基于红外热成像技术的沥青路面降温特性研究

陈 文 李 进 甘祥丽 吴 霞 何 盛

(1.四川省交通建设集团有限责任公司 成都 611100; 2.重庆交通大学土木工程学院 重庆 400041)

在大风低温地区沥青路面施工中,极端天气出现时低气温、大风速会导致沥青混合料在铺筑过程中热量损失加快、温度快速下降,大大减少有效碾压时间;若有效碾压时间过短,不及时调整施工工艺,会导致沥青混合料的碾压遍数不足,压实度难以保证。因此,针对大风、大温差地区施工展开沥青混合料的降温特性研究,预估混合料有效碾压时间对于确定更加合理的施工工艺具有重要意义。

张成[1]研究了红外热像仪在沥青混合料路面施工过程的应用,结合工程现场实测数据,提出了沥青混合料离析的评价方法;任文斌等[2]通过室内模拟实验探究了沥青混合料降温特性并提出了有效碾压时间预估模型;苏卫国等[3]通过使用Abaqus有限元分析软件对沥青路面摊铺碾压温度场在不同大气温度、沥青上面层厚度、初始摊铺温度、风速等条件下进行分析,探究了各环境下沥青路面降温曲线。但是国内外研究主要通过室内模拟实验或者有限元数值模拟进行沥青混合料降温特性的研究,缺少实际工程沥青路面施工中的的验证性研究,且传统测温方式准确性和安全性都有一定局限,本文针对传统红外温枪或插入式温度计等点测法检测混合料温度存在的代表性差的缺点,选择更加高效、快捷、准确的红外热成像仪进行现场施工沥青路面温度检测与降温特性研究。以探究AC-20C和SMA-13 2种沥青混合料在环境温度分别为5～10,>10～15,>15～20,>20～25,>25～30 ℃,风速分别为0～3,>3～6 m/s下,铺筑过程中降温速率和有效碾压时间,并建立2种混合料有效碾压时间的预估模型。

1 红外热成像仪在沥青路面施工中的应用

本文将通过对混合料辐射率的标定和最佳拍摄距离的确定来探究红外热成像仪在沥青路面施工温度监测中的应用方式与效果,研究过程中所使用的仪器为广州飒特红外技术有限公司生产的型号SAT-S280的红外热成像仪。

经过现场使用结果验证,沥青混合料辐射率设置为0.92时具有较高准确性,更加接近插入式温度计和水银温度计温度检测值。本文在室内进行最佳拍摄距离确定探究试验,为了控制所监测混合料温度不发生较大变化,根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定[4],将拌和站取回的沥青混合料放入恒温150 ℃烘箱1 h,并用水银温度计检测多点温度皆在(150±0.5) ℃后进行温度检测;分别距离混合料0.25,0.5,0.75,1,1.25,1.5 m使用红外热成像仪进行温度测量,取混合料区域最高温、最低温和平均温度3个指标进行对比,不同距离温度检测值试验结果见图1。

图1 不同距离温度检测值

由图1可知,在检测过程中最高温度和最低温度不够稳定,有一定的不确定性,不宜作为区域温度评定指标;在拍摄距离为0.5～1 m时,平均温度具有较强的代表性和稳定性。当热成像仪离拍摄目标过近时,高温的沥青混合料会影响仪器的正常工作性能,进而影响温度检测的准确性,所以在选择最佳拍摄距离时宜尽量远离路面;当拍摄距离超过1 m后,受空气中杂质或其他环境干扰较大,检测温度相较于实际会偏低;所以确定1 m为后续使用红外热成像仪进行沥青路面降温特性研究的最佳拍摄距离。

2 沥青路面降温特性研究

在保证相同碾压设备与施工工艺合理的前提下,影响沥青路面压实质量的主要因素为环境因素。本文后续将利用热成像仪监测2种沥青混合料在不同环境温度、不同风速下的降温曲线,探究其降温特性。

2.1 环境温度对沥青路面降温特性的影响

考虑相同碾压设备与合理的施工工艺并控制摊铺厚度为6 cm,在无风环境下用热成像仪每隔1 min分别监测环境温度为5～10,>10～15,>15～20,>20～25,>25～30,>30～35 ℃时AC-20C和SMA-13的降温曲线,取2次监测平均值为试验值,0～3 m/s风速下2种混合料在不同环境温度时降温曲线图见图2。

图2 不同温度下降温曲线

由图2可知,2种类型沥青混合料在铺筑过程中降温曲线在初始阶段180～130 ℃之间的斜率较大,随着摊铺过程继续,斜率也随之减小。这是因为初始阶段混合料与环境存在较大的温度差,两者之间发生热传递的效率更快,导致混合料热量快速散失到空气中,表现为降温速率较快。随着降温过程的持续发生,混合料的温度和环境温度之间的温度差变小,降温速率随之降低;AC-20C沥青混合料降温速率在不同温度阶段分别为2.008,1.689,1.606,1.443,1.340,1.123 ℃/min,有效碾压时间分别为41,44,49,57,73,99 min;SMA-13改性沥青玛蹄脂混合料降温速率在不同温度阶段分别为5.555,3.836,2.633,2.356,2.029 ℃/min,有效碾压时间不断增加分别为18,25,36,41,47 min。降温速率随着环境温度的升高不断降低,有效碾压时间不断增加。

2.2 风速对沥青路面降温特性的影响

考虑相同碾压设备与合理的施工工艺并控制摊铺厚度为6 cm,在风速为3～6 m/s的环境下用热成像仪每隔1 min分别监测环境温度为5～10,>10～15,>15～20,>20～25,>25～30 ℃时AC-20C和SMA-13的降温曲线,取2次监测平均值为试验值。3～6 m/s风速下2种混合料在不同环境温度时降温曲线图见图3。

图3 大风速下不同温度降温曲线

由图3可知,降温曲线变化规律和有效碾压时间变化规律与无风环境下基本一致;相较于无风环境下各环境温度下降温速率加快,有效碾压时间都有所减少;AC-20C降温速率在不同温度阶段分别增大到2.944,2.371,2.118,1.922,1.361 ℃/min。有效碾压时间分别减少为31,38,44,49,65 min;SMA-13改性沥青玛蹄脂混合料降温速率在不同温度阶段分别增大到5.928,5.023,4.518,3.521,2.689 ℃/min,有效碾压时间分别减少为16,18,22,28,36 min。这是由于在大风环境下,在风的作用下造成已经和混合料发生热传递的热空气散失,混合料继续和温度较低的冷空气发生更快的热量传递,使混合料更加快速的散失到环境中,导致混合料降温速率加快从而减少有效碾压时间,不利于摊铺过程中的压实作业。

2.3 混合料类型对沥青路面降温特性的影响

对比2种类型混合料降温曲线可知,AC-20C的降温速率在无风和大风环境下皆小于SMA-13降温速率。这是由于使用的SMA-13的级配不连续且油石比较大,导致在碾压过程中不易被压实,其内部存在较大的空隙增大了与空气接触的表面积,加快了混合料与空气的热传递过程。

3 2种混合料有效碾压时间预估模型

利用前期监测的现场数据,以风速和环境温度作为预估变量,通过Origin软件的多元拟合分析得到2种沥青混合料有效碾压时间预估模型式((1)、式(2)),用来预估2种混合料温度从摊铺到冷却至90 ℃时所需的时间。

t1=1.56θ-2.47v+29.4

(1)

t2=1.24θ-3.13v+14.8

(2)

式中:t1为AC-20C有效碾压时间,min;t2为SMA-13有效碾压时间,min;θ为环境温度,℃;v为风速,m/s。预估值与实测值的相关性系数分别为R12=0.914、R22=0.935,说明2个模型具有较高的可靠度和精度,可较为准确地预估2种混合料有效碾压时间。

为了验证2种预估模型的准确性,分别监测了部分工况下AC-20C和SMA-13 2种沥青混合料降温曲线,有效碾压时间预估值及实测值见表1。

表1 预估值与实测值对比表

对比2个模型预估值和实测值发现,有效碾压时间预测与实测的差值δ始终在±5 min以内,说明2种模型都有较高的精度和准确性,作为一种有效碾压时间的预估手段,能更好地为施工工艺提供一种可靠的理论依据。

4 结语

热成像仪作为一种可算取平均温度的温度检测手段,能更好地完成沥青路面温度检测任务。试验验证红外热成像仪最佳拍摄距离为1 m。

2种沥青混合料降温速率随着环境温度的增加而逐渐降低,有效碾压时间随之增长;2种沥青混合料降温速率随着风速的增大而逐渐增大,有效碾压时间随之减少。AC-20C降温速率慢于SMA-13,相应有效碾压时间更长。

以环境温度、风速作为变量的2种沥青混合料有效碾压时间的预估模型,具有较高的可靠度与预估精度。