淺議溫度對公路路面的影響及施工質(zhì)量控制措施

摘要：瀝青混合料為粘彈性材料，自身對溫度變化較為敏感，當(dāng)溫度達(dá)到其軟化點(diǎn)時(shí)，將造成嚴(yán)重的車轍等病害，嚴(yán)重影響了瀝青路面結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。結(jié)合熱力學(xué)基本原理，列出了溫度在路面結(jié)構(gòu)中的熱傳導(dǎo)方程，從理論上闡釋了溫度在路面結(jié)構(gòu)中的傳遞原理，并根據(jù)以往的研究，得到了溫度對公路瀝青路面自身溫度、車轍、動(dòng)穩(wěn)定度、動(dòng)力響應(yīng)等方面的影響。最后，總結(jié)了高溫條件下公路路面施工的質(zhì)量控制措施，包括做好施工前準(zhǔn)備工作、提高公路路基對應(yīng)工作區(qū)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性、瀝青混合料級(jí)配與施工時(shí)間的選擇、對路面進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)等。

關(guān)鍵詞：道路工程;溫度;公路路面;施工質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：U416.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.前言

公路是城市交通的主要組成部分^[1]，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展中扮演著極其重要的角色^[2]。而在公路工程的施工中，瀝青路面的施工技術(shù)水平是項(xiàng)目質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)之一，其對公路工程項(xiàng)目的質(zhì)量水平影響極大^[3]。由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、高平整性、高連續(xù)性、耐磨性好、行車跳動(dòng)小、施工周期短、養(yǎng)護(hù)維修方便等一系列優(yōu)異的性能，實(shí)際工程中常采用瀝青混合料路面^[4]。在實(shí)際公路工程項(xiàng)目施工過程中，受施工人員專業(yè)素養(yǎng)、環(huán)境與地質(zhì)條件因素、原材料初始缺陷等內(nèi)外因素的影響，瀝青路面施工質(zhì)量難以得到保證^[5]，常出現(xiàn)泛油、坑槽、波浪、壅包、沉陷、滑溜、車轍、裂縫、松散等病害，是公路工程質(zhì)量的通病 ^[1][6]。瀝青混合料為粘彈性材料，自身對溫度變化較為敏感，氣溫升高將直接引起瀝青路面溫度的升高，進(jìn)而導(dǎo)致熱量在路面結(jié)構(gòu)中緩慢累積，甚至高于環(huán)境溫度，當(dāng)溫度達(dá)到瀝青混合料軟化點(diǎn)時(shí)，將造成嚴(yán)重的車轍等病害，影響路面結(jié)構(gòu)的行車舒適度及安全性，嚴(yán)重影響了瀝青路面結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命^[6]。因此，基于溫度場理論及路面結(jié)構(gòu)的溫度場分布形式，探討了溫度對公路路面的作用機(jī)理，并分析了公路路面結(jié)構(gòu)在施工過程中針對溫度影響的一些施工質(zhì)量控制措施。

2.溫度對公路路面的作用機(jī)理

2.1 公路路面溫度傳遞原理

影響路面溫度場的因素按照其作用形式和來源，可分為外部因素和內(nèi)部因素，其中，外部因素包括氣溫、氣壓、風(fēng)速、太陽輻射、濕度等，內(nèi)部因素包括材料自身的物理力學(xué)性能及路面結(jié)構(gòu)形式等^[7]。以往的研究表明，在影響瀝青路面溫度場的環(huán)境因素中，氣溫對其影響最為顯著，相比之下，太陽輻射是除氣溫之外對路面溫度場最主要的影響因素，其在白天使路面溫度升高^[8]。根據(jù)熱力學(xué)基本原理，公路路面結(jié)構(gòu)熱量傳遞包括熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流三種基本方式。

表征固體中熱量傳遞過程的熱傳導(dǎo)方程如下所示^[9-14]。

如圖2.1所示，取一微元體，滿足均勻性和各向同性的假定。

2.2 溫度對公路瀝青路面的影響

氣溫對瀝青路面的力學(xué)性能和耐久性影響較大，瀝青路面自身的溫度比可能會(huì)比氣溫高25℃左右，尤其在我國一些南方地區(qū)，最高氣溫甚至可達(dá)35℃以上，公路瀝青路面的溫度最高時(shí)可能會(huì)達(dá)到60℃到65℃左右，加之南方地區(qū)夏季高溫持續(xù)時(shí)間長，公路工程車流大，交通壓力大，公路瀝青路面在上述因素綜合影響下，自身勁度模量會(huì)大幅度降低，抗變形能力亦隨之下降，從而導(dǎo)致公路瀝青路面出現(xiàn)車轍、推擁等不可恢復(fù)的永久性變形，對公路瀝青路面的耐久性、安全性、行車舒適性等帶來嚴(yán)重影響^[15]。

有研究表明^[16]，當(dāng)溫度較低時(shí)，柔性基層、半剛性基層、冷再生基層對應(yīng)的瀝青路面所產(chǎn)生的車轍差別不大，而溫度不斷升高時(shí)，車轍增量隨之逐漸變大。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，公路瀝青面層自身的模量不斷減小，路面結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)變與應(yīng)力則不斷增大，且溫度的升高會(huì)導(dǎo)致混合料的抗剪與抗壓強(qiáng)度降低，上述的分析與結(jié)果說明，在高溫條件下，公路瀝青路面更容易出現(xiàn)車轍病害。相對而言，半剛性基層自身具有較大的回彈模量，在一定程度上能提高路面結(jié)構(gòu)層的整體剛度，但公路瀝青路面所分擔(dān)的應(yīng)力會(huì)隨之不斷增加，因此，采用半剛性基層不利于提高路面的抗車轍能力。因此，在高溫條件下，柔性基層公路瀝青路面抗車轍能力最強(qiáng)，半剛性基層公路瀝青路面抗車轍能力最弱。

此外，以往的研究表明^[4][17]，溫度對瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)和動(dòng)穩(wěn)定度有極為顯著的的影響。隨著溫度的升高，公路瀝青路面的基層底部縱向應(yīng)變、路表彎沉、路基頂部豎向壓應(yīng)變以及底部橫向應(yīng)變隨著溫度的逐漸升高，呈現(xiàn)出相當(dāng)明顯的增大趨勢，而動(dòng)穩(wěn)定度則呈現(xiàn)出相當(dāng)明顯的下降趨勢，且溫度越高，這一趨勢越明顯。相對而言，公路瀝青面層底部的縱向和橫向拉應(yīng)變隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。瀝青路面隨著溫度的升高逐漸由彈性向粘彈性轉(zhuǎn)變，混合料自身的模量變化較大，逐漸變得比較小，因此會(huì)導(dǎo)致公路瀝青路面承載能力下降，進(jìn)而致使基層分擔(dān)較多的荷載。

3.高溫條件下公路路面施工質(zhì)量控制

首先，做好施工前準(zhǔn)備工作，提高公路路基對應(yīng)工作區(qū)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，保證設(shè)計(jì)的瀝青路面結(jié)構(gòu)和瀝青混合料類型及物理力學(xué)性能。嚴(yán)格遵循照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，面層在滿足車輛行駛的使用要求外，還須采取相應(yīng)措施保證公路量路面的防滲性，如選用粒徑與空隙較小的級(jí)配混合料。嚴(yán)格控制路基施工過程中的填筑工藝，保證路基強(qiáng)度，其中壓實(shí)度是表征路基輕度的主要參數(shù)之一，也是保證路基強(qiáng)度并控制施工質(zhì)量最有效、最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施之一，故此施工過程中需要嚴(yán)加控制壓實(shí)度，并注意降低施工過程路基周圍的地下水，以有效保證并提高路基工作區(qū)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

其次，施工過程中注意采取對應(yīng)的措施，降低高溫對公路路面施工的影響并保證施工質(zhì)量。根據(jù)以往的研究，施工過程中進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)必須考慮材料的高溫性能時(shí)，混合料應(yīng)選擇能形成逐級(jí)嵌套骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配形式，同時(shí)結(jié)合近年發(fā)展起來的較為先進(jìn)的Superpave技術(shù)對應(yīng)的設(shè)計(jì)理念，充分考慮公路瀝青路面在其服務(wù)期內(nèi)溫度對路面的影響，對高溫條件下公路瀝青路面的設(shè)計(jì)及施工采取一定的預(yù)防措施，盡量避開瀝青混合料中細(xì)集料容易在高溫條件先形成流動(dòng)的集料范圍。通過車轍試驗(yàn)可以得到公路瀝青路面動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青混合料油石比之間的回歸關(guān)系，進(jìn)而考慮高溫條件下施工過程中瀝青混合料的油石比設(shè)計(jì)。此外，在進(jìn)行混凝土路面施工時(shí)，施工時(shí)的溫度對混凝土早期強(qiáng)度的形成時(shí)間影響較大，面層鋪筑施工時(shí)，施工時(shí)間可選擇在16：00之前，夜間施工時(shí)應(yīng)在22：00之后進(jìn)行^[15]。

最后，對公路瀝青路面進(jìn)行及時(shí)的預(yù)防性維護(hù)，已經(jīng)產(chǎn)生病害的部位，選取適宜的措施進(jìn)行維修維護(hù)，提高路面的使用壽命和耐久性。一直以來，傳統(tǒng)意義上公路工程的維修和養(yǎng)護(hù)，只是等到路面開始出現(xiàn)損壞或已經(jīng)發(fā)生較為嚴(yán)重的損壞時(shí)才進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，對于那些正常使用但未出現(xiàn)病害的路段并未采取措施，忽略了預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的重要性。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是公路工程運(yùn)營過程中周期性的強(qiáng)制保養(yǎng)措施，并不考慮公路工程的路面是否發(fā)生破損，其最佳的實(shí)施時(shí)段應(yīng)該是在路面未發(fā)生破損或有損壞的征兆時(shí)。采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，比公路路面發(fā)生破損后在進(jìn)行維修維護(hù)代價(jià)要小，且施工簡單方便，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.小結(jié)

溫度對公路瀝青路面的力學(xué)性能和耐久性影響較大，加之我國南方部分地區(qū)夏季高溫持續(xù)時(shí)間長，公路交通壓力大，路面在上述因素綜合影響下會(huì)出現(xiàn)車轍、推擁等不可恢復(fù)的損傷，對公路瀝青路面的耐久性、安全性、行車舒適性等影響較大。因此，高溫條件下公路路面施工時(shí)，應(yīng)做好施工前準(zhǔn)備工作，提高公路路基對應(yīng)工作區(qū)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，保證設(shè)計(jì)的瀝青路面結(jié)構(gòu)和瀝青混合料類型及物理力學(xué)性能;施工過程中瀝青混合料應(yīng)選擇能形成逐級(jí)嵌套骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配形式，借鑒Superpave技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，充分考慮公路瀝青路面在其服務(wù)期內(nèi)溫度對路面的影響，盡量避開瀝青混合料中細(xì)集料容易在高溫條件先形成流動(dòng)的集料范圍;對公路瀝青路面進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，不僅比公路路面發(fā)生破損后在進(jìn)行維修維護(hù)代價(jià)要小，且施工簡單方便，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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20-23.

作者簡介：賈金鵬（1991—），男，漢族，甘肅定西人，本科，主要從事公路工程施工工作，