摘要
为使室内常温再生沥青混合料设计真实反映现场实际工况,结合4条高速常温再生实体工程,实测了上覆热拌沥青混合料(HMA)施工过程中常温再生层中不同深度处的温度,分析了不同常温再生层厚度、不同上覆HMA厚度以及不同气候施工对常温再生层温度场的影响,建立了常温再生层不同深度处的温度预估方程;同时测试了不同施工大气温度下常温再生层芯样及室内试件的体积参数和力学性能。结果表明:上覆HMA摊铺过程中,再生层内部温度变化受施工环境影响较大;施工大气温度以及室内二次成型温度对常温再生混合料空隙率、抗弯拉强度、抗剪强度及断裂功影响显著,施工大气温度为30℃左右时,相比于0℃左右,空隙率降低约25%,抗弯拉强度、抗剪强度及断裂功分别至少提升45%、66%、77%;室内二次击实温度为80℃时,相比于40℃,空隙率降低约20%,抗弯拉强度、抗剪强度及断裂功分别至少提升42%、35%、80%;室内常温再生混合料设计时,应考虑二次成型温度的影响,以模拟现场再生层因内部温度变化而对混合料性能产生的影响。
乳化沥青常温再生技术是沥青路面再生利用技术中的一种,常温再生混合料的拌和、运输、碾压都是在常温下进行的,且具有碳排量低、施工便捷、性价比高等优点,被越来越广泛应用于道路的改扩建或养护修补等工程
基于此,本文拟通过南、北方4条改扩建高速公路常温再生实体工程,实时测试出不同地区、不同季节、不同HMA层和再生层厚度施工时常温再生层温度场的变化情况,并利用统计分析法,拟建立现场常温再生层温度预估方程,并利用上述方程,分析上覆HMA层摊铺过程中,再生层内部温度变化规律。同时结合常温再生实体工程,测试不同施工工况下常温再生层取芯试件及室内不同二次击实温度下混合料试件的体积参数及力学性能,系统分析二次成型温度对常温再生混合料性能的影响,为后续将室内二次成型温度纳入常温再生混合料设计变量提供数据支撑。
(1)温度采集器装置选择。温度传感器:采用Pt100热电阻温度传感器,具有量程宽泛、精度高的特点,量程可达-50~200℃。导线:选用聚四氟乙稀导线,摊铺热拌料HMA时,温度高达160℃以上,普通导线耐高温性能差,因此必须选用特殊的导线。温度采集装置:鉴于需要釆集再生层多个深度处的温度,因此釆用多路温度无纸记录仪,该仪器可以任意设定采集时间间隔,能够自动保存数据。
(2)温度传感器埋设方案。分别在南、北方地区常温再生实体工程埋设温度传感器,常温再生层厚度分别为6cm、11cm、12cm,分别应用于沥青路面中面层、下面层以及上基层,上覆热拌沥青混合料层厚度分别为5cm、6cm、8cm,分别作为上面层、中面层及下面层。埋设传感器位置周围应无障碍物遮挡,光照充足,不易积水,埋设芯样表面水分和粉尘应擦拭干净,对所取芯样进行侧面横向打孔,用铁丝固定好传感器接线,防止在埋设的过程中传感器掉出;传感器埋设完成后,在不同的大气温度下,上覆热拌层施工过程中,分别对常温再生层中不同深度处的温度进行实测,记录上覆热拌料摊铺至传感器位置之后3h左右常温再生层中不同深度处的温度,每5min记录一次温度数据。常温再生上覆热拌层在某一断面处的摊铺碾压共计耗时1h左右,为了采集更多数据,共记录了3h数据。
(1)北方某地区试验段温度实测数据。该常温再生试验段共分3段,分别在夏、秋两季施工(施工大气温度分别为8℃、28℃、24℃),常温再生层分别作为中面层及下面层,厚度分别为6cm、11cm。将现场实测记录数据绘制成折线图,如

图1 实体工程1摊铺上覆热拌料时常温再生层实测温度
Fig. 1 Physical engineering 1: Actual temperature measurement of cold recycled layer during paving of hot mix material
(2)南方某地区实体工程1试验段温度实测数据。该常温再生实体工程共分2段,分别在夏末及秋末时施工(施工大气温度分别为20℃、12℃),常温再生层均作为下面层,厚度均为11cm。实体工程2常温再生试验段上覆热拌层摊铺时,将现场实测数据绘制成折线图,如

图2 实体工程2摊铺上覆热拌料时常温再生层实测温度
Fig. 2 Physical engineering 2: Actual temperature measurement of cold recycled layer during paving of hot mix material
(3)南方某地区实体工程2温度实测数据。该常温再生实体工程共分2段,分别在夏季、秋末两季施工(施工大气温度分别为30℃、10℃),冷再生层均作为上基层,厚度为12cm。将现场实测记录数据绘制成折线图,如

图3 实体工程3摊铺上覆热拌料时常温再生层实测温度
Fig. 3 Physical engineering 3: Actual temperature measurement of cold recycled layer during paving of hot mix material
由图
根据图
杨进
T=ΔT+T0 | (1) |
ΔT=(AH1+B)((aH-bH+c)+(dH+ eH-f )+(gH-hH+i)t) | (2) |
式中:A、B、a、b、c、d、e、f、g、h、i为回归系数;t为上覆热拌料摊铺的时间,单位为10min;H1为上覆热拌料厚度,cm;H为常温再生层的深度,cm;T0为常温再生层初始温度,℃,理论上可以根据温度、太阳辐射等情况进行预估。
对于初始温度T0的确定,可参照郑莘
(3) |
式中:小时内平均气温值,;小时内太阳辐射总量,;为路面沥青混合料的比热容,统一使用;为路面沥青混合料的密度,统一使用;为路面深度,cm;为预估地区的当月历年月平均温度,℃。
由于受到气温和太阳辐射等外界因素影响,再生层初始温度T0将不同,T0是指HMA摊铺到传感器断面时的温度。可将某一时刻的温度值同时减去该深度的初始温度值T0,得到温度差ΔT随时间的变化关系。通过对

图4 不同厚度上覆热拌层下常温再生层温度变化量
Fig. 4 Temperature variation of cold recycled layer at different thicknesses of hot mix layer
由
将回归系数代入
T=ΔT+T0
ΔT=(0.554H1+2.628 7)((0.003 2H-0.059 8H+0.246 9)+(-0.079 5H+1.454 1H-5.476 4)t+(0.457 9H-8.263 3H+32.378 8)t)
(4)
其中t ≤180min。
通过预估方程分别将5cm、6cm、8cm上覆热拌料厚度下常温再生层温度变化值ΔT同实测温度数据进行比较,绘制成图,如

图5 不同厚度上覆热拌层下常温再生层温度预估值与实测值
Fig. 5 Estimated and measured temperature of cold recycled layer at different thicknesses of hot mix layer
通过
常温再生混合料的室内试验成型方法的原则是使所成型试件的物理特性同现场摊铺完HMA后的常温再生层芯样保持一致。常温再生混合料完整的压实过程是:先是常温再生层铺筑时的常温压实,然后是热拌沥青混合料加铺时碾压机械对常温再生层的二次温压实。室内成型试件时也应尽可能模拟二次压实过程,即室内第1次成型试件在常温下进行,第2次成型试件时的温度应遵循现场常温再生工程实际工况。因此,掌握常温再生层二次温压实过程中内部温度变化规律及探讨二次压实温度对常温再生混合料体积参数及路用性能的影响具有重要的工程意义,为后续室内常温再生混合料设计提供基础数据支撑。
常温再生层上覆热拌沥青混合料摊铺过程中,再生层内部温度的变化受到不同地区、不同季节因素、不同应用层位等的影响。根据2.3节提出的温度预估方程(4)可计算出不同施工工况下常温再生层上覆热拌料摊铺过程中常温再生层温度,不同工况下常温再生层温度变化曲线如

图6 不同层位常温再生层温度变化
Fig. 6 Temperature variation of cold recycled layer at different layers
由
因此,基于上述分析结果可知,由于受到不同季节、施工环境、层位等因素的影响,再生层内部温度变化是一个范围,对于常温再生混合料上基层、下面层、中面层,当春末秋初及夏季施工时(大气温度高于10℃),建议室内成型试件二次击实温度范围大于60℃;当春初秋末及冬季施工时(大气温度低于10℃),建议二次击实温度范围小于50℃。
为分析二次压实温度对常温再生混合料体积参数和性能的影响,首先结合常温再生实体工程,记录再生层上覆HMA摊铺时的大气温度,即二次温压实过程中的大气温度,待施工结束后,现场钻取芯样,测试芯样试件体积参数和路用性能。由于该常温再生工程不同工程段分别在不同季节完成,因此,最后得到了不同大气温度(-2℃、6℃、19℃、31℃)施工条件下的再生层芯样空隙率、劈裂强度、抗剪强度和断裂功。试验结果分别如

图7 不同施工大气温度下常温再生混合料空隙率及力学性能
Fig. 7 Voids and mechanical properties of cold recycled mixtures at different construction atmospheric temperatures
与此同时,采用本课题组提出的常温再生混合料室内试件成型方法制作试件,即在常温下双面各击实100 次后,侧放于室内平坦的地面上常温养生24h,然后置于烘箱中养生48h,取出后双面各击实50 次,冷却至室温(一般为6 h),脱去模具,试件制作完成。该成型方法是根据现场常温再生工程论证而来,已被许多常温再生工程成功应用。本文试验试件具体成型过程是:室内马歇尔试件常温下一次双面击实100次,并在60℃鼓风烘箱中养生48h后,然后分别放入40℃、50℃、60℃、70℃、80℃鼓风烘箱中保温3 h左右,保温结束后取出试件立即进行二次双面击实50次。试件制作完成后,分别测试不同二次击实温度下常温再生混合料试件的空隙率、劈裂强度、抗剪强度和断裂功,试验结果如

图8 不同室内二次击实温度下常温再生混合料空隙率及力学性能
Fig. 8 Voids and mechanical properties of cold recycled mixtures at different secondary compaction temperatures
由
乳化沥青常温再生混合料上覆HMA层施工时,客观存在二次温压实过程。通过在4个不同地区常温再生实体工程内部埋设温度传感器,并基于上覆HMA层施工时现场实测温度数据建立了再生层温度预估方程,用于研究上覆热拌层施工时对常温再生层温度场的影响,得出如下结论:
(1)上覆热拌料摊铺前后常温再生层温度变化值ΔT与上覆热拌料摊铺时间t与摊铺厚度H1、常温再生层深度H以及混合料摊铺温度有关,建立的再生层温度预估方程可反映再生层内部温度变化规律,对于江西、内蒙古以及类似气候地区温度预测具有一定适用性。后续将进一步补充温度实测数据,以扩大预估方程适用范围。
(2)常温再生层上覆HMA摊铺时,内部温度变化受到不同气候地区、不同施工环境以及应用层位等因素的影响。当施工大气温度高于25℃时,常温再生层中部位置温度大于60℃,当施工大气温度小于10℃时,常温再生层内部温度通常低于50℃。
(3)不同施工大气温度及室内二次击实温度对常温再生混合料体积参数及力学性能影响显著,温度越高,越有利于压实,并且混合料劈裂强度、抗剪强度及断裂功也均得到显著提升。因此,建议常温再生混合料施工时应充分利用大气温度优势,以提高常温再生层各项路用性能。
作者贡献声明
韩占闯:试验方法设计、实际调查研究、试验数据分析和解释、论文初稿撰写。
豆文举:实际调查研究、现场再生层试验段组织协调。
杨瑞康:实际调查研究、试验数据分析与整理。
刘黎萍:研究内容监管与指导、试验设计验证与核实、论文审阅与修订。
孙立军:研究构思与设计、论文审阅与修订。
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