【技术】沥青混合料温度离析控制技术研究
沥青混合料温度离析控制技术研究
郭斐
南召县公路管理局 河南 南阳 474650
摘要：本文选取大中修南阳市G207线的18个代表路段，分别测定其初压温度和复压温度，由温度代表值得到温度变异性差值。绘制初压温度变异性差值和复压温度变异性差值与空隙率的关系图。结果表明：路面压实度或空隙率与路面碾压温度存在良好的相关性，温度离析会造成路面压实度的不均匀性。
关键词：沥青混合料；温度离析；控制技术
混合料的施工温度严重影响着沥青混合料的体积状态以及路用性能。试验发现，当混合料成型温度低于一定温度时，将无法获得预期的压实度并且动稳定度将急剧下降。对不同压实度条件下的路面芯样进行劈裂强度试验，间接表明了温度离析对混合料的低温性能有重要影响。综上所述，当路面施工出现温度变异时，往往伴随着路面各项性能的下降。在调查中发现，有的温度离析造成的差异可高达60-80℃，毫无疑问，这将造成严重的路面缺陷。因此，有必要针对温度控制作一详细讨论。
1.温度离析控制指标分析
施工过程中的到场温度，摊铺温度、碾压温度（初压温度、复压温度、终压温度）影响着沥青路面的施工压实质量。而在施工各阶段中沥青混合料都有可能发生温度离析，为了有效的对可能发生的温度离析进行控制，施工时必须加强对各阶段的温度监控。然而，各阶段的温度离析是否可以通过一些措施来控制或改善，到底哪个阶段温度离析对路面离析影响最大，是以一个阶段的温度还是同时几个阶段的温度作为施工温度离析的控制标准？
作为判断路面离析状况的温度变异应该与路面的离析现象（空隙率变化）具有较为显著的相关性。本文在分析其影响因素的基础上，探讨各阶段温度对路面离析的影响，并判断其是否可以作为路面温度离析控制指标。
另外，本文是基于SBS改性沥青混合料的施工进行温度离析研究的，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定改性沥青混合料温度标准见表1。
表1 聚合物改性沥青混合料的正常施工温度范围（℃）
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混合料最高温度（废弃温度） |
195 |
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混合料贮存温度 |
拌和出料后降低不超过10 |
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摊铺温度 不低于 |
160 |
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初压开始温度 不低于 |
150 |
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碾压终了的表面温度 不低于 |
90 |
|
开放交通时的路表温度 不高于 |
50 |
1.1到场温度
混合料到场温度在一定程度上影响着路面的摊铺速度及碾压质量，故保证合格的到场温度是确保良好施工质量的基础。本文对SBS改性沥青混合料的出场温度和到场温度进行了检测（表2），经分析混合料运输过程中的温度变异情况如图1所示。从图中可以看出，因为拌和站距施工现场较近，混合料出场温度与到场温度之间有着相同的波动性且差异较小。
由此可知，若混合料出场温度波动性较大，加之运输过程中出现或多或少的温度离析，就可能导致混合料出现局部碾压温度不足的现象。一般情况下，如果出场温度合格，且保温措施得力、运距合适、车辆性能良好、路况良好，混合料到场温度不会发生大的降低。因此，确保稳定的出场温度是保证到场温度合格的关键。
表2 到场温度检测表
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车号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
出场时间 |
9:58 |
10:11 |
10:24 |
10:34 |
10:45 |
10:58 |
11:09 |
11:21 |
11:35 |
11:47 |
|
出场温度 |
176 |
178 |
180 |
174 |
185 |
172 |
177 |
173 |
174 |
172 |
|
到场时间 |
10:30 |
10:41 |
10:57 |
11:07 |
11:17 |
11:30 |
11:42 |
11:55 |
12:10 |
12:22 |
|
到场温度 |
174 |
178 |
178 |
172 |
182 |
172 |
174 |
170 |
170 |
173 |
图1 混合料运输中温度变异图
1.2摊铺温度
通过样本统计分析可以得到中面层沥青混合料施工各阶（出场、摊铺、初压、复压）温度变异状况，如图2所示。从图中可以看出，拌合楼距施工现场较近，且等候时间短，出场温度与摊铺温度变异性均较小；而初压过后温度出现明显变异，分析原因可能是较为松散的混合料在大气温度、风速、钢轮压路机喷水以及离析等作用下，导致温度急剧下降。
图2 施工温度分布 图3 施工温度变异性
从图3可以看出，出场温度与摊铺温度整体变异性要小于初压温度与复压温度。这是因为拌和、运输、摊铺阶段中温度可控性较强：拌和阶段可通过拌合楼实时调整温度；运输阶段也因加盖棉被，能减小运输途中的热量损失；而摊铺阶段也可缩短混合料在传送布料的时间，这些措施均能降低温度离析。而碾压阶段混合料摊铺层完全暴露在自然环境下，其温度受自然环境的影响大，并在碾压过程中随着碾压时间、碾压遍数等的增加而降低。因此，分析认为摊铺温度不足以反映混合料施工中的温度变异性。
1.3碾压温度
从以上图2、图3可以看出，施工过程中初压温度、复压温度的变异性较大，可以较好的反映混合料施工中的温度变异情况。碾压温度不仅与到场温度、等待时间、摊铺温度有直接关系，而且还受到大气温度的严重影响。本文对压实层厚度60mm的中面层AC-20混合料在不同大气温度下混合料温度降至90℃的时间进行了检测统计，如图4所示。从图中可以看出，当大气温度为5℃时，有效碾压时间仅为17min，则不可能获得较好的压实效果。对于高速公路沥青路面，《规范》规定不得在气温10℃的情况下施工。因此，沥青路面施工时，应根据大气温度状况适当调整混合料的出场温度，同时减小夜间及雨天施工，保证足够的有效碾压时间。通过上述分析，拟采用碾压温度作为温度离析的重点控制指标。
图4 不同大气温度下路面温度到达80℃时间
2.温度离析检测方法
本研究施工季节为夏季7、8月份，平均日最高大气温度35℃。施工压实初压采用钢轮压路机，复压采用胶轮压路机，终压采用钢轮压路机。温度检测时，松散混合料的温度采用红外温枪获取，摊铺层温度采用无核密度仪PQI随机所带的温度感应器测得，现场密度采用PQI无损检测。
通过与普通水银温度计测温进行对比分析，红外温枪具有良好的可靠性，可满足现场测温的精度要求。然而，在实际现场施工中，由于插入式温度计往往可以检测到路面内部温度，而红外温枪仅仅表征路表温度，两者间温度存在差异，如图5所示。伴随着摊铺、碾压过程，二者间温度数值差异从0开始，逐渐增大并趋于稳定，随后又逐渐减小趋于路面常温。随着大气温度、风速、摊铺厚度、压实机具等的不同，内部温度与路表温度间的差值是不同的，往往修正较为困难。故本文直接检测各施工阶段的表面温度。
图5 路面温度随碾压遍数的下降规律
3.施工温度变异性分析
初始的摊铺温度，以及初压温度的变异性并不能很好的表征最终路面施工质量的变异性，往往伴随着碾压过程，路面施工温度的变异将达到最大。那么，应考虑各个碾压阶段路面温度的离析状况，提出衡量路面施工温度离析的控制标准，并进行施工质量温度离析控制。
3.1温度随碾压遍数的变化规律
为了确定合适的碾压温度控制范围以及评价标准，本文对不同路段进行了调查，并分析温度随碾压遍数的变化规律，结果如图6所示。在不考虑外界环境的前提下，认为碾压温度与时间、碾压机具、碾压遍数之间存在着一定规律，正如图中所示，初始钢轮碾压阶段温度变化较快，在碾压温度变化曲线上复压温度与初压温度存在明显的转折点，故而作为两部分分别予以讨论。另外，终压温度同样存在着温度转折，但终压温度不再改善路面的压实度，故在本文路面非均匀性温度控制中，不作为重点内容，不予以讨论。
图6 施工温度随碾压次数的变化规律
3.2初压温度变化率
为了获取初压温度较为客观的变化规律，对初压阶段作如下假设：1气候条件：现场施工温度在30℃以上，且处于无风条件下；2初压阶段路表温度随钢轮碾压遍数的增加呈线性变化。
不同路段的初压温度随碾压遍数的变化规律如图7所示，同时对不同路段的初压温度变化率进行统计分析（表3）可知，初压温度变化率为﹣23.55℃/次。在大量的试验路碾压温度调查分析基础之上，本文拟将初压温度变化率调整为﹣20℃/遍。
图7 碾压温度随钢轮初压遍数的变化规律
表3 初压温度降低速率统计表
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统计样本量 |
均值 |
最大值 |
最小值 |
中位数 |
极差 |
方差 |
变异系数 |
|
7 |
23.55 |
27.5 |
19.9 |
23.4 |
7.6 |
3.11 |
0.13 |
3.3复压温度变化率
通过对复压胶轮碾压温度、碾压遍数进行统计可知，一般在第二遍~第三遍后开始用胶轮压路机进行碾压，复压遍数一般3~5遍，故本文采用4遍复压次数进行分析。
不同路段复压阶段温度随碾压遍数的变化如图8所示，从图中可以看出，复压温度变化率离散较大，这与初压结束温度及复压效率有关。同时对不同路段的复压温度变化率进行统计分析（表4）可知，复压温度变化率为﹣8.37℃/遍。
图8 施工温度随胶轮复压遍数的变化规律
表4 复压温度降低速率统计表
|
统计样本量 |
均值 |
最大值 |
最小值 |
中位数 |
极差 |
方差 |
变异系数 |
|
10 |
8.37 |
12.3 |
4.9 |
8 |
7.4 |
3.23 |
-0.39 |
由于本文选取的样本统计量较小，不能保证足够的精度，但仍具有一定的指导意义。故本文以样本均值作为复压温度变化率，并得到复压阶段温度随碾压遍数的变化规律。由每阶段的温度变化规律，即可模拟整个路面压实过程的温度变化情况，如图9所示。
图9 模拟施工温度随碾压遍数的变化规律
4.温度离析的控制
通过以上两节的分析可知，路面施工过程中为了防止沥青混合料发生严重的温度离析，必须严格控制初压温度与复压温度。如果初压温度不合格，在有效压实时间内不能完成路面压实；当初压温度合格，而复压温度不合格时，压实度同样不能达到要求。
根据《规范》要求，改性沥青混合料终压温度不得低于90℃~100℃，碾压终了的表面温度不得低于90℃。在初压遍数1~2遍，复压遍数4遍的情况下，取不利条件上限计算，路面需要达到的最低复压温度为：Tf=100+4×8.37=133℃；路面在初压两遍的状况下，需要达到的初压温度，即摊铺温度为：Ts=133+2×20=173℃。
由以上计算可知，在进行长深高速中面层施工时，应将初压温度控制在173℃左右，复压温度不低于133℃。然而，在实际检测中发现，复压温度通常不能达到133℃，且在未采取及时措施的情况下，路面发生了不同程度的温度离析。
因此，在控制温度离析时，将温度离析分为初压温度变异与复压温度变异两部分，分别进行控制。考虑到施工时气候的影响，在其他大气温度、风速条件下，应对初压温度、复压温度参考值做出适当的调整。
5. 结论
初压温度变异性差值与空隙率间的线性关系较为明显，说明初压温度离析极有可能造成路面离析，会导致局部位置空隙率大；而复压温度变异性差值与空隙率间相关性小，说明复压温度离析并不必然意味着路面离析。因此，可以认为在实际工程施工中，在初压阶段要加强对温度的控制和检测，防止温度离析现象。