 攤鋪厚度等因素， 對(duì)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)方式進(jìn)行了改進(jìn)． Qian等［10］基于三維數(shù)值模擬分析， 發(fā)現(xiàn)壓實(shí)過(guò)程中的初始碾壓溫度和層厚會(huì)影響整個(gè)層位的溫度場(chǎng)， 且風(fēng)速和氣溫主要影響瀝青混合料的上層溫度場(chǎng)． 在此基礎(chǔ)上， 王黎明等［11］對(duì)鋪筑過(guò)程中的熱擴(kuò)散影響因素進(jìn)行了仿真模擬和敏感性分析， 認(rèn)為氣溫和風(fēng)速對(duì)熱擴(kuò)散影響顯著， 且攤鋪溫度、 混合料類型和鋪層厚度對(duì)壓實(shí)影響具有敏感性． 此外， 在碾壓機(jī)械與施工效率方面， 劉聶玚子等［12］從節(jié)能角度建立了瀝青混合料的攤鋪碾壓機(jī)械總體能耗計(jì)算模型， 提出了瀝青混合料攤鋪碾壓節(jié)能施工技術(shù)． Polaczyk等［13］基于Witczak模型， 針對(duì)瀝青振動(dòng)壓實(shí)儀和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀， 研究發(fā)現(xiàn)用瀝青溫度和碾壓遍數(shù)能更有效地對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行評(píng)估． 基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， Yohana Ribas等［14］采用馬歇爾壓路機(jī)得到了瀝青混合料的成型試樣， 發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實(shí)儀和旋轉(zhuǎn)擊實(shí)儀的代表性最佳． Wan等［15］認(rèn)為在較低的頻率下實(shí)施多次壓實(shí)可提高壓實(shí)效率， 據(jù)此史妍妮等［16］發(fā)現(xiàn)AC-20瀝青混合料的高效壓實(shí)攤鋪頻率為33～49 Hz， 最佳攤鋪速度為2 m/min． 上述研究對(duì)于豐富和完善瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量控制具有積極意義．

然而， 以上研究多單一地對(duì)瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化、 壓實(shí)影響因素或碾壓機(jī)械效率等進(jìn)行分析． 理論研究和工程實(shí)踐表明， 瀝青混合料的碾壓溫度一般根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值， 但在惡劣環(huán)境下， 不同的瀝青混合料具有不同的壓實(shí)降溫特性， 達(dá)到目標(biāo)密實(shí)度的最佳碾壓溫度也并不相同， 由此導(dǎo)致采用規(guī)范進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值的做法存在明顯的主觀性、 經(jīng)驗(yàn)性缺陷．

對(duì)此， 本文以壓實(shí)過(guò)程中的碾壓溫度為切入點(diǎn)， 對(duì)川藏過(guò)渡區(qū)不同氣溫和風(fēng)速環(huán)境下不同瀝青混合料的降溫規(guī)律開(kāi)展足尺度試驗(yàn)研究， 并基于時(shí)溫等效原則及多因素方差分析研究氣溫、 風(fēng)速及混合料類型對(duì)降溫速率及有效壓實(shí)時(shí)間的影響規(guī)律， 基于壓實(shí)等效原則建立室內(nèi)擊實(shí)溫度與壓實(shí)溫度（攤鋪、 初壓、 復(fù)壓、 終壓）間的關(guān)系， 進(jìn)而量化攤鋪溫度及碾壓溫度， 以期為不同氣溫和風(fēng)速環(huán)境下瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量控制提供相關(guān)參考．

1 原材料及現(xiàn)場(chǎng)鋪筑

依托現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體工程開(kāi)展足尺度試驗(yàn)研究． 綜合考慮地形、 地貌以及工程地質(zhì)條件等因素， 在由四川省蜀道集團(tuán)投資建設(shè)的德昌至?xí)砀咚俟稬M3標(biāo)段的主線上共選取3個(gè)直線鋪筑試驗(yàn)段， 長(zhǎng)度分別為500，300，800 m， 累計(jì)長(zhǎng)度為1 600 m， 地點(diǎn)分別位于愛(ài)國(guó)村、 沙壩村和高家村， 圖1所示為位于愛(ài)國(guó)村的鋪筑試驗(yàn)段． 鋪層為上、 中、 下共3個(gè)層位， 厚度分別為4，6，6 cm． 瀝青混合料共3個(gè)類型， 即： SMA-13、 AC-20及AC-20C， 瀝青及用量分別為90#SBS改性瀝青5.9%、 90#SBS改性瀝青4.1%以及70#基質(zhì)瀝青4.1%． 礦質(zhì)混合料的級(jí)配見(jiàn)表1．

選擇非降雨日開(kāi)展鋪筑施工， 并在每個(gè)鋪筑現(xiàn)場(chǎng)搭建移動(dòng)式罩棚以便做好防雨準(zhǔn)備． 采用間歇式拌和機(jī)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行拌制． 為了便于施工及保證施工的連續(xù)穩(wěn)定性， 采用5輛與攤鋪機(jī)相匹配的自卸式汽車進(jìn)行前后搭接運(yùn)輸， 且在裝料前在車廂板表面均勻噴灑一層防黏隔離劑， 同時(shí)采用小堆裝料以減少集料離析．

采用履帶式攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪， 預(yù)先采用防黏隔離劑對(duì)攤鋪機(jī)的料斗內(nèi)表面進(jìn)行刷涂以防止黏結(jié)成硬塊． 單臺(tái)攤鋪機(jī)的鋪筑寬度為6 m， 同時(shí)采用2臺(tái)攤鋪機(jī)以前后10～15 m的間距實(shí)施錯(cuò)位梯隊(duì)式同步攤鋪， 左右兩幅的搭接攤鋪寬度為15～30 cm， 且上、 下層的鋪筑搭接位置需錯(cuò)開(kāi)40 cm． 每臺(tái)攤鋪機(jī)的攤鋪速度為2～4 m/min， 采用自動(dòng)找平方式進(jìn)行找平， 下面層采用鋼絲繩引導(dǎo)實(shí)施高程控制， 上面層采用平衡梁輔助攤鋪． 由于采用機(jī)械攤鋪， 瀝青混合料的松鋪系數(shù)取1.25． 采用12 t鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓， 初壓時(shí)的碾壓速度控制在1.5～2.0 km/h， 復(fù)壓和終壓時(shí)的碾壓速度均控制在2.5～3.0 km/h． 現(xiàn)場(chǎng)碾壓均為靜壓， 其中初次碾壓和終止碾壓的次數(shù)均為2遍， 復(fù)壓為3～5遍．

2 瀝青混合料壓實(shí)降溫特性

依據(jù)時(shí)溫等效原則， 通過(guò)足尺度試驗(yàn)監(jiān)測(cè)壓實(shí)過(guò)程中瀝青混合料在不同氣溫風(fēng)速下的降溫規(guī)律和有效壓實(shí)時(shí)間， 并對(duì)影響因素（氣溫、 風(fēng)速及混合料類型）進(jìn)行敏感性分析．

2.1 試驗(yàn)方案

采用手持式氣象站對(duì)氣溫及風(fēng)速實(shí)施監(jiān)測(cè)， 采用插入式溫度計(jì)通過(guò)點(diǎn)測(cè)法獲得路面的內(nèi)部溫度［17-18］． 試驗(yàn)中同時(shí)考慮氣溫和風(fēng)速2個(gè)環(huán)境因素， 為了合理地對(duì)氣溫和風(fēng)速進(jìn)行確定， 經(jīng)與當(dāng)?shù)貧庀蟛块T協(xié)商后獲得了20年的氣溫和風(fēng)速數(shù)據(jù)． 經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析， 以5 ℃為梯度共設(shè)置3個(gè)氣溫段， 即： 5～10 ℃、 10～15 ℃、 15～20 ℃； 以3 m/s為梯度共設(shè)置3個(gè)風(fēng)速段， 即： 0～3 m/s（微風(fēng)）、 3～6 m/s（中風(fēng)）及6～9 m/s（大風(fēng)）．

沿橫斷面方向共均勻布置5個(gè)插入式溫度計(jì)， 橫向布置間距視斷面實(shí)際寬度而定， 插入深度為鋪層厚度的中點(diǎn)． 為了防止施工破壞以及提高數(shù)據(jù)的代表性， 同時(shí)對(duì)3組橫斷面實(shí)施監(jiān)測(cè)， 保證每次可得到不少于15個(gè)溫度數(shù)據(jù)并取其平均值為最終值， 且每隔一分鐘即讀取一次數(shù)據(jù)， 從而完成對(duì)攤鋪壓實(shí)階段路面溫度降至90 ℃時(shí)的溫度變化規(guī)律實(shí)施監(jiān)測(cè)．

2.2 壓實(shí)降溫特性分析

2.2.1 不同氣溫下壓實(shí)降溫規(guī)律

不同氣溫下， SMA-13、 AC-20C及AC-20共3種瀝青混合料在攤鋪壓實(shí)過(guò)程中的降溫變化分別如圖2～圖4所示．

由圖2a可知， 當(dāng)風(fēng)速為0～3 m/s時(shí)， 在0～3 min內(nèi)， 降溫速率明顯快于后期， 氣溫越低則降溫速率越快． 從第3 min開(kāi)始， SMA-13在15～20 ℃時(shí)的降溫速率明顯小于5～10 ℃和10～15 ℃時(shí)的降溫速率； 在3～12 min內(nèi)， 氣溫在5～10 ℃與10～15 ℃時(shí)的降溫速率相當(dāng)， 其原因在于該階段已經(jīng)基本完成了初次碾壓并形成了相對(duì)致密的結(jié)構(gòu)； 在第12 min后， 當(dāng)氣溫低于15 ℃時(shí)， SMA-13瀝青混合料降溫顯著， 其有效壓實(shí)時(shí)間將縮短達(dá)10～15 min以上．

由圖2b可知， 當(dāng)風(fēng)速為3～6 m/s時(shí)， 在0～3 min內(nèi)， 氣溫為5～10 ℃及10～15 ℃時(shí)混合料的降溫速率大． 當(dāng)氣溫為15～20 ℃時(shí)， 降溫速率明顯小于氣溫為5～10 ℃及10～15 ℃時(shí)． 另外可以看到， 當(dāng)風(fēng)速為3～6 m/s時(shí)， SMA-13在不同氣溫下的有效壓實(shí)時(shí)間變化不大， 表明風(fēng)速的影響明顯強(qiáng)于氣溫．

由圖3可知， 在0～3 min內(nèi)， 氣溫越低， 則AC-20C降溫越快； 在第3 min后， 隨著氣溫逐漸升高， 降溫速率越緩． 此外， 可以看到從第7 min開(kāi)始， 在氣溫為10～15 ℃及15 ℃～20 ℃時(shí)AC-20C的降溫速率均變緩， 由此可見(jiàn)當(dāng)風(fēng)速小于6 m/s、 氣溫大于5 ℃時(shí)， AC-20C的有效壓實(shí)時(shí)間是能滿足攤鋪和碾壓要求的．

AC-20瀝青混合料在攤鋪壓實(shí)過(guò)程中的降溫變化如圖4所示． 可以看到， 在0～3 min內(nèi)， 當(dāng)氣溫為5～10 ℃時(shí)， AC-20瀝青混合料的降溫速率明顯比其他氣溫時(shí)更快． 當(dāng)氣溫小于10 ℃時(shí)， 在碾壓初期其內(nèi)部溫度的影響變化顯著， 從第7 min后隨著氣溫的逐漸升高， AC-20瀝青混合料的降溫速率明顯變緩， 有效壓實(shí)時(shí)間差值較小， 表明氣溫對(duì)AC-20瀝青混合料的影響較小．

2.2.2 不同風(fēng)速下壓實(shí)降溫規(guī)律

在壓實(shí)過(guò)程中， 風(fēng)速對(duì)瀝青混合料內(nèi)部的降溫變化如圖5、 圖6所示．

由圖5可知， 當(dāng)風(fēng)速為3～6 m/s時(shí)， SMA-13的降溫速率明顯高于風(fēng)速為0～3 m/s時(shí)的降溫速率， 且隨著風(fēng)速逐漸增大， SMA-13瀝青混合料的降溫愈發(fā)顯著． 當(dāng)氣溫為15～20 ℃時(shí)， 風(fēng)速為0～3 m/s時(shí)的有效壓實(shí)時(shí)間是風(fēng)速為3～6 m/s時(shí)的1.7倍， 可見(jiàn)該氣溫下風(fēng)速對(duì)SMA-13的降溫影響顯著； 當(dāng)氣溫分別為5～10 ℃及10～15 ℃， 風(fēng)速為0～3 m/s時(shí)SMA-13的有效壓實(shí)時(shí)間約為風(fēng)速為3～6 m/s時(shí)的1.25倍及1.4倍， 可見(jiàn)氣溫越高， 風(fēng)速對(duì)SMA-13的影響越大． 當(dāng)氣溫為15～20 ℃時(shí)， SMA-13從100 ℃降至90 ℃， 風(fēng)速為0～3 m/s時(shí)的降溫速率明顯小于3～6 m/s時(shí)的降溫速率， 有效壓實(shí)時(shí)間減少約10 min， 表明風(fēng)速對(duì)SMA-13終壓階段的影響是顯著的．

由圖6可知， 當(dāng)風(fēng)速為3～6 m/s時(shí)， AC-20C瀝青混合料在初壓及復(fù)壓階段的降溫與風(fēng)速為0～3 m/s時(shí)相比不顯著． 當(dāng)溫度降至110 ℃～90 ℃（終壓階段）時(shí)， 隨著風(fēng)速逐漸增大， AC-20C瀝青混合料的降溫越明顯， 其有效壓實(shí)時(shí)間的降低越顯著． 可見(jiàn)， 在初壓及復(fù)壓階段， 風(fēng)速對(duì)AC-20C瀝青混合料的降溫影響并不顯著， 而在壓實(shí)后期， 風(fēng)速對(duì)AC-20C瀝青混合料的降溫影響顯著．

2.2.3 不同混合料類型壓實(shí)降溫規(guī)律

在同等環(huán)境條件下， 不同瀝青混合料在攤鋪壓實(shí)過(guò)程中其內(nèi)部的降溫變化見(jiàn)圖7． 由圖7可知， 在0～9 min內(nèi)， AC-20C瀝青混合料的降溫速率明顯高于AC-20瀝青混合料； 在第9 min后， AC-20C瀝青混合料與AC-20瀝青混合料的降溫速率相當(dāng)， 說(shuō)明在攤鋪碾壓的初期階段， 2種混合料的熱擴(kuò)散有差異， 混合料本身熱物性參數(shù)對(duì)攤鋪碾壓初期階段具有顯著影響， 表明在該階段， 改性瀝青混合料的熱擴(kuò)散明顯快于基質(zhì)瀝青混合料．

2.3 多因素敏感性分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案， 基于實(shí)測(cè)氣溫、 風(fēng)速及混合料類型對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間的影響實(shí)施SPSS多因素方差正交分析． 需要說(shuō)明的是， SPSS是成熟的多因素方差分析方法， 已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可及應(yīng)用， 其原理詳見(jiàn)相關(guān)教材， 此處不再贅述．

2.3.1 確定影響因素及其水平

將影響因素劃分為2類， 累計(jì)共7個(gè)影響因素． 第一類是單一影響因素， 共3個(gè)， 即： 氣溫（A）、 風(fēng)速（B）以及混合料類型（C）； 第二類是耦合影響因素， 共4個(gè)， 即： 氣溫amp;風(fēng)速（D）、 氣溫amp;混合料類型（E）、 風(fēng)速amp;混合料類型（F）以及氣溫amp;風(fēng)速amp;混合料類型（G）．

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料， 氣溫和風(fēng)速均有3個(gè)變化梯度， 故第一類影響因素的水平數(shù)為3， 其水平取值如表2所示．

2.3.2 確定分析模型

采用IBM公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的SPSS統(tǒng)計(jì)程序?qū)嵤┒嘁蛩胤讲罘治觯?根據(jù)該程序的操作規(guī)程， 在確定好影響因素及其水平后， 需要選擇合適的數(shù)據(jù)分析模型實(shí)施分析． SPSS程序中共包含3種數(shù)據(jù)分析模型， 即： 一般線性模型、 廣義線性模型以及混合模型． 實(shí)踐表明， 采用一般線性模型中的多變量分析方程即可完成大多數(shù)多因素方差分析， 且具有迭代累積誤差小、 收斂速度快的優(yōu)勢(shì)， 故選用一般線性模型中的多變量分析方程對(duì)方差、 均值以及F值等進(jìn)行分析． 以A、 B兩因素方差分析為例， 其模型方程如下式所示：

Xijk=μ+αi+βj+αiβj+εijk（1）

式中： Xijk為第k次迭代時(shí)第i組的第j個(gè)觀察值， 無(wú)量綱； μ為總體的平均水平值， 無(wú)量綱； αi為因素A在i水平下的附加效應(yīng)， 無(wú)量綱； βj為因素B在j水平下的附加效應(yīng)， 無(wú)量綱； αiβj為A、 B兩因素的耦合效應(yīng)， 無(wú)量綱； εijk為隨機(jī)誤差變量， 無(wú)量綱．

2.3.3 實(shí)施分析

完成上述步驟后， 只需按照程序的提示執(zhí)行操作即可完成分析過(guò)程并得到結(jié)果， 如表3所示．

由表3可知， 氣溫、 風(fēng)速及混合料類型對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間的影響顯著． 依據(jù)F值可以看到， 單一因素中的敏感性排序?yàn)椋?C＞B＞A； 兩因素相組合的敏感性排序?yàn)椋?D＞E＞F． 可見(jiàn)， 對(duì)于瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中的降溫及有效壓實(shí)時(shí)間， 應(yīng)重視不同混合料類型的差異帶來(lái)的壓實(shí)降溫特性差異， 并同時(shí)考慮氣溫和風(fēng)速的綜合作用對(duì)壓實(shí)降溫的影響． 此外， 在施工中還需根據(jù)混合料的不同類型及環(huán)境條件實(shí)施分類鋪筑施工， 從而保證壓實(shí)效率．

3 瀝青混合料最佳擊實(shí)溫度

3.1 試驗(yàn)方案

理論研究和工程實(shí)踐表明［19-20］， 室內(nèi)擊實(shí)溫度是保證瀝青混合料密實(shí)度及施工壓實(shí)質(zhì)量的有效評(píng)價(jià)依據(jù)． 為了合理確定瀝青混合料在施工過(guò)程中的攤鋪及碾壓溫度， 依據(jù)壓實(shí)等效原則， 分別對(duì)SMA-13、 AC-20C和AC-20瀝青混合料開(kāi)展變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)． 依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）［21］對(duì)不同層位碾壓溫度的推薦值， 以5 ℃為試驗(yàn)溫度梯度對(duì)不同瀝青混合料的室內(nèi)擊實(shí)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)．

其中， 上面層為SMA-13， 厚度為4 cm， 集料為玄武巖， 瀝青為90#SBS改性瀝青， 油石比為5.9%， 以155 ℃，160 ℃，165 ℃，170 ℃，175 ℃共5個(gè)溫度進(jìn)行馬歇爾變溫?fù)魧?shí)． 中面層為AC-20C， 厚度為6 cm， 集料為石灰?guī)r， 瀝青為90#SBS改性瀝青， 油石比為4.1%， 以155 ℃，160 ℃，165 ℃，170 ℃，175 ℃共5個(gè)溫度進(jìn)行擊實(shí)． 下面層為AC-20， 厚度為6 cm， 集料為石灰?guī)r， 瀝青為中海牌70#基質(zhì)瀝青， 油石比為4.1%， 以140 ℃，145 ℃，150 ℃，155 ℃，160 ℃共5個(gè)溫度進(jìn)行擊實(shí)．

3.2 確定最佳擊實(shí)溫度

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［22］的規(guī)定， 利用式（2）對(duì)不同擊實(shí)溫度下瀝青混合料的空隙率進(jìn)行計(jì)算， 結(jié)果如表4所示．

e=1-σ1σ2×100%（2）

式中： e為孔隙率， 無(wú)量綱； σ1為毛體積密度（g/mm3）； σ2為最大理論密度（g/mm3）， 用下式進(jìn)行計(jì)算：

σ2=100100σ′+mσ3（3）

式中： σ′為集料的有效相對(duì)密度（g/mm3）； m為瀝青用量（g）； σ3為瀝青在25 ℃時(shí)的密度（g/mm3）．

利用最小二乘法對(duì)表4中由試驗(yàn)所得空隙率進(jìn)行直線擬合， 得到不同瀝青混合料空隙率與擊實(shí)溫度之間的擬合關(guān)系， 如圖9所示．

由表4、 圖9可知： 隨著擊實(shí)溫度的逐漸升高， 瀝青混合料的空隙率不斷降低， 擊實(shí)溫度越高則瀝青混合料越密實(shí)、 空隙率越小． 然而理論研究和實(shí)踐均表明［23-24］， 當(dāng)熱拌瀝青混合料溫度過(guò)高時(shí)， 易引起瀝青老化， 進(jìn)而影響瀝青的耐久性和使用性能． 依據(jù)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)以及空隙率驗(yàn)證結(jié)果， SMA-13混合料上面層的最佳空隙率為3.5%， AC-20C、 AC-20混合料上面層的最佳空隙率均為3.7%． 以最佳空隙率為控制指標(biāo)， 通過(guò)擬合可知SMA-13混合料的最佳擊實(shí)溫度為169 ℃， AC-20C混合料的最佳擊實(shí)溫度為166 ℃， AC-20混合料的最佳擊實(shí)溫度為152 ℃．

3.3 路用性能評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證最佳擊實(shí)溫度下熱拌瀝青混合料路用性能是否良好， 采用車轍試驗(yàn)、 低溫小梁彎曲試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)對(duì)其路用性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)， 試驗(yàn)結(jié)果如表5所示． 可以看到， 在最佳擊實(shí)溫度下， 各瀝青混合料的高溫、 低溫及水穩(wěn)定性能均良好， 能滿足規(guī)范要求， 這為確定各瀝青混合料的攤鋪碾壓溫度提供了初步依據(jù)．

4 攤鋪及碾壓溫度

4.1 攤鋪至初壓階段降溫速率

采用插入式溫度計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)攤鋪壓實(shí)階段進(jìn)行降溫監(jiān)測(cè)， 同時(shí)考慮氣溫和風(fēng)速2個(gè)環(huán)境因素． 根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑臍鉁睾惋L(fēng)速統(tǒng)計(jì)資料， 設(shè)置5～10 ℃， 10～15 ℃， 15～20 ℃共3個(gè)溫度梯度以及0～3 m/s， 3～6 m/s， 6～9 m/s共3個(gè)風(fēng)速梯度． 采用手持式氣象站對(duì)最佳擊實(shí)溫度下3種瀝青混合料在攤鋪、 初壓階段（前3 min）的平均降溫速率實(shí)施監(jiān)測(cè)， 結(jié)果如圖10所示．

試驗(yàn)結(jié)果表明， 從攤鋪至初壓階段， 風(fēng)速的影響大于氣溫． 在相同氣溫條件下， 隨著風(fēng)速的增大， 混合料的降溫速率越來(lái)越大． SMA-13在氣溫為5～10 ℃、 風(fēng)速為6～9 m/s的環(huán)境下， 降溫速率達(dá)15.3 ℃/min， 約為氣溫為5～10 ℃、 風(fēng)速為0～3 m/s時(shí)降溫速率的1.8倍． 可見(jiàn)在低溫時(shí)， 風(fēng)速對(duì)初壓階段溫度的損失影響極大． 此外， AC-20C的降溫速率明顯高于AC-20， 說(shuō)明在初壓階段， 改性瀝青混合料的熱擴(kuò)散過(guò)程快于普通瀝青混合料． 綜上所述， 在初壓階段， 瀝青混合料的平均降溫速率從高到低的順序依次為： SMA-13＞AC-20C＞AC-20．

4.2 最佳擊實(shí)溫度與攤鋪碾壓溫度計(jì)算模型

李銳鐸等［25］的研究表明， 基于分?jǐn)?shù)階理論， 熱拌瀝青混合料的溫度場(chǎng)特征與初始溫度、 靜置時(shí)間、 日照強(qiáng)度以及地形系數(shù)等具有如下式所示的關(guān)系：

Ti=ηΔtpt+Tj0（4）

式中： Ti為i時(shí)刻瀝青混合料的溫度（℃）； η為地形系數(shù)， 無(wú)量綱， 表征地形對(duì)溫度變化的增量效應(yīng)； Δt為環(huán)境中的靜置時(shí)間（min）； p為太陽(yáng)輻射量（MJ/m2）； j為風(fēng)力效應(yīng)系數(shù)， 表征環(huán)境風(fēng)對(duì)溫度場(chǎng)的變化效應(yīng)， 無(wú)量綱； Tj0為瀝青混合料在風(fēng)力系數(shù)j條件下的初始溫度（℃）．

根據(jù)《太陽(yáng)能資源測(cè)量 總輻射》（GB/T 31156—2014）［26］的規(guī)定， 在平坦、 開(kāi)闊的地形條件下， 地形系數(shù)η以及風(fēng)力效應(yīng)系數(shù)j的取值均為 即視為無(wú)增量效應(yīng)． 據(jù)此， 可將式（4）改寫為如下形式：

Ti=Δtpt+T0（5）

式中： 太陽(yáng)輻射量p對(duì)時(shí)間t求一階偏導(dǎo)數(shù)， 其結(jié)果表征太陽(yáng)輻射量隨時(shí)間的變化率， 即： 降溫速率． 本次鋪筑試驗(yàn)段均位于同一地區(qū)， 故日光輻射率、 水熱傳導(dǎo)系數(shù)等均為等值常量， 對(duì)時(shí)間t求一階偏導(dǎo)數(shù)后， 日光輻射率、 水熱傳導(dǎo)系數(shù)等偏導(dǎo)數(shù)分項(xiàng)結(jié)果均為0， 此時(shí)降溫速率為一個(gè)不帶隱函數(shù)的單變量． 為此， 引入?yún)?shù)V用于表征該降溫速率． 此時(shí)， 可將式（5）改寫為如下形式：

Ti=ΔtV+T0（6）

為此， 根據(jù)上述實(shí)際監(jiān)測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果， 以最佳擊實(shí)溫度為基準(zhǔn)綜合考慮當(dāng)?shù)氐慕禍厮俾剩?可建立攤鋪溫度的估算模型， 如下式所示：

T1=（t3-t2）V+T0（7）

T2=（t2-t1）V+T1（8）

式中： T2為攤鋪溫度上限值（℃）； T1為攤鋪溫度下限值或稱為初壓階段上限值（℃）； T0為最佳擊實(shí)溫度值（℃）； V為攤鋪至初壓階段的平均降溫速率（℃/min）； t1為攤鋪時(shí)刻（min）； t2為初次碾壓時(shí)刻（min）； t3為初壓完成時(shí)刻（min）．

聯(lián)合式（7）、 式（8）， 同時(shí)結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中終壓溫度不低于90 ℃的規(guī)定， 可得： 攤鋪溫度為T1～T2， 初壓溫度為T0～T 復(fù)壓溫度為90 ℃～T0， 終壓溫度≥90 ℃．

4.3 確定攤鋪及碾壓溫度

工程實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明， 在低溫下實(shí)施緊湊碾壓時(shí)， 從攤鋪至初壓完成大約需用時(shí)2 min． 為滿足低溫下對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的控制要求， 依據(jù)圖9和圖10的結(jié)果， 聯(lián)合式（7）、 式（8）可推算得到不同鋪層混合料在不同氣溫及風(fēng)速下各個(gè)階段的碾壓溫度值（表6）．

結(jié)合表6及圖10可知， 對(duì)于SMA-13熱拌瀝青混合料， 當(dāng)氣溫為5～15 ℃、 風(fēng)速＞3 m/s時(shí)， 由于碾壓溫度過(guò)高， 考慮運(yùn)輸過(guò)程中的溫度損失， 拌合溫度將達(dá)200 ℃， 容易產(chǎn)生廢料或?yàn)r青老化， 進(jìn)而導(dǎo)致耐久性變差， 故不宜開(kāi)展鋪筑施工． 在工期緊的情況下， 可采用熱拌溫鋪技術(shù)降低最佳擊實(shí)溫度及施工碾壓溫度， 通過(guò)延長(zhǎng)有效壓實(shí)時(shí)間來(lái)達(dá)到預(yù)期壓實(shí)效果． 此外， 通過(guò)嚴(yán)格控制各個(gè)階段的鋪筑溫度、 提高碾壓效率， 可彌補(bǔ)低溫大風(fēng)造成的溫度損失， 能有效保證瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量．

4.4 有效壓實(shí)時(shí)間

依據(jù)表6設(shè)定的攤鋪及碾壓溫度， 對(duì)SMA-13、 AC-20C及AC-20瀝青混合料在不同氣溫和風(fēng)速下的有效壓實(shí)時(shí)間進(jìn)行足尺度試驗(yàn)監(jiān)測(cè)， 結(jié)果如圖11所示． 由圖11a可知， 當(dāng)氣溫小于15 ℃、 風(fēng)速大于3 m/s時(shí)， SMA-13的有效壓實(shí)時(shí)間小于20 min， 不能滿足鋪筑壓實(shí)施工的時(shí)間要求． 由圖11b和圖11c可知， 當(dāng)AC-20C及AC-20瀝青混合料的鋪層厚度為6 cm時(shí)， 在低溫大風(fēng)下能滿足鋪筑壓實(shí)施工時(shí)所需的時(shí)間（＞20 min）， 通過(guò)優(yōu)化壓實(shí)機(jī)械效率可保證正常施工．

SMA-13瀝青混合料具有骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)， 集料采用的是間斷型級(jí)配， 由此使得大小孔隙依次被填充， 集料之間的摩擦接觸和咬合接觸更加優(yōu)越， 且多采用風(fēng)化程度弱、 硬度高、 強(qiáng)度大的巖漿巖類石料（如玄武巖）， 易形成大量的三鋼片式鎖閉結(jié)構(gòu)． 此時(shí)若集料之間的黏結(jié)性和包裹度不佳， 將難以被壓實(shí)， 故需要適當(dāng)?shù)靥岣吣雺簻囟纫栽鰪?qiáng)瀝青的軟化性、 滲透性． 上述分析也表明SMA-13瀝青混合料具有最高的碾壓溫度， 這也意味著在快速降溫環(huán)境下， 瀝青的軟化性、 滲透性容易下降而稠度上升， 進(jìn)而難以被壓實(shí)． 因此對(duì)于SMA-13瀝青混合料， 在壓實(shí)施工過(guò)程中需要特別注意保證其碾壓溫度并規(guī)避快速降溫環(huán)境．

與AC-20瀝青混合料相比， AC-20C瀝青混合料雖然也采用連續(xù)型級(jí)配， 屬于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)， 但粗集料大顆粒含量更多， 抗車轍能力更強(qiáng)， 由此也使其骨架抗力強(qiáng)于AC-20瀝青混合料． 在最大粒徑相同的情況下， 其內(nèi)部空隙之間的貫通性以及與外界的連通性亦強(qiáng)于AC-20瀝青混合料， 導(dǎo)致在相同的氣溫和風(fēng)速條件下， 其降溫速率更快， 也更不容易被壓實(shí)． 因此， 兩者相比之下， 在工程實(shí)踐中AC-20C瀝青混合料需要更高的碾壓溫度且對(duì)氣溫和風(fēng)速的要求更高． 另一方面， 也意味著當(dāng)在風(fēng)速大、 氣溫低的條件下， 易致碾壓溫度下降過(guò)快， 此時(shí)需特別注意要通過(guò)提高壓實(shí)機(jī)械效率來(lái)保證壓實(shí)質(zhì)量．

5 結(jié)論

1） 基于室內(nèi)馬歇爾變溫?fù)魧?shí)試驗(yàn)， 得到SMA-13、 AC-20C及AC-20瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中的最佳碾壓溫度分別為169 ℃，166 ℃，152 ℃． 當(dāng)氣溫為5～15 ℃、 風(fēng)速大于3 m/s時(shí)， 不宜開(kāi)展SMA-13瀝青混合料鋪筑施工． 當(dāng)風(fēng)速小于6 m/s、 氣溫大于5 ℃時(shí)， AC-20C及AC-20瀝青混合料在鋪層為6 cm時(shí)能正常攤鋪和碾壓， 但當(dāng)風(fēng)速大于6 m/s、 氣溫為5～10 ℃時(shí)， 需提升壓實(shí)機(jī)械效率以保證壓實(shí)質(zhì)量．

2） 在碾壓初期的0～3 min內(nèi)， 風(fēng)速對(duì)SMA-13瀝青混合料的影響大于AC-20C及AC-20， 降溫可達(dá)15～30 ℃； 在初壓階段， 平均降溫速率的高低順序依次為SMA-13＞AC-20C＞AC-20； 在同等條件下， 改性瀝青混合料AC-20C在初壓階段的熱擴(kuò)散過(guò)程快于基質(zhì)瀝青混合料AC-20．

3） 氣溫、 風(fēng)速及混合料類型對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間的影響是顯著的． 單因素敏感性排序?yàn)椋?混合料類型＞風(fēng)速＞氣溫， 兩因素組合的敏感性排序?yàn)椋?氣溫amp;風(fēng)速＞氣溫amp;混合料類型＞風(fēng)速amp;混合料類型．

4） 現(xiàn)場(chǎng)鋪筑所用瀝青混合料均由設(shè)計(jì)所定， 今后可繼續(xù)對(duì)其他類型的瀝青混合料進(jìn)行分析研究； 鋪筑時(shí)的壓實(shí)機(jī)械類型是不變的， 可考慮采用多種具有不同壓實(shí)功的機(jī)械實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)鋪筑并分析其壓實(shí)特性， 這也是接下來(lái)需要繼續(xù)研究的重要工作．

參考文獻(xiàn)：

［1］

姚潔， 邱勁． 基于SSA-BP算法的道路交通流量預(yù)測(cè)研究 ［J］． 西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2022， 44（10）： 193-201．

［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．

［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．

［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．

［5］ 洪正強(qiáng)， 鄭彬雙， 陳嘉穎， 等． 基于車輛行駛穩(wěn)定性的瀝青路面車轍閾值 ［J］． 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2020， 41（6）： 718-725．

［6］ 司偉， 張博文， 楊若聰， 等． 青藏高寒區(qū)基于真實(shí)環(huán)境凍融作用的瀝青混合料凍融疲勞破壞表征 ［J］． 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2023， 43（3）： 11-21．

［7］ 李寧利， 王猛， 趙新坡． 橡塑合金改性瀝青混合料路用性能研究 ［J］． 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)， 2022， 45（11）： 46-58．

［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．

［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， 202 289： 123164．

［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．

［11］王黎明， 李崟． 熱態(tài)瀝青混合料鋪筑熱擴(kuò)散影響因素分析 ［J］． 科學(xué)技術(shù)與工程， 2019， 19（36）： 307-314．

［12］劉聶玚子， 王元慶， 劉洪海， 等． 瀝青路面攤鋪碾壓過(guò)程能耗模型與節(jié)能技術(shù) ［J］． 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2023， 55（7）： 80-86．

［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， 202 301： 124125．

［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．

［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．

［16］史妍妮， 劉洪海， 高新民， 等． 瀝青路面高密實(shí)度攤鋪工藝參數(shù)研究 ［J］． 振動(dòng)與沖擊， 2022， 41（2）： 240-245．

［17］馬子媛， 李海蓮， 藺望東． 基于層次變權(quán)未確知理論的瀝青路面預(yù)養(yǎng)護(hù)評(píng)價(jià)模型 ［J］． 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 202 44（12）： 1668-1675．

［18］陳岳峰． 基于MEPDG的組合式基層瀝青路面車轍預(yù)估 ［J］． 公路交通科技， 2020， 37（12）： 15-23．

［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．

［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．

［21］中華人民共和國(guó)交通部． 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范： JTG F40—2004 ［S］． 北京： 人民交通出版社， 2005．

［22］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部． 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程： JTG E20—2011 ［S］． 北京： 人民交通出版社， 2011．

［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．

［24］李強(qiáng)， 陸楊， 王家慶， 等． 溫拌再生瀝青膠結(jié)料二次老化性能 ［J］． 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2022， 22（4）： 102-116．

［25］李銳鐸． 基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)理論的瀝青混合料力學(xué)特性 ［M］． 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2019．

［26］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)． 太陽(yáng)能資源測(cè)量 總輻射： GB/T 31156—2014 ［S］． 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2015．

責(zé)任編輯 柳劍