热拌公路沥青混合料在低温条件下的铺筑

本文采用有限元与工程经验相结合的方法，分析了热拌沥青混合料的最低碾压控制温度与混合料有效碾压时间，提出以100℃、120℃作为二级公路、高速公路最低控制温度；路面摊铺厚度越大越有利于混合料的压实；当施工环境温度低于10℃或者0℃后，要保证二级公路压实度大于96%，高速公路压实度大于98%，则有效的机械碾压时间要大于15min或者10min，现场施工时碾压机械必须紧跟摊铺机作业。

表1 路面结构温度场参数

工程概况建模及参数值确定

新疆北部地区昼夜温差大，冬季气候寒冷，气温在10℃以下的天数，约占全年的三分之一左右，年极端最低气温能达到-40℃，冻融循环剧烈，路面质量受自然环境影响较大。摊铺面层厚度为6cm，基层为厚15cm的粗粒式密级配沥青碎石，底基层包括两部分，一部分是（5%水泥剂量）厚度为38cm的水泥稳定碎石，另一部分是（4%水泥剂量）厚度为20cm的水泥稳定碎石。

路面温度场的热流总量主要受到路面长波辐射、太阳辐射、对流作用三大因素的相互作用影响。假设各类材料具有非线性特性，各层间保持完全连续，没有发生滑动现象，路面与基层的沥青混合料、半刚性基层材料都表现出各向均质、同性的特征。设定模型表面热量流入值等于热量流出值，整体呈现均衡，模型上部道路表面接受太阳辐射，模型通过向大气发散长波辐射实现了与周界的热对流，温度传递遵循热传导定律。水平方向上结构层和最下层无限远处应力和位移都为零。根据工程概况、参数建立有限元模型，划分面网格。模型当中X轴方向指垂直道路方向；Y轴方向垂直X轴，指向上方，模型长设置为300cm，深度设置为60cm。沥青混合料、半刚性基层材料热传导参数，如表1所示。

摊铺热流场与摊铺温度模拟

热流量交换与传递

将表2工况设置到ANSYS有限元模型进行仿真模拟，可通过计算得到热流及温度结果。混合料摊铺后10s～30s时间段内，在混合料的上面层及中面层内热量较为集中，高温分布范围较大。根据温度热传导定律，热量逐步传递至下面层，混合料的面层以下1.5cm～3cm高温分布范围大。混合料摊铺施工后35min时，由于热传递及热交换对流的效应，整个摊铺面竖向中间位置温度较高，摊铺层竖向上下界面温度明显降低，表明此时通过热量交换，上面层的热量传递到了下面层。

混合料施工后70min，路面温度呈现出快速下降趋势，尽管上中面层处于高温分布的范围内，但是此时热流量交换最活跃区域已经从上面层表面转移到了面层下15cm的范围内，说明影响深度为面层下10cm～20cm。根据施工现场的自然气候环境，设10℃为混合料摊铺的低温施工环境，混合料摊铺的温度为150℃。进一步研究混合料摊铺期间不同厚度面层温度变化规律，t时刻路面热流分布状况，如图1所示。

根据图1可知 ，t时刻路面热流量的分布状况随着摊铺时间不断延后，面层下2cm的范围内在初始时刻降温幅度较大，降温速率迅速下降为零，热流量交换也降为零；在路面下4cm范围内热流量增长速率骤然增大，表明热量向下传递速度非常快。与此同时，热流量交换的中心位置呈现逐步下移的趋势，在面层以下4cm处与12cm处热流交换变化规律彼此相反，4cm～12cm处温度上升，0cm～4cm处温度下降。当路面厚度大于12cm时受摊铺的影响不显著，所以将路面厚度界限值设置为12cm。

表2 仿真分析预定42工00s况

图1 t时刻路面热流分布状况

图2 混合料摊铺不同厚度深度处温度

不同摊铺厚度下路面有限碾压时间

如图2所示，摊铺厚度分别为4cm、6cm、8cm、10cm下摊铺完成10min之后，不同深度位置路面的温度分布情况，分析可知，随着摊铺完成后时间的延长，不同摊铺厚度路面结构内温度都表现出下降的状况。当从4cm的摊铺厚度增加到10cm的摊铺厚度时，摊铺厚度6cm比4cm的结构层内混合料最高温度增加17.9%，同理摊铺厚度8cm比6cm最高温度增加14.5%，摊铺厚度10cm比8cm最高温度增加8.5%。综合分析表明，随着摊铺厚度和路面深度的增加，混合料的温度分布更均匀、压实度更佳。

如图3所示，路面摊铺厚度增加后，混合料的温度散失速率下降，结合多年的施工经验与相关理论可知，若要保证高速公路98%的压实度，碾压温度的控制点要选取为120℃。二级公路及市政道路的路面压实度要求不低于96%，要达到96%的路面压实度必须保证混合料温度高于100℃，混合料摊铺后其温度降低至100℃这段时间认为是有效碾压时间，为了满足质量要求，二级公路结构层的有效碾压温度要求不低于100℃，当摊铺厚度设置成10cm、8cm、6cm、4cm时，相对应合理的有效碾压时间选择为31min、28min、21min、14min。

图3 不同摊铺厚度下路面有限碾压时间

不同温度环境下混合料碾压时段研究

为了保证寒冷地区二级公路、高速公路沥青路面碾压质量，结合模拟结论与施工经验，二级公路、高速公路的最低碾压控制温度分别设置为为100℃、120℃。

为了研究不同气温工况下有效的碾压时间，设置上面层厚度为4cm～5cm，中面层厚度为6cm～8cm，若面层厚度大于8cm时归纳为厚层摊铺，此时由于混合料温度散失缓慢，机械碾压时间可以延长。

压实度保障是决定路面碾压质量好坏的关键因素之一，有效时间段内的碾压增大了混合料的密度，保证了压实度，路面耐久性提高，降低了路面产生病害的几率，公路后期维护成本大大降低。当施工环境温度低于0℃后，要保证二级路压实度大于96%，高速公路压实度大于98%，则有效的机械碾压时间要大于10min。当施工环境温度低于10℃后，则有效的机械碾压时间要大于15min。为了保证碾压实度，现场施工时碾压机械必须紧跟摊铺机作业，最大程度地避免出现非作业的时间空隙，保证路面病害发生的几率降到最小。

结语

混合料摊铺后10s～0s时，面层以下1.5cm～3cm的混合料热量较集中，高温分布范围较大，35min后，摊铺面竖向中间位置温度较高，摊铺层竖向上下界面温度明显降低上面层的热量传递到下面层。混合料施工后70min时路面温度呈现出快速下降趋势，面层下15cm的范围内热流量交换最活跃。

随着摊铺时间不断延后，面层下2cm的范围内在初始时刻降温幅度大；在路面下4cm范围内热流量增长速率骤然增大。与此同时，热流量交换的中心位置呈现逐步下移的趋势，路面厚度大于12cm时降温幅度受摊铺的影响不显著。随着摊铺厚度增加，路面深度增加温度分布更均匀，混合料的压实度更佳。

二级公路、高速公路的最低碾压控制温度分别设置为100℃、120℃。为了保证碾压实度，现场施工时碾压机械必须紧跟摊铺机作业，最大程度地避免出现非作业的时间空隙。