新铺沥青混凝土温度衰变规律及强度特性

马翔，徐成，徐旭光，孙孝语



新铺沥青混凝土温度衰变规律及强度特性

马翔1，徐成1，徐旭光2，孙孝语1

(1. 南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037； 2.江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049)

为分析新铺沥青混凝土温度变化规律及其高温稳定性，通过预埋在新成型SMA-13沥青混合料中的温度传感器测试不同厚度处的温度，并对不同环境温度条件下不同降温幅度的沥青混合料进行单轴贯入强度试验。研究结果表明：环境温度对新铺沥青混合料温度场变化规律影响显著，20 ℃中温条件下，降至表面温度50 ℃需要73 min，高温时段表面降温速率明显大于内部，而随着温度的降低表面降温速率小于内部；40 ℃高温条件下，降至表面温度50 ℃需要164 min，各测点降温速率较接近，表面温度越低降温速率越慢；不同环境温度条件下的新铺沥青混凝土表现出不同的高温稳定性，在相同表面温度条件下，环境温度越低，单轴贯入强度越低，高温稳定性越差；将路表温度达到50 ℃作为新铺路面开放交通的标准时，较低环境温度条件下，内部温度过高可能导致超早期车辙，较高环境温度条件下，内部高温持续时间长可能导致超早期车辙，需要对不同条件下沥青混凝土的高温性能开展更全面的研究以便确定开放交通的合理时机。

新铺沥青混凝土；温度场；贯入强度；开放交通时机

随着使用年限的增长，沥青路面会出现各种类型的典型病害，针对这些病害常用的养护维修方案是铣刨重铺。在铣刨重铺施工时，从交通的角度，应该尽早开放交通缩短施工对交通的影响，而从沥青混凝土的角度，应该使新铺沥青混凝土降至常温再开放交通，确保沥青混凝土不因温度过高出现失稳，公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)规定在沥青混合料表面温度低于50℃后方可开放交通，显然该标准没有确切的依据，也未区别不同的施工环境和沥青混合料类型，缺乏足够的技术支撑。沥青混合料作为一种温度敏感性材料，其强度特性与温度密切相关，新铺沥青混凝土在碾压成型过程中以及碾压完成的初期所处的温度场明显高于日常的工作状况[1]，这种碾压完成初期的高温稳定性与开放交通的时机密切相关，为了确定新铺沥青混合料开放交通的合理时机，必须在掌握其温度场衰变规律的基础上，研究其在特定温度场条件下衰变规律。沥青混合料的温度场一般采用预埋传感器的方式进行测试[2−3]，车辙试验[4]、汉堡车辙试 验[5]、局部加载试验[6−7]、动态蠕变试验[8−10]等试验方法被广泛应用于沥青混合料高温稳定性的评价，但这些试验均历时较长，不能够反映某一特定温度场条件下沥青混合料的高温稳定性，因此，需要选用快速的试验方法评价新铺沥青混凝土在特定温度场条件下的高温特性。本文通过温度传感器测试典型上面层新铺沥青混合料SMA-13的降温规律，并对不同温度场条件下的沥青混合料进行单轴贯入强度测试，评价其强度特性，为提出新铺沥青混凝土开放交通的时机提供一定的试验基础。

1 沥青混合料设计

本文对江苏省常用的上面层沥青混合料改性沥青SMA-13进行研究，所采用沥青的主要指标见表1。

表1 沥青主要指标检测结果

上面层沥青混合料采用玄武岩集料，各种矿料的技术指标均满足技术规范的要求。在原材料检测的基础上，采用马歇尔试验确定了本文SMA-13沥青混合料的级配及油石比如表2所示。

表2 沥青混合料级配及油石比

2 新铺沥青混凝土温度衰变规律

新铺沥青混凝土置于空气中时，与空气存在较大的温差，热力学第二定律指出：凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体向低温物体传递，按传热机理的不同，可以将其分为热传导、热对流和热辐射3种基本方式。在新成型沥青混凝土传热过程中，新成型沥青混凝土温度高，周围空气温度低，热量从沥青混凝土向空气中传递，这种传递方式主要是热传导[11]。研究过程中为了掌握新铺沥青混凝土温度衰变规律，通过加工的温度传感器支架将TP-01型温度传感器置于预先成型好车辙板试件之上，车辙板试件模拟施工现场保留的沥青混凝土，然后在车辙板试件上轮碾成型新铺沥青混凝土，模拟沥青路面铣刨重铺工况，新铺沥青混凝土成型好之后，将各个温度传感器与TH-TZ 8路无纸温度记录仪相连温度记录仪自动记录各个温度传感器在随后时间的温度，温度记录仪的温度采集频率为每分钟1次，基于此温度对新铺沥青混凝土的温度衰变规律进行研究。

考虑到沥青混凝土施工要求环境温度一般大于15 ℃，为此，本研究分别以20 ℃环境温度模拟中等温度施工条件、以40 ℃环境温度模拟夏季高温施工条件，研究不同外界环境温度对新铺沥青混凝土温度衰变规律。SMA-13改性沥青混凝土各测点在2种环境温度下的温度衰变规律如图1和图2所示。

图1 环境温度为20 ℃时新铺SMA-13温度衰变曲线

图2 环境温度为40 ℃时新铺SMA-13温度衰变曲线

从图1和图2可以明显看出：测试初期各测点温度并不稳定，考虑到初期温度变化规律与开放交通时机关系不显著，为此研究过程中采用表面温度100 ℃降至50 ℃的降温速率(℃/min)来评价各测点温度的衰变规律，此外，研究过程中还通过同一时间各测点间的温差来评价新铺沥青混凝土的温度场状况。具体分析参数做如下定义：

3) 表面温度为100 ℃时各测点与表面温差：Δ100

4) 表面温度为70 ℃时各测点与表面温差：Δ70

5) 表面温度为50 ℃时各测点与表面温差：Δ50

其中：试件表面温度为100 ℃时的时间为1，此时测点的温度1；

试件表面温度为70 ℃时的时间为2，此时测点的温度2；

试件表面温度为50 ℃时的时间为3，此时测点的温度3。

基于连续测量的温度数据，采用上述5个参数定义进行计算，得到改性沥青SMA-13沥青混合料在不同环境温度条件下的温度衰变参数计算值，如表3所示。

表3 不同环境温度条件下SMA-13温度衰变参数计算值

新铺沥青混凝土在厚度向的热传导可分解为如下2个方面：一方面，表层结构与空气直接接触散热导致温度降低，与此同时，表层结构对内部结构起到保温作用，使得内部结构温度高于表层温度；另一方面，由于温度差的存在内部结构对表层结构供热，内部结构对表层结构散热，表层结构从内部结构吸热，表层结构温度是对外散热和内部吸热的综合表现。基于此，对表2中的数据做如下 分析：

1) 环境温度为20 ℃的条件下，在表面温度由100 ℃降至70 ℃的过程中，上部结构对外散热量较下部结构热供给量大，上部测点降温速率明显高于下部测点，上部结构对下部结构起到保温作用，因此，新铺沥青混凝土内部温度与表面温度差值变大；在表面温度由70 ℃降至50 ℃的过程中，由于表层与环境温度差变小，内部温度与表面温度差变大，表层结构散热量较内部结构热供给量小，上部测点降温速率低于下部测点，下部结构对上部结构起到供热的作用，与此同时，热拌混合料的散失热量在混合料表面附近的空气中形成较高温屏蔽区域，保护了热混合料热量的损失[12]，因此，新铺沥青混凝土内部温度与表面温度差值变小。

2) 在环境温度为40 ℃时，上部结构散热和吸热后的综合效果依旧是散热，且其散热效果与下部结构相当，因此各测点的降温速率比较接近，各测点的温度随着表面温度的降低逐渐变小。

3) 在规范规定的开放交通时机，即表面温度达到50 ℃的条件时，在环境温度为20 ℃时，表面温度与内部温度相差10 ℃以上，在环境温度为40 ℃时，表面温度与内部温度相差2 ℃左右，由此可见，不同气候环境温度条件下，虽然新铺沥青混凝土表面温度相同，但内部温度区别明显，规范中以表面温度降至50 ℃作为统一的开放交通时机并不合理。

3 单轴贯入强度试验研究

本文研究的是特定温度场条件下沥青混合料的性能，所采用的试验必须在短时间内完成，为此，采用公路沥青路面设计规范(JTG D50—2017)附录F中沥青混合料单轴贯入强度试验方法进行不同温度场条件下SMA-13沥青混合料的单轴贯入强度，以此评价新铺沥青混凝土在不同时段的高温特性。采用下式计算标准高度沥青混合料的贯入强度：

式中：R为贯入强度，MPa；σ为贯入应力，MPa；为试件破坏时的极限荷载，N；为压头横截面面积，mm2；f为贯入应力系数，参照规范，本研究取0.22。

本文分别考虑20 ℃和40 ℃环境温度下新铺沥青混凝土不同温度场状态下的高温性能，并与恒温条件下的试件进行对比研究，依据沥青路面实际使用的高温条件，本研究选用表面温度为40，50和60 ℃ 3个温度场状态下进行单轴贯入试验。

试验过程中，采用旋转压实方法成型直径为150 mm，高度约为40 mm的圆柱形试件，对于考虑温度场的试件，成型好的试件置于沥青混凝土板上并立刻采用保温棉包裹侧面，仅上下底面传热，模拟路面上实际新铺沥青混凝土的传热方式，并连续采集表面温度，当表面温度达到预期时，立刻按照规范的方法进行单轴贯入试验。对于恒温的试件，在试件自然冷却至常温后，放入设定温度的环境箱中保温5 h后进行单轴贯入试验。

(a) 试件保温；(b) 单轴贯入试验

试验过程中每种工况采用3个平行试件进行试验，取平均值作为其单轴贯入强度，各种工况下SMA-13沥青混合料的单轴贯入强度如表4所示。

表4 不同温度条件下SMA-13沥青混合料的单轴贯入强度

从表4中的试验数据对比分析可知：

1) 相对恒温条件，温度场条件下新铺沥青混凝土表面温度达到预期温度时，其高温贯入强度明显更低，环境温度低时更显著。

2) 与新铺沥青混凝土温度衰变规律相对应可知：相对高环境温度条件，环境温度低时新铺沥青混凝土表面温度降温快，但内部与表面温差大，因此在相同的表面温度条件下，贯入强度更低。

3) 如果以表面温度作为开放交通时机的标准时，环境温度低可能因为开放交通早期内部温度较高出现高温病害，而环境温度高时可能因为内部高温条件持续时间久而出现高温病害，因此，对于不同环境温度条件下，应该综合考虑内部温度场衰变规律及其与恒温条件下沥青混合料高温性能的对比研究确定合理的开放交通时机。

4 结论

1) 环境温度对新铺沥青混凝土的温度衰变规律影响明显，环境温度为20 ℃时各测点的降温速率明显高于环境温度为40 ℃时，20 ℃时高温时段表面降温速率明显大于内部，而随着温度的降低内部对表面起到供热作用，表面降温速率小于内部，40 ℃时各测点降温速率较接近。

2) 不同环境温度条件下，即使新铺沥青混凝土表面温度相同，但内部温度区别明显，表面温度与内部温度差区别较大，环境温度为20 ℃时，表面温度降至50 ℃时内部温度约高10 ℃；环境温度较高时，表面温度与内部温度差别较小，环境温度为40 ℃时，表面温度降至50 ℃时内部温度约高2 ℃。

3) 不同环境温度条件下的新铺沥青混凝土表现出不同的高温稳定性，在相同表面温度条件下，环境温度越低，高温贯入强度越低，高温稳定性 越差。

4) 将路表温度达到50 ℃作为开放交通的标准时，较低环境温度条件下，内部温度过高可能导致超早期车辙，较高环境温度条件下，内部高温持续时间长可能导致超早期车辙，需要对不同条件下沥青混凝土的高温性能开展更全面的研究以便确定开放交通的合理时机。

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(编辑 涂鹏)

Change law of temperature and strength properties of new paving asphalt mixture

MA Xiang1, XU Cheng1, XU Xuguang2, SUN Xiaoyu1

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. Jiangsu Xiandai Road and Bridge Limited Liability Company, Nanjing, 210049, China)

To analysis the change law of temperature and high temperature stability of the new paving asphalt mixture, temperature sensors were embedded into asphalt mixture of SMA-13 at different depth to measuring temperature and uniaxial penetration test was proposed to asphalt mixture at different temperature. The results show that the environmental temperature has significant influence on the new paving asphalt mixture temperature field. At 20 ℃ temperature condition, 73 min required to reduce the surface temperature to 50 ℃. Surface cooling rate is significantly greater than internal during the period of high temperature, while surface cooling rate is less than internal with the decrease of temperature. At 40 ℃ temperature condition, 164 min required to reduce the surface temperature to 50 ℃, cooling rate of each point is close, and the lower the temperature, the slower the cooling rate. At different temperature condition, new paving asphalt mixture show different high temperature stability. The lower the ambient temperature is, the lower the uniaxial penetration strength of asphalt mixture, and high temperature stability will be worse. If the road surface temperature reaches 50 ℃ as the standard for allowing traffic to pass through the new pavement, the excessive temperature internal temperature of mixture may lead to early rutting at low ambient temperature condition, and excessive internal temperature duration may lead to early rutting at high ambient temperature condition. It is necessary to carry out more comprehensive research on the high temperature performance of asphalt concrete under different conditions to determine the reasonable time of open traffic of new paving pavement.

new paving asphalt mixture; temperature field; strength of penetration test; time of open traffic

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.009

TU528.42

A

1672 − 7029(2018)10 − 2518 − 06

2017−08−16

大学生实践创新训练计划项目(201510298036Z)

马翔(1980−)，男，湖北江陵人，副教授，博士，从事路面结构与材料研究；E−mail：mxfst@sina.com