沥青路面有效压实时间确定方法

李汉光，高 英，张李明，施 炎（.徐州市高速公路建设指挥部，江苏 徐州 00；.东南大学交通学院，江苏 南京 0096；.天津市市政工程设计院，天津 0005）



沥青路面有效压实时间确定方法

李汉光1，高 英2，张李明3，施 炎2
（1.徐州市高速公路建设指挥部，江苏 徐州 22100；2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096；3.天津市市政工程设计院，天津 300051）

沥青路面使用性能与路面压实质量密切相关，碾压工作须在有效压实时间内完成。文章通过对试验路现场实测，得到了沥青混合料在碾压过程中的温度下降规律；然后采用数值计算方法，得出了沥青路面有效压实时间的多因素回归公式；最后结合工程应用，提出了以下卧层表面温度确定沥青路面有效压实时间的方法。

沥青路面；有效压实时间；下卧层；表面温度

1　概述

大量的研究和实践表明，压实质量对于路面的使用性能影响巨大。沥青混合料的温度从摊铺开始就在急速下降，沥青路面的有效压实时间定义为沥青混合料从摊铺到其温度降低到继续碾压不能增加其压实为止的时间。路面的压实是在有效压实时间内完成路面的碾压，因此确定沥青路面的有效压实时间至关重要。

沥青路面有效压实时间的确定过程实际上就是确定沥青混合料摊铺碾压过程中的降温历程。在施工过程中，沥青混合料温度场分布受到诸多因素的影响，如沥青混合料类型、气温、风速等。国外对路面温度场的研究开展得较早。1957年，Barber得出了气温与太阳辐射作用下均质半无限体沥青路面的温度预估模型［1］。1998年，Hensley绘制了沥青混合料在不同厚度与气温等条件下的降温曲线［2］。近年来，国外还用红外热像仪直接观测沥青路面表面的温度变化。

国内的尹如军等人在2000年根据现场实测的数据，得到了沥青混合料有效压实时间的回归公式［3］。2006年，陈骁结合沥青混合料的粘温特性探讨了其压实过程中的降温规律［4］。2007年，王辉等人根据实测的沥青面层温度数据给出了沥青面层最高温度出现的位置［5］。朱梦良等也对沥青混合料摊铺碾压过程中温度场的变化进行了相应的研究［6-8］。

国内外的研究主要是通过沥青混合料温度的冷却速率建立模型，进而得到沥青混合料的有效压实时间。这些成果具有较好的准确度，但形式复杂，不利于施工现场环境条件变化时的及时应用。本文在前人研究的基础上，结合现场实测数据与室内模拟，给出沥青路面有效压实时间的估算公式，然后进行简化，尽量采用较少的检测，获取满足工程精度需求的沥青路面有效压实时间。

2　沥青路面碾压温度场

沥青路面的有效压实时间是指沥青混合料从摊铺的温度降至允许碾压的最低温度所需要的时间。对于常用的沥青混合料，其温度降到85 ℃左右时，碾压实际上已经不能明显地增加路面的密实度，结合施工规范，本文以沥青混合料从摊铺开始到温度降至85 ℃需要的时间定义为有效压实时间。结合京福高速公路徐州西绕城段试验路，本文测试了沥青面层层中位置在摊铺碾压过程中的温度变化，以及外界环境，包括：大气温度、太阳辐射、风速等，对沥青路面材料温度变化的影响。

2.1气温对沥青路面温度场的影响

气温的高低直接影响了沥青混合料的热量散失速度。本文在京福高速公路徐州西绕城段试验路测试了多天不同气温下沥青混合料摊铺后的温度变化情况。此处选择秋季温差较大一天的早上和中午，气温分别为23.5 ℃和33.6 ℃的两个测点，分析气温对沥青路面温度场的影响，见图1。当天风速均匀，但太阳辐射变化较大，分析时需考虑其影响。这两个测点的结构厚度相同、摊铺温度接近，可以认为不会由此造成有效压实时间的差异。

图1　不同气温条件下沥青面层层中温度场

由图1可知，沥青混合料在摊铺后最初的5 min内热量损失极大，温度急剧下降，降幅高达25 ℃左右。随着碾压工序的跟进，沥青混合料的降温幅度逐渐变缓。可见，沥青路面施工中压实过程应紧跟摊铺过程。压实开始时的温度高将有助于保证沥青路面的压实质量。

图1显示，气温较低情况下沥青混合料的降温幅度较高。尤其是在碾压开始的10 min内，两个测点的混合料温度相差接近15 ℃，并一直保持到了碾压过程结束。同时本文温度较高的测点时太阳辐射较大，同样延缓了沥青混合料温度的降低。可见，高气温明显抑制了沥青混合料的热量散失，延长沥青路面的有效压实时间。

2.2风速对沥青路面温度场的影响

风速大小也关系到沥青混合料热量的散失速度。本文选取了气温、太阳辐射及沥青混合料摊铺温度等条件相同，仅施工现场风速不同的两个测点，分析不同风速条件下沥青面层层中温度场，结果见图2。

图2 不同风速条件下沥青面层层中温度场

图2显示，风速大的情况下沥青混合料的热量散失更快、温度降幅更大。两个测点的初压温度几乎相同，但30 min后，风速大测点的沥青混合料温度已比另一测点低了近10 ℃。两测点的有效压实时间相差接近10 min。沥青路面施工遇到大风天气时，应提高碾压效率，保证压实质量。

2.3太阳辐射对沥青路面温度场的影响

太阳辐射对施工中沥青混合料温度场影响情况见图3，图中两测点的气温、结构及风速等条件皆相同。

图3　不同太阳辐射下沥青面层层中温度场

可见，太阳辐射对沥青混合料的降温速率有一定影响。碾压初始时，两测点温度相差仅1 ℃，随着沥青混合料的不断碾压，10 min后两测点混合料出现温度差，太阳辐射值大处沥青混合料温度下降幅度略为缓慢。两测点的有效压实时间相差5 min左右。

2.4厚度对沥青路面温度场的影响

其他各条件皆相同，仅沥青路面结构厚度不同的两个测点的混合料温度变化情况见图4。图4显示，沥青路面的摊铺层厚度是影响混合料温度场变化的重要因素。较厚的摊铺层明显有助于沥青混合料热量的保持，测点处混合料降温速率缓慢。随着沥青混合料越来越密实，这种保温效果更加明显，两测点的有效压实时间可相差10 min左右。薄沥青面层施工中应更注重混合料的及时碾压。

图4　不同厚度沥青面层层中温度场

3　沥青路面碾压温度场的数值模拟

沥青路面摊铺碾压过程中的温度场可以通过实测获取，符合实际情况，但在现场长期的观测中需要耗费大量的人员、物资不具备普适性。本文采用ABAQUS分析软件，对沥青路面摊铺碾压的温度场进行数值模拟考察各因素对沥青混合料温度场分布的影响。

3.1材料热特性参数

沥青路面碾压温度场数值模拟所需路面材料的热特性参数取自以往的研究成果，通过查阅路面温度场研究文献，确定路面各材料的热特性参数见表1。

表1　路面材料热物理参数取值

3.2边界条件

对于沥青路面结构，假设水平方向混合料的温度梯度为零，不予考虑侧面的边界条件，因此，路面的上表面为主要边界，底部无限深处为次要边界。

沥青路面施工过程中混合料与外界的热交换主要集中在上表面，包括吸收太阳辐射、空气对流换热及空气辐射换热；路面结构水平方向假定不存在温度梯度，侧面边界不予考虑，即认为路面结构只存在竖向的热传导；土基较深处温度波动非常小，可以视为恒温边界。因此，本研究分析沥青路面结构温度场时，各边界条件实现如下：

（1） 吸收太阳辐射

本文依托京福高速公路徐州西绕城段试验路，实地测量了摊铺碾压过程中太阳辐射值的大小变化情况，在数值模拟时采用施工期间平均值，设定沥青混合料表面吸收太阳辐射的比率为0.85。

（2） 空气对流换热和空气辐射换热

沥青路面表层和空气间存在着对流换热以及辐射换热，在ABAQUS中可以通过Surface film condition和Surface radiation to ambient定义这种热量交换情况。对流换热及辐射换热与空气温度相关，数值模拟时的气温采用工地施工时的实测值。

（3） 底部恒温边界

本次研究将路面结构底部边界视为恒温边界，取底部边界恒温T=20 ℃。在ABAQUS中通过Creat boundary condition定义底部边界条件。

设路面各结构层之间的接触良好，在界面上既无热源，也无热量损失。也即，在层间界面，上下两层的温度T及热流q是完全连续的。

3.3温度场数值模拟分析

通过有限元建模分析，可以得出在不同的外界气候因素条件下，不同类型、不同层厚的沥青混合料在摊铺后的温度下降情况，得出混合料随时间的降温规律曲线见图5、图6。

图5　不同大气温度下混合料碾压温度场

图6　不同初压温度下混合料压实温度场

通过各个单因素影响分析，初步建立了各影响因素与有效压实时间的关系，通过数理统计多元回归方法，得到有效压实时间的多元回归模型：式中：t为沥青混合料有效压实时间；x1、x2、x3、x4、x5分别为大气温度、 风速、太阳辐射、初压温度和层厚。

4　基于下卧层温度的沥青路面有效压实时间的确定

上文得到的沥青路面有效压实时间的预估公式包含多种因素，测量麻烦，应用起来比较困难。考虑到下卧层表面温度与外界条件息息相关，如能以下卧层表面温度直接代替包括太阳辐射、风速及大气温度在内的外界条件，用来计算有效压实时间，则可以节省大量的仪器准备和测试工作，只需要知道沥青层层厚和初压温度即可，有利于施工单位更便利地应用多因素回归后的有效压实时间计算公式预测混合料压实时间。

结合徐州一级公路郑集和张集两段试验路，在沥青混合料尚未摊铺路段，每隔5 min左右记录下卧层温度，并同时读取风速、大气温度及太阳辐射的测量值。共采集了近100组下卧层表面温度与外界条件的数据。

对数据进行归类分析，发现下卧层温度与大气温度、太阳辐射存在正相关关系。大气温度越高，辐射越强烈，下卧层温度越高；而风速越大，下卧层温度越低。可见，下卧层温度可以宏观体现当时当地外界气候条件。为了减少参数的获得，更方便地利用多因素回归模型计算有效压实时间，本文利用下卧层温度代替气温、风速、太阳辐射，获得沥青路面有效压实时间计算公式如下：

式中：t为沥青混合料有效压实时间；x1，x2，x3分别为下卧层温度、 初压温度和层厚。

沥青混合料的粘度随温度降低而增大，并对沥青路面的碾压产生影响，从以往研究获得的沥青粘度与温度的关系曲线，及沥青路面施工需求，可以认为在摊铺碾压过程中，10 min的时间差并不会对沥青混合料的碾压产生大的影响，是允许的误差范围。本文以试验路某一天的测试验证应用下卧层表面温度计算有效压实时间的可行性。当时气温25.7 ℃，风速2 m/s，太阳辐射700 W/m2，沥青混合料初压温度164 ℃，摊铺结构层厚度4 cm，下卧层表面温度27 ℃，采用多因素回归模型可得沥青路面有效压实时间为50.8 min，采用下卧层表面温度估算沥青路面有效压实时间为50.2 min，现场实测沥青路面有效压实时间为52 min，两种方法预估的压实时间都在可接受范围，可见采用下卧层计算得到有效压实时间的方法是可行的。

5　结论

本文通过对试验路的现场实测，得到了沥青混合料在碾压过程中的温度下降规律，然后采用数值计算方法，得出了沥青路面有效压实时间的多因素回归公式，最后结合工程实际情况，提出了以下卧层表面温度确定沥青路面有效压实时间的方法。

（1）热拌沥青混合料在摊铺后及最初的碾压过程中温度急剧下降，损失极大，在摊铺后的5 min内，一般会下降25 ℃左右，此后，温度下降幅度逐渐减小。

（2）混合料摊铺时的温度场变化与大气温度、太阳辐射及风速等因素密切相关，通过回归分析，建立了各影响因素与有效压实时间的关系，得到实用的有效压实时间预测模型。

（3）对沥青混合料有效压实时间预估公式进行了简化，获得了基于下卧层表面温度的沥青路面有效压实时间确定方法。

［1］Barber，E. S.. Calculation of Maximum Pavement Temperatures From Weather Report，Bulletin 168，1957：1-8.

［2］Hensley Jal. Establishing hot mix asphalt mixing and compaction temperature at the project level［J］. ASPHALT，1998.

［3］尹如军，李玉婷，张占军.沥青混合料有效压实时间的实测和分析［J］.公路，2001（2）:83-86.

［4］陈骁，杨平，吴亚中，等.基于粘温特性的沥青混合料施工温度指标［J］.长安大学学报，2012，32（2）：45-51.

［5］王辉，吴亮，张起森.沥青路面实测温度场的分析［C］∥中国公路学会2007年学术年会，2007.

［6］朱梦良，苏举.沥青稳定碎石（ATB30）的温度与压实的关系［J］.长沙交通学院学报，2005，21（4）：21-26.

［7］ 郑健龙，钱国平.热拌沥青混合料施工压实过程中温度场变化规律研究［D］.长沙：长沙理工大学，2009.

［8］ 刘凯.沥青路面温度场分布规律研究［D］.西安：长安大学，2010.

Calculation Method of Effective Compaction Time for Asphalt Pavement

Li Hanguang1， Gao Ying2， Zhang Liming3， Shi Yan2
（1. Xuzhou Highway Construction Management Bureau， Xuzhou 221002， China；
2. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， China；
3. Tianjing Municipal Engineering Design & Research Institute， Tianjing 300051， China）

Performance of asphalt pavement directly depended on the quality of compaction. All the compaction work should be finished in the effective compaction time. The cooling rule of asphalt mixture was got by in situ temperature measurement of test roads. The effective compaction time estimation equation was founded by numerical computation method. Based on the surface temperature of underlying layer， it recommended a calculation method of effective compaction time.

asphalt pavement； effective compaction time； underlying layer； surface temperature

U414

A

1672-9889（2016）02-0023-03

国家自然基金（项目编号：51108081）；江苏省第四期“333工程”科研资助项目

李汉光（1966-），男，江苏邳州人，教授级高级工程师，主要从事路基路面工程方面的工作。

（2015-09-28）