沥青混合料长距离运输施工质量保障措施

管弦 杨礼明

（1.北京华宏工程咨询有限公司，北京 101101；2.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029）

0 引言

沥青作为黏弹性材料，随着温度的升高会逐渐由半固体向流体状态转变，只有在较低黏度下沥青才能与集料拌和均匀。此外，沥青混合料的施工过程也要求沥青混合料具有一定的温度，才能得到性能均一且密实的沥青路面。因此，温度是影响沥青混合料性能与施工质量的重要因素[1]。但混合料从沥青拌和站到施工现场的运输过程中将会与运输车、外部环境发生热交换，特别是经过长距离运输后，沥青混合料的温度往往低于规定压实温度，使其产生温度离析，进而造成沥青路面密实度降低，影响路面使用寿命[2，3]。研究沥青混合料在长距离运输过程中温度的变化规律对提高沥青路面施工质量具有重要意义。

郑钟名等[4]研究了沥青混合料在运输过程中的热量传输机制，建立了基于运输车厢的沥青混合料温度场数学模型。秦伟等[5]研究了长距离运输对沥青混合料质量的影响，提出了对运输车辆车厢四壁加装保温隔热层的建议。李朋朋等[6]采用红外成像测温技术并结合ANSYS仿真软件研究了运输过程中沥青混合料的温度变化，发现运输车帆布处和侧板处温度散失最为严重。詹小丽等[7]研究了长距离运输过程中温度变化、短距离运输及碾压过程温度变化、风速对温度变化影响，提出了采取保温措施的建议。现有研究表明，在沥青混合料的运输过程中，对于运输车的保温，若采用良好的保温材料与保温技术，可以显著降低混合料生产能耗、节约成本，增加沥青拌和站的覆盖范围，对节能减排具有重要意义。

本文研究了长距离运输途中篷布覆盖方式下的混合料温度变化规律，并且分析了采用保温材料覆盖后沥青混合料在长距离运输过程中的温度衰减规律，最后基于沥青混合料散热特征提出了运输车外裹保温材料的设计方法。本研究为沥青混合料长距离运输施工质量保障提供了参考。

1 传统覆盖保温方法

1.1 传统混合料温度衰减规律

为了研究沥青混合料在长距离运输过程中的温度变化率，本文以广西某高速公路施工项目为依托进行分析。其中沥青拌和站与施工地点距离大于60km，研究对象为AC-20SBS沥青混合料，出厂温度约为185℃，环境温度为20℃，为保证沥青混合料温度，运输车厢顶部覆盖了两层篷布，车厢边部夹塞泡沫。沥青混合料温度测量选取车厢3个部位，分别为车厢顶部5～6cm深度、车厢边部5～6cm深度，车厢内部25～30mm深度，测试方法均采用插入式热电偶温度计，测试位置如图1所示，温度变化如图2和表1所示。

表1 2h 后不同位置降温情况

图1 车辆检测部位

图2 AC-20 长距离运输温度变化过程

从图2可以看出，随着运输时间的增加，运输车厢3个部位的沥青混合料温度均发生降低，温度随时间变化曲线满足一定的线性关系，降低幅度顺序依次为：边部＞顶部＞内部。造成上述结果的主要原因是这3个部位处的传热方式不同。首先对于内部沥青混合料的降低主要是靠热传导，内部温度更高的沥青混合料热量自动向温度更低方向传输，这种热传导速率受温度梯度的影响较大，但由于沥青混合料内部温度较为均匀，最终造成内部沥青混合料温度降低速率最慢。顶部沥青混合料温度降低主要受到与空气热对流的影响，在运输过程中空气分子不断与篷布表面发生热交换，导致表层沥青混合料温度的降低。边部沥青混合料温度降低速率最快，这是由于边部沥青混合料收到热对流与热传导综合作用，一方面沥青混合料热量传导给篷布再与空气发生热交换，另一方面沥青混合料的热量会以热传导的方式向侧面当转转移，由于挡板大多为导热良好的钢材质，因此热传导速率最快。运输2h后边部、顶部、内部的温度降低幅度分别为44℃、24℃和6℃，降温速率分别为-22℃/h、-12℃/h和-3℃/h。边部降温速率约为顶部的两倍、内部的7倍，因此对于长距离沥青混合料的运输应采取保温措施。

1.2 采取保温措施后温度衰减规律

基于上节沥青混合料运输车厢不同部位的降温规律，本课题对沥青混合料采用一定的保温措施，即在混合料出厂时在运输车辆双层篷布之间加盖棉被。以SMA13改性沥青混合料为研究对象，其出厂温度为195℃左右，环境温度为25℃，车厢边部夹塞泡沫，温度变化如图3和表2所示。

表2 2h 后不同位置降温情况

图3 SMA-13 长距离运输温度变化过程

从图3可以看出，采取保温措施后的沥青混合料温度随时间变化依然满足一定的线性关系，但相对于不加保温措施，沥青混合料的温度降低速率更慢。在加盖棉被后，顶部的温度变化速率显著减小，趋近于内部温度变化曲线，这是因为棉被具有较好的隔热效果，阻碍了沥青混合料中热量向外传输的通道，最终降低空气与篷布的热对流。在加盖保温材料后，边部的温度降低速率也有显著的提高，虽然边部沥青混合料依然受到热传导和热对流耦合作用，但由于保温材料降低了表面沥青混合料的传导速率，使得热对流的影响减弱，最终温度变化速率降低。运输2h后边部、顶部、内部的温度降低幅度分别为24℃、6℃和4℃，降温速率分别为-12℃/h、-3℃/h和-2℃/h，显著低于未采取措施下的降温幅度。由此可见，采用双层篷布之间加盖棉被等保温材料后，沥青混合料的降温速率显著降低，对混合料具有保温作用。

2 外裹保温材料法

2.1 保温隔热材料选择

GB/T8175-2008《设备及管道绝缘设计导则》指出，保温材料是指在室温（25℃）环境下，其导热系数不高于0.08W/（m·℃），密度不大于300kg/m3的材料。目前组成保温材料的种类较多，且具有不同的性能和优缺点，可分为无机与有机两种，无机类主要有矿渣棉、岩棉、玻璃棉、气凝胶等，有机类主要包括模塑聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛、海绵橡胶等。由于沥青混合料在运输过程中温度较高，因此对于运输车辆用保温材料性能具有较高要求，如保温材料使用温度应高于200℃以上且具有阻燃特性，同时还要求保温材料具有较优异的耐油性和化学稳定性。由于传统的有机类保温材料大多在温度较低条件下使用，因此无机类保温材料更适用于沥青混合料运输过程中的保温。几种常见无机类保温材料的导热系数与单位造价如表3所示。

表3 常见无机类材料

导热系数越小，则其保温材料隔热效果越好，如表所示不同保温材料具有不同的导热系数，同时价格也差异巨大。因此，保温材料应根据沥青混合料运输过程的散热特性进行设计。

2.2 运输车保温层厚度设计

按照GB/T4272-2008《设备及管道绝缘设计通则》，在对沥青混合料运输车辆保温材料厚度设计时，要以规定的最大允许散热损失为依据，并综合节能减排、减少热量损失、提高经济效益等需求。准则中最大允许散热损失如表4所示.

表4 最大允许散热损失

按照GB/T 8175-2008设计导则，沥青混合料运输车保温材料表面散热损失如下式所示；

式中，q为单位表面散热损失，W/m2；Ri为保温层热阻，m2·℃/W；Ra为保温层表面热阻，m2·℃/W；T为运输车表面温度，℃；Ta为环境温度，℃；d为保温层厚度，m；l 为保温材料导热系数，W/（m·℃）；a为保温层外表与大气的换热系数，根据设计导则，在空气对流较弱时a取3-10，较强时取20-100。

对（1）式进行变换，建立保温层厚度与单位表面散热损失之间的关系，如（2）式所示：

根据运输车辆外的环境条件，结合保温材料的性能参数，通过上式可以计算出沥青混合料运输车的保温层厚度。

2.3 保温层材料与结构优选

在进行保温层材料设计时，应根据依托工程实际条件进行计算。根据广西气候环境特征，改性沥青混合料出料温度约为185℃，采用工业级红外测温仪测得车厢外表面温度在90～100℃，取平均值95℃；由于车厢外表温度为95℃，根据GB/T4272-2008设计通则，单位面积最大允许散热损失选择为147W/m2，一般沥青混合料运输车散热面积取40m2。广西沥青路面施工一般为季节性施工并考虑空气对流，α取50W/（m2·℃），沥青路面施工环境温度Ta选取20℃。

通过式（2）以及表3中的材料参数，可以计算得到不同保温材料保温层厚度，如表5所示。

表5 几种常见保温材料厚度及造价

由于不同保温材料的导热系数不同，设计得到保温层厚度的有一定差异性。导热系数越小，保温层厚度越小，矿渣棉、岩棉、玻璃棉和气凝胶保温层厚度分别为19mm、14mm、21mm、6mm。虽然气凝胶保温层具有最小的设计厚度，但其材料价格较高，从经济性来看矿渣棉和岩棉更适用于长距离运输过程中的沥青混合料保温。