温度对公路路面的影响及控制措施

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温度对公路路面的影响及控制措施

摘要:沥青混合料为粘弹性材料,自身对温度变化较为敏

感,当温度达到其软化点时,将出现严重的车辙等病害,影 响了沥青路面结构的耐久性和使用寿命。本论述结合热力学 基本原理,列出了温度在路面结构中的热传导方程,从理论 上阐释了温度在路面结构中的传递原理,并根据以往的硏 究,得到了温度对公路沥青路面自身温度、车辙、动稳走度、 动力响应等方面的影响;最后,总结了高温条件下公路路面 施工的质量控制措施,包括做好施工前准备工作、提高公路 路基对应工作区的强度和稳定性、沥青混合料级配与施工时 间的选择、对路面进行预防性维护等。

关犍词:道路工程;温度;公路路面;施工质量控制公路是城市交通的主要组成部分[1 ],在国民经济建设与发展中扮演菴极 其重要的角色[2 ]。而在公路工程施工中,沥青路面的施工技术水平是项目质 量控制的关键点之一,其对公路工程项目的质量水平影响极大[3 ]。由于沥青 混合料路面结构强度高、高平整性、高连续性、耐磨性好、行车跳动小、施工周 期短、养护维修方便等一系列优异性能,故实际工程中常采用沥青混合料路面

[4] 。在实际公路工程项目施工过程中,受施工人员专业素养、环境与地质条 件因素、原材料初始缺陷等内外因素的影响,沥青路面施工质量难以得到保证

[5] ,常出现泛油、坑槽、波浪、壅包、沉陷、滑溜、车辙、裂缝、松散等病 害,是公路工程质量的通病[1 ] [ 6 ]。沥青混合料为粘弹性材料,自身对温 度变化较为敏感,气温升高将直接引起沥青路面温度的升高,进而导致热量在路 面结构中缓慢累积,甚至高于环境遍度,当温度达到沥青混合料软化点时,将造 成严重的车辙等病害,影响路面结构的行车舒适度及安全性,严重影响了沥青路 面结构的耐久性和使用寿命[6 ]。因此,本论述基于温度场理论及路面结构的 温度场分布形式,探讨了温度对公路路面的作用机理,并分析了公路路面结构在 施工过程中针对温度影响的一些施工质量控制措施。

1温度对公路路面的作用机理

1.1公路路面温度传递原理

影响路面温度场的因素按照其作用形式和来源,可分为外部因素和内部因 素,其中,外部因素包括气温、气压、风速、太阳辐射、湿度等,内部因素包括 材料自身的物理力学性能及路面结构形式等[7 ]。以往的研究表明,在影响沥 青路面温度场的环境因素中,气遍对具影响最为显著,相比之下,太阳辐射是除 气温之外对路面温度场最主要的影响因素,其在白天使路面温度升高[8 ]。根 据热力学基本原理,公路路面结构热量传递包括热辐射、热传导和热对流三种基 本方式。表征固体中热量传递过程的热传导方程如式(1-5 )所示[9-14 ]。如 图1所示,取一微元体dxdydz ,满足均匀性和各向同性的假定。

1.2温度对公路沥青路面的影响

气温对沥青路面的力学性能和耐久性影响较大,沥青路面自身的温度可能会 比气温高25°C左右,尤其在我国南方地区,最高气温可达35°C以上,公路沥青 路面的温度最高时可能会达到60°C〜65°C,加之南方地区夏季高温持续时间长, 公路工程车流大,交通压力大,公路沥青路面在上述因素综合影响下,自身劲度 模量会大幅度降低,抗变形能力亦随之下降,从而导致公路沥青路面出现车辙、 推拥等不可恢复的永久性变形,给公路沥青路面的耐久性、安全性、行车舒适性 等带来严重影响[15]o有研究表明[16],当温度较低时,柔性基层、半刚 性基层、冷再生基层对应的沥青路面所产生的车辙差别不犬,而温度不断升高时, 车辙增量随之逐渐变大。当温度逐渐升高时,公路沥青面层自身的模量不断减小, 路面结构所承受的应变与应力则不断增大,且温度的升高会导致混合料的抗剪与 抗压强度降低,上述的分析与结果说明,在高温条件下,公路沥青路面更容易出 现车辙病害。相对而言,半刚性基层自身具有较大的回弹模量,在一定程度上能 提高路面结构层的整体刚度,但公路沥青路面所分担的应力会随之不断增加,因 此,采用半刚性基层不利于提高路面的抗车辙能力。因此,在高遍条件下,柔性 基层公路沥青路面抗车辙能力最强,半刚性基层公路沥青路面抗车辙能力最弱。 此外,以往研究表明[4] [17],温度对沥青路面的力学响应和动稳定度有极 为显著的影响。随看遍度的升高,公路沥青路面的基层底部纵向应变、路表弯沉、 路基顶部竖向压应变以及底部横向应变随看温度的逐渐升高,呈现出相当明显的 增大趋势,而动稳定度则呈现出相当明显的下降趋势,且温度越高,这一趋势越 明显。相对而言,公路沥青面层底部的纵向和横向拉应变随看温度的升高呈现出 先增大后减小的趋势。沥青路面随看温度的升高逐渐由弹性向粘弹性转变,混合 料自身的模量变化较大,逐渐变得较小,因此会导致公路沥青路面承载能力下降, 进而致使基层分担较多的荷载。

2高温条件下公路路面施工质量控制

首先,做好施工前准备工作,提高公路路基对应工作区的强度和稳定性,保 证设计的沥青路面结构和沥青混合料类型及物理力学性能。严格遵循沥青路面设 计规范,面层满足车辆行驶的使用要求外,还须采取相应措施保证公路路面的防 渗性,如选用粒径与空隙较小的级配混合料。严格控制路基施工过程中的填筑工 艺,保证路基强度,其中压实度是表征路基轻度的主要参数之一,也是保证路基 强度并控制施工质量最有效、最经济的技术措施之一,故此施工过程中需要严加 控制压实度,并注意降低施工过程路基周围的地下水,以有效保证并提高路基工 作区的强度和稳定性。其次,施工过程中注意采取对应的措施,降低高温对公路 路面施工的影响并保证施工质量。根据以往的研究,施工过程中进行沥青混合料 设计必须考虑材料的高温性能时,混合料应选择能形成逐级嵌套骨架结构的级配 形式,同时结合近年发展起来的较为先进的Superpave技术对应的设计理念, 充分考虑公路沥青路面在其服务期内温度对路面的影响,对高温条件下公路沥青 路面的设计及施工采取一定的预防措施,尽量避开沥青混合料中细集料容易在高 温条件先形成流动的集料范围。通过车辙试验可以得到公路沥青路面动稳定度与 沥青混合料油石比之间的回归关系,进而考虑高温条件下施工过程中沥青混合料