橡胶沥青应力吸收层施工温度影响因素研究

王秋敏，谭巧攀，陈海涛.3

(1.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；2.广西桂通工程管理集团有限公司，广西 南宁 530029；3.长沙理工大学，湖南 长沙 410114)

0 引言

应力吸收层作为道路“白改黑”品质提升工程中的一个重要组成部分，对提升路面反射裂缝能力、延长路面使用寿命有着重要影响。故加强应力吸收层施工监测，实时掌控路面施工温度变化规律，对提高路面有效压实度和路面施工质量有着重要意义。

目前，关于路面施工温度方面的研究有：Matthew R. Hall等[1]开发了一种简化一维热流建模工具，通过有限差分法模拟出了沥青混合料动态温度曲线；Huanan Yu等[2]提出了一种沥青及沥青混合料热性能的评价方法，采用差示扫描量热法(DSC)测定了沥青混合料的热流曲线，计算得到沥青混合料的比热值，根据转换关系换算得到导热系数，该方法能够准确方便地预估压实过程中的热流扩散等参数；Guoping Qian等[3]基于沥青路面的温度场模型建立了沥青混合料有效压实时间的预测模型，发现初压温度和铺筑层厚度会影响压实过程的整体温度场，热拌沥青混合料中上层温度场受风速和气温的影响，底层温度受下卧层温度的影响。李波等[4]依托天定高速公路沥青路面工程，实测施工过程中路面内部和表面温度，与Pavecool软件的计算温度进行对比，研究发现该软件能够有效预测路面不同时刻的施工温度；刘建勋[5]对气温、风速、面层厚度和摊铺温度等因素对有效压实时间的影响展开研究，建立预估模型，并根据工程实际温度测试验证了Pavecool软件的准确性；张瑞瑞[6]基于Pavecool软件研究不同因素下的沥青路面有效压实时间，并提出了延长有效压实时间的方法；阮东伟[7]基于施工现场单一参数对路面摊铺压实温度的影响，建立了有效压实时间在气温、风速和初压温度等多因素影响作用下的数学模型，研究发现摊铺厚度的增加在一定程度上可延长有效压实时间；尹如军等[8-9]将气温、风速、面层厚度、摊铺温度和初压温度这5种因素定义为输入模糊变量，将有效压实时间定义为输出模糊变量，采用精确量离散化方法，将输入模糊变量分为几个论域，确定模糊隶属函数与模糊关系式方程，查询模糊变量赋值表代入关系式方程，得到各输出变量的模糊向量值，通过模糊方法将之转化为精确值，即为有效压实时间。

综上所述，数值模拟法和软件模拟法是研究沥青混合料在压实过程中的温度下降与有效压实时间的主要方法，且Pavecool软件能够有效地模拟沥青路面摊铺碾压过程中的温度变化规律，并计算有效压实时间的模拟值。为此，本文拟采用Pavecool软件对橡胶沥青应力吸收层的压实温度变化规律与有效压实时间进行模拟。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料与级配设计

本文所用应力吸收层铺筑沥青为橡胶沥青，该沥青由70#基质沥青、SBS颗粒、广西交科集团生产的30～80目橡胶粉、白色催化剂以及黑色催化剂按照一定的比例制备而成。所用粗、细集料为石灰岩，填料为石灰粉。

在应力吸收层级配设计方面，汇总相关规范标准，发现国内应力吸收层多采用10型连续级配，细集料用量较多，与普通连续型密级配沥青混合料类似。根据规范级配设计范围和相关实际工程，本文应力吸收层采用10型连续密级配(见表1)，铺筑厚度为2.5 cm。

表1 应力吸收层级配设计表

1.2 Pavecool软件原理

Pavecool软件采用计算机模拟不同工况和不同环境条件下的摊铺路面温度变化规律，从而实现有效的压实时间预测。软件运算原理主要基于以下假设和控制方程[10]。

1.2.1 假设

(1)摊铺的沥青路面与地基之间仅进行热传导；(2)在0.1 m的竖向长度下，横向长度比竖向长度尺寸大一个数量级，假定热传递为一维；(3)将路面热传递分为两个区域：一是沥青层Ztop>Z>Zbase，二是地基层Zbase>Z>0(见图1)；(4)碾压过程中，沥青层的变形由沥青层表面形变方程Ztop(t)表述；(5)假定地基下存在一个不受温度影响的点，令该点位置为绝热层Z=0；(6)假定仅在沥青表面Ztop的位置与空气进行热传递；(7)将沥青层和地基之间的热传递建立一个温变函数，见式(1)；(8)在沥青层压实过程中，在压实密度和热传递之间建立第二个函数方程，见式(2)。

图1 沥青层温度热传递示意图

1.2.2 控制方程

基于上述假设，模型的控制方程如下：

沥青层：

(1)

地基：

(2)

式中：T——温度(K)；

ρ——密度(kg/m3)；

c——比热(J/kg·K)；

k——导热系数(W/m·K)。

1.3 试验参数的确定

在使用Pavecool软件对沥青路面进行预测过程中，主要输入的参数有：环境参数(气温、风速、天气状况、纬度)、沥青混合料参数(沥青PG分级、混合料类型、铺筑层厚度、摊铺厚度)与下卧层参数(材料类型、表面温度)。本文以南宁为应力吸收层施工地点，确定各参数的取值如下。

1.3.1 环境参数

(1)气温：由气象局的数据，得到2017—2020年广西南宁月最高气温分别是36.4 ℃、35.6 ℃、36.4 ℃、37.1 ℃，月最低气温分别是7.6 ℃、2.9 ℃、4.5 ℃、4.8 ℃。

(2)风速：由气象局数据资料，得到南宁2017—2020年南宁风速逐日数据，其中月最大风速分别为6.5 m/s、5.6 m/s、4.8 m/s、6.2 m/s，月最小风速为1.0 m/s、0.8 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s。

(3)天气状况：由气象局数据资料，得到2018—2019年南宁的天气状况。南宁天气以雨天为主，占比约39.7%，其次为阴天36.2%、晴天为16.2%，最少为多云7.9%。本文选晴天展开研究。

(4)纬度：通过广西年鉴[11]得到南宁纬度为北纬22°48′。

1.3.2 沥青混合料参数

(1)沥青PG分级：根据性能测试，20%胶粉掺量橡胶沥青的PG分级为82-16。

(2)混合料类型：本文混合料类型为公称最大粒径9.5 mm的密级配沥青混合料，根据软件介绍与学者[5][12]推荐，Pavecool软件中混合料类型为“Fine/Dense”。

(3)铺筑厚度：《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2017)(以下简称规范)[13]中提出改性沥青应力吸收层厚度为1.5～3 cm；《Wisconsin Department of Transportation》[14]中Strata应力吸收层厚度值为2.54 cm。故铺筑层厚度为1.5～3 cm。

(4)摊铺温度：根据规范中给出的改性沥青混合料的最低摊铺温度，因应力吸收层铺筑厚度为1.5～3 cm，故最低摊铺温度为145 ℃～165 ℃。

1.3.3 下卧层参数

(1)下卧层材料类型：Pavecool软件中下卧层材料分别是：Asphalt、Concrete、Granular Base和Subgrade Soil。本文研究橡胶沥青应力吸收层在“白改黑”工程中应用，故选择“Concrete”。

(2)下卧层温度：根据水泥路面温度预估模型[15]，结合南宁气象数据，对下卧层温度进行计算：

57.992 5Z)]

(3)

Z——距离路表的深度(mm)；

图2 2018—2020年广西南宁日气温振幅曲线图

2 试验结果与分析

2.1 各因素对有效压实时间的影响

2.1.1 气温的影响

根据2017—2020年南宁月最高、最低气温值，将温度梯度分别设置为5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃；对应下卧层温度分别为12.5 ℃、18.3 ℃、24.1 ℃、29.9 ℃、35.6 ℃、41.4 ℃、47.2 ℃、53.0 ℃。2017—2020年平均风速为2.0 m/s，铺筑厚度为2.5 cm，摊铺温度为165 ℃。此外，因下卧层表面温度需≥10 ℃，本文仅研究气温≥10 ℃时的有效压实时间。预估结果如图3～4所示。

图3 不同气温条件下混合料温度随有效压实时间变化曲线图

图4 气温对有效压实时间的影响曲线图

有效压实时间随着气温的升高呈现指数增长模式。随着气温的升高，沥青混合料和空气之间的温差减小，热传递激烈程度降低，同时气温越高，下卧层的表面温度也越高，使得摊铺碾压过程中沥青混合料的温度下降速率减慢。

2.1.2 风速的影响

根据2017—2020年南宁日平均最大、最小风速值，将风速梯度设为0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s。气温为30 ℃，下卧层温度为41.4 ℃，铺筑厚度为2.5 cm，摊铺温度为165 ℃。预估结果如图5～6所示。

图5 不同风速条件下混合料温度随有效压实时间变化曲线图

图6 风速对有效压实时间的影响曲线图

随着风速的增加，沥青混合料的有效压实时间不断减小。当风速增长初期，混合料的有效压实时间明显减少，但是随着风速进一步增大时，有效压实时间开始趋于稳定。这是因为当无风变为有风时，路面热量被带走，使得路面温度下降速率增快，随着风速的不断增大，散失热量的速率增大。但是，沥青混合料内部温度传递速率会趋近于某个定值，温度的下降便趋于稳定。

2.1.3 铺筑层厚度的影响

应力吸收层的铺筑厚度一般为1.5～3.0 cm，将铺筑厚度设定为1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm和3.0 cm。风速为2.0 m/s，摊铺温度为165 ℃，气温为30 ℃，下卧层温度为41.4 ℃。预估结果如图7～8所示。

随着铺筑层厚度的增加，沥青混合料的有效压实时间不断增长。从图8可知，铺筑层厚度增加，有效压实时间几乎呈现线性增长，铺筑层厚度每增加0.5 cm，有效压实时间增加约5 min。因为随着铺筑厚度增加，摊铺的沥青混合料总量增加，其储存的热量值增多，使得热传递时间相对增加；随着摊铺厚度增加，热传递的路径变长，使得混合料热量损失的时间变长，从而延长了有效压实时间。

图8 铺筑层厚度对有效压实时间的影响关系图

2.1.4 摊铺温度的影响

根据规范，将摊铺温度设定为145 ℃、150 ℃、155 ℃、160 ℃、165 ℃，风速为2.0 m/s，铺筑厚度为2.5 cm，气温为30 ℃，下卧层温度为41.4 ℃。预估结果如图9～10所示。

图9 不同摊铺温度条件下混合料温度随有效压实时间变化曲线图

随着摊铺温度的增加，有效压实时间呈线性增加。摊铺温度每增加5 ℃，有效压实时间增加约1 min。这是因为当摊铺温度不断升高时，其与终压温度之间的差值不断增大，沥青混合料与外界环境之间的热传递时间相对延长。由此得出结论：提高摊铺温度能够增加混合料的有效压实时间，保证施工质量，特别在外界气温较低时。

图10 摊铺温度对有效压实时间的影响关系图

2.2 各因素权重分析

基于SPSS软件将气温、风速、铺筑层厚度和摊铺温度4种因素对有效压实时间的影响程度进行方差分析(见表2)。

表2 有效压实时间影响因素显著性分析表

气温、风速、铺筑层厚度和摊铺温度对沥青混合料有效压实时间有显著影响。由表2可知，Sig值均<0.05，即各因素对有效压实时间存在显著性影响；结合F值大小，确定四因素与有效压实时间的影响程度由大到小排序为风速>气温>铺筑层厚度>摊铺温度，可知环境因素对混合料的有效压实时间影响较大。故可通过增加摊铺层厚度，提升摊铺温度以及选择在无风或微风、天气炎热的环境下进行路面铺筑，由此，能够延长路面有效压实时间，提升路面压实质量。

3 结语

(1)Pavecool软件参数主要有环境因参数(气温、风速、天气状况、纬度)、沥青混合料参数(沥青PG分级、混合料类型、铺筑层厚度、摊铺厚度)与下卧层参数(材料类型、表面温度)三大类。

(2)基于Pavecool软件探究气温、风速、铺筑层厚度和摊铺厚度对有效压实时间产生的影响。研究发现，随着气温、铺筑层厚度和摊铺温度的提升，混合料降温速率减缓，有效压实时间延长；随着风速的增加，混合料的降温速率加剧，并逐渐趋稳，有效压实时间显著缩短。

(3)通过SPSS软件对各因素进行权重分析，确定其对有效压实时间的响应程度由大到小排序为：风速>气温>铺筑层厚度>摊铺温度。