铁路沥青混凝土温度离析控制技术研究

石越峰，蔡德钩，楼梁伟，姚建平，许俊磊，张世杰

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科特种工程技术开发公司，北京 100081; 3.京张城际铁路有限公司，北京 100070;4.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

在基床表层与轨道结构之间全断面铺设沥青混凝土，该种防水封闭结构可有效消除原有封闭体系中的结构缝和伸缩缝，可为路基提供整体化的防水保护[1-2]。沥青混凝土的材料性能与温度关系密切，其防水效果、压实质量和使用年限均与施工温度有关[3]。

沥青混凝土施工过程中的离析是造成沥青混凝土压实度不均匀、空隙率大、平整度差、水损害等早期破坏的重要原因之一，主要包括级配离析和温度离析2类。温度离析是指由于环境条件、施工条件、施工工艺等的影响，造成沥青混凝土在拌和、运输、摊铺、压实过程中温度变化而出现的明显差异性，主要表现为沥青混凝土施工温度分布不均匀。区别于级配离析，温度离析无法通过肉眼观察进行判断，在施工过程中也很难得以控制[4-8]。为满足铁路沥青混凝土长期服役性能的要求，选用铁路专用高黏沥青进行沥青混凝土的生产，相比于公路行业普遍采用的改性沥青，铁路专用高黏沥青的低温黏度更高，因此控制铁路沥青混凝土的温度离析就显得尤为重要。

依托京张城际铁路全断面沥青混凝土防水封闭结构的施工，结合铁路沥青混凝土服役寿命长的特点，本文梳理全断面沥青混凝土防水封闭结构的施工工艺，选用多种手段对沥青混凝土施工过程的温度进行监控，研究拌和、运输、摊铺、压实等施工过程中沥青混凝土的降温规律，分析施工各阶段产生温度离析的原因，最后提出控制铁路沥青混凝土温度离析的合理化建议。

1 热力学基础理论

温度场是指研究对象在某一时刻t一定范围内所有点温度分布的总称，可用时间和空间的坐标函数来描述[9]，表达式为

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

式中：Q为t时刻坐标为(x,y,z)点的温度值。

对式(1)求偏微分可知，若∂Q/∂t=0即温度不随时间的变化而变化，称为稳态温度场；若∂Q/∂t≠0，则称为非稳态温度场。

在生活中热量的传递是常见而复杂的物理现象。按照热量传递的机理不同，大致可分为热传导、热对流和热辐射3种基本热传导方式。

1)热传导。导热是指在连续介质内若有温度差存在或者两温度不同的物体直接接触时，在物体内没有可见的宏观物体流动时所发生的传热现象。热传导是通过分子、原子、电子等粒子的微观运动进行热量交换的热量传递方式。

2)热对流。在流体宏观运动情况下所发生的传热，称为热对流。一般的热对流传热分为由流体各部分的密度不同而造成的自然对流，以及有外力作用情况下引起的强制对流。

3)热辐射。物体因受热发出热辐射，高温物体向低温物体热辐射，同时低温物体向高温物体热辐射，最终结果是高温物体失去热量而低温物体得到热量。辐射传热不需要物体作传热媒介，而是依靠物体发射电磁波来传递热量。工程上的传热过程多是包括2种或3种基本传热方式的传热过程，简称综合传热[10]。

2 施工工艺

沥青混凝土防水封闭结构的施工主要包括洒布透层沥青和沥青混凝土的拌和、运输、摊铺、压实、养护。其主要施工工艺流程如图1所示。

图1 主要施工工艺流程

2.1 施工准备

做好施工前的准备工作是保证沥青混凝土质量的前提和基础。施工准备主要包括以下4个方面：①原材料进场与质量证明文件的查验。②施工机械的准备与检查。③基床表层的检查。沥青混凝土施工前，应确认基床表层的中线高程、线间高程、路肩高程、横坡、平整度等符合TB 10751—2010《高速铁路路基工程施工质量验收标准》中的规定。④洒布透层沥青。采用沥青洒布车按照1.0 kg/m2均匀喷洒透层沥青，待其充分渗透且水分蒸发，尽早进行沥青混凝土的摊铺。

2.2 沥青混凝土的拌和

采用3000型沥青混凝土拌和站(最大理论产量为240 t/h)进行沥青混凝土的集中厂拌。主要生产参数如下：骨料加热温度为190～200 ℃，铁路专用高黏沥青加热温度为180～190 ℃，拌和时间60 s，沥青混凝土的出料温度为185～195 ℃，出料温度高于200 ℃的沥青混凝土应废弃。出厂前，应逐车检测沥青混凝土的质量、温度和外观，如温度不符合要求、花白料、结团、严重离析的沥青混凝土不得出厂。

2.3 沥青混凝土的运输

图2 智能温度监控系统工作原理示意

沥青混凝土采用大吨位自卸卡车进行运输，同时采用苫布进行覆盖，以保证沥青混凝土的到场温度不低于170 ℃。在运输车辆上安装智能温度监控系统(见图2)，监控车厢内沥青混凝土的实时温度，获取运输车辆的位置，便于现场组织。

2.4 沥青混凝土的摊铺

采用3台沥青混凝土摊铺机呈阶梯形进行摊铺，相邻摊铺机的搭接宽度宜为10～20 cm，摊铺机前后错开距离不应超过20 m。为保证沥青混凝土的摊铺质量，规定摊铺温度不得低于170 ℃。沥青混凝土摊铺时应缓慢、均匀、连续作业，不得随意变换速度或中途停顿，不得出现明显的离析、波浪、裂缝、拖痕等现象。

2.5 沥青混凝土的压实

采用“钢轮压路机(先静压后振动)、胶轮压路机、钢轮压路机”的组合方式进行沥青混凝土的初压、复压、终压。结合本工程选用沥青混凝土材料的特点，要求初压开始温度不低于165 ℃，终了温度不低于145 ℃；终压开始温度不低于130 ℃，终了温度不低于110 ℃；在不产生推移和裂缝的前提下，应确保初压、复压、终压在尽可能高的温度下进行。

3 温度离析成因分析

3.1 拌和离析

沥青混凝土卸入运料车后，利用ST9450高精度红外热成像仪(量程：-25～450 ℃，精度：0.1 ℃)测量其温度，测得沥青混凝土的温度在185～192 ℃，温差达到7 ℃，产生了一定程度上的温度离析现象。铁路专用高黏沥青在储存罐中通过盘管中的导热油进行加热，正常生产时其温度处于稳定状态；矿粉属于常温储存，其温度变化较小。因此，造成沥青混凝土拌和过程中温度离析的原因主要在于集料。集料在加热滚筒中通过旋流火焰进行加热，使集料在几十秒内温度达到190～200 ℃。但由于集料粒径、含水率不同，导致集料的受热状态不均匀，使拌和完成后的沥青混凝土也存在温度离析的现象。

3.2 运输离析

在运输车上安装智能温度监控系统(见图3)，获取车厢内沥青混凝土的温度，同时通过GPS获取运输车辆的位置信息。

图3 智能温度监控系统

图4 沥青混凝土温度随运输距离变化曲线

通过获取沥青混凝土运输途中实时温度，得到沥青混凝土温度随运输距离的降温规律，见图4。可知，沥青混凝土随运输距离的降温呈二次函数规律，且相关性系数均在0.99以上。美国国家交通委员会提出以10 ℃作为划分是否发生温度离析的标准[11]，但考虑到铁路专用高黏沥青的材料特点，最终选择以 5 ℃ 降温为标准，结合沥青混凝土随运输距离的降温规律，推荐沥青混凝土的最长运输距离应控制在70 km之内，以保证沥青混凝土到场后的施工和易性。

3.3 摊铺离析

利用MT4 MAX红外温枪(量程：-30～350 ℃，精度：0.1 ℃)测量沥青混凝土的表面温度，利用testo 905-T1插入式温度计(量程：-50～350 ℃，精度：0.1 ℃)测量沥青混凝土的内部温度。沥青混凝土的虚铺厚度为10 cm，选取5 cm位置为沥青混凝土内部温度的测量点，每个测量点测温3次，取平均值作为测量值。在沥青混凝土的摊铺过程中，对沥青混凝土表面温度及表面以下5 cm处的温度进行记录，测试结果见图5。

图5 沥青混凝土温度下降曲线

由图5可知，沥青混凝土表面与内部温度散失规律不同。沥青混凝土表面的温度下降呈指数变化(R2=0.988)，而5 cm处内部温度下降呈线性关系(R2=0.998)，且表面温度下降速率明显快于内部。这主要是由于沥青混凝土上表面与内部产生热传导的同时，沥青混凝土上表面与空气接触，热空气会向上流动产生热对流，因此沥青混凝土表面降温速率较快。

利用上述方法对沥青混凝土在摊铺过程中的温度空间分布进行测量与记录。在横向温度测量方面，以摊铺机左侧边缘为原点，垂直于摊铺机的行进方向以2 m为间距，分别测量0,2,4,6,8 m的温度值；在纵向温度测量方面，沿摊铺机的行进方向以5 m为间距，分别测量0,5,10,15,20 m的温度值。横向、纵向温度分布均选取3个断面，取其平均值作为测量值，测试结果见图6。

图6 沥青混凝土摊铺过程温度空间分布

由图6可知：

1)在横向分布方面(即垂直于摊铺机行进方向)，摊铺机两端(0和8 m位置)的沥青混凝土温度明显低于摊铺机中部的，即呈“Λ”形分布。这主要是因为摊铺机两侧的沥青混凝土需经螺旋布料器传送至两端，在螺旋传送的过程中加大了沥青混凝土与空气的接触，致使其温度较低。因此，摊铺机的摊铺宽度不宜过宽，避免造成严重的温度散失。

2)在纵向分布方面(即沿摊铺机行进方向)，每辆运输车内的沥青混凝土经摊铺机虚铺后温度也呈现“Λ”形分布。其原因在于运输车辆两侧和顶部均覆盖苫布和棉被，车厢前后两面未进行覆盖，使得车厢沥青混凝土的温度基本呈“低—高—低”分布。同时，证明了覆盖苫布、棉被等措施有利于沥青混凝土温度的保持。

3.4 压实离析

压实过程采用“钢轮压路机、胶轮压路机、钢轮压路机”的组合方式进行。钢轮压路机通常会采用向钢轮喷水的方式避免沥青粘到钢轮上[12]。若洒水量过多，会使沥青混凝土表面温度过低，形成硬壳，碾压时会产生微裂纹，进而影响防水效果。因此，选取了2个测点对压实过程中的温度进行测试，测试结果见图7。

图7 喷水对沥青混凝土温度的影响

由图7可知，向钢轮压路机喷水会造成沥青混凝土的温度急剧下降，下降幅值约9～12 ℃。沥青混凝土表面温度会在60 s左右开始回升，并在180 s左右趋于稳定，但不能回升至起始温度。据测算，在压实过程中平均洒水量为1.0～1.5 kg/m2。温度较高时沥青混凝土表面的水依靠沥青混凝土的热量最终汽化，造成了沥青混凝土表面温度的流失，属典型的热对流现象。与此同时，内部的沥青混凝土通过热传导、热辐射的方式将热量传递至沥青混凝土的表面，使其表面温度回升。

4 控制措施

结合上述研究，控制沥青混凝土温度离析现象的建议如下：

1)优化配合比设计。在设计沥青混凝土配合比时，应充分考虑温度离析问题，合理确定矿料级配，避免集料粒径偏差过大。

2)控制集料含水率。一方面在集料储存区域设置防雨棚，保证集料处于干燥状态；另一方面正式生产前应调整火焰喷头的方向、角度，使集料均匀加热。

3)开发拌和站信息化平台。利用拌和站信息化平台通过移动终端对拌和过程中沥青加热温度、集料加热温度、拌和温度、出料温度、沥青用量、矿料级配等关键参数进行实时监测、记录与预警，保证了沥青混凝土生产过程中温度的稳定、可控。

4)加强运输管理。采用大吨位运料车，并控制运输距离和运输时间，同时采用苫布、棉被等对车厢顶部及周围进行覆盖保温。针对部分线路沥青混凝土拌和站分散的情况，可采用移动式沥青混凝土拌和设备进行生产。

5)确定合理的摊铺方案。摊铺机的摊幅不宜过长，建议摊铺宽度应在摊铺机的基本摊铺宽度上加 3 m 范围内为宜，通常不超过7 m，避免螺旋布料器送料造成温度的损失。当路基较宽时，可采用2台或多台摊铺机梯形作业。

6)确定合理的压实工艺。压路机应及时碾压沥青混凝土，将热量封锁在沥青混凝土内部。对于钢轮压路机，在不粘轮的前提下应尽量少喷水，减少温度的散失。

7)加强施工温度监控。采用智能化、信息化测量手段进行施工过程温度的监控，提高施工温度控制的实时性和准确性。

5 结语

1)结合热量传递分类，施工过程中沥青混凝土的温度损失主要包括沥青混凝土下表面与基床表层之间热传导、上表面与空气的热对流以及自身内部的热辐射。

2)铁路沥青混凝土的温度离析主要分为拌和离析、运输离析、摊铺离析和压实离析4类。

3)通过优化配合比设计、控制集料含水率、开发拌和站信息化平台、加强运输管理、确定合理的摊铺和压实方案、加强过程温度监控等手段，提出了控制沥青混凝土施工过程温度离析的合理化建议。