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原文传递沥青混合料低温铺筑热扩散过程及改进技术研究

论文题名：	沥青混合料低温铺筑热扩散过程及改进技术研究
关键词：	低温环境;沥青混合料;铺筑热扩散;温度场仿真;宽域温度压实
摘要：	沥青路面低温环境铺筑时,混合料将迅速降温,导致难以碾压密实或产生显著温度-密实度离析进而影响路用性能。但是,由于气候环境特点,我国北方和青藏高原地区的沥青路面施工将不可避免地遇到大温差或低温的不利环境。低温环境铺筑是我国筑路领域必须面对的问题。当施工条件不利时,道路工作者需要了解沥青混合料自最高铺筑温度冷却到允许压实的温度下限时所需要的有效压实时间,以制定是否施工的决策;或者当处于大温差不利环境而又必须施工时,应采取何种应对措施以保证工程质量。针对上述问题,本文从传热学角度出发,建立了铺筑温度场的数值仿真模型,采用仿真手段对沥青路面低温铺筑过程的热扩散影响因素进行了敏感性分析。进而,在影响因素分析的基础上,提出并研究了放大沥青混合料可压实温度域的低温施工改进技术。　　沥青路面铺筑热扩散过程影响因素复杂而多变,由现场观测和统计无法得到全面和可靠的规律。研究首先基于铺筑温度场的观测和传热学分析,确定铺筑过程中不同的热扩散影响因素在沥青铺层层内与界面的传热方式与能量守恒。然后通过对铺筑过程中材料性质与边界条件的研究,建立了基于通用CAE(ComputerAidedEngineering)软件的一维铺筑温度场仿真模型。该模型的特点是采用在铺筑过程中随碾压次数和温度而改变的材料热物性,以及随施工表面温度和压实遍数动态变化的对流、有效辐射和洒水三种边界换热条件,同时层厚在铺筑过程中随碾压次数非连续变化。通过初始条件迭代,实现了多种非连续性条件在连续场仿真中的同时调用。依据温度场观测结果所进行的仿真检验证明:本文仿真模型准确,仿真结果与观测结果一致。　　基于仿真试验,本文对影响铺筑热扩散的环境条件、铺层条件、底层条件和施工工艺条件等因素进行了单因素和多因素敏感性分析,分层逐次揭示了铺筑热扩散过程对于不同因素变化的敏感性。分析结果表明,在0~10℃区间的典型低温施工环境下,初压温度每增加10℃,4~6cm铺层的有效压实时间能延长约5min;初压温度相同的情况下,厚度每减少1cm,有效压实时间减少约10min。沥青层厚度小于等于5cm时压实时间将变得窘迫,必须通过技术改进措施延长有效压实时间来保证压实质量。　　放大沥青混合料施工可操作温度范围对延长有效压实时间非常有效,且对工程具有普遍适用性。相对于温拌,低温环境施工时,维持热拌是保证压实质量、混合料品质与路面长期使用性能的基本需求。由此,本文将混合料低温施工技术改进方向确定为保持高温拌合的同时降低压实温度,提出用稀释机理的沥青阶段降粘技术,基于平衡拌合-铺筑-使用三个阶段的沥青降粘作用来实现上述研究目的。　　为评价稀释机理阶段降粘技术对混合料由施工期到服役期的全面影响,研究设计了沥青高温拌合老化影响-混合料最佳压实温度降低效果影响-混合料服役期路用性能影响的试验评价体系。从而对使用降粘添加剂的混合料进行了全面技术评价。试验结果表明,以煤油为基础的降粘添加剂对沥青热拌老化无明显不利影响,热拌后的混合料可压实温度域放大20℃,相应能使5cm以下薄层沥青路面低温施工的有效压实时间延长约20min;在密实度相同的情况下,热拌-温成型的稀释机理沥青混合料的服役期路用性能总体上不低于热拌-热成型的普通沥青混合料。通过试验路应用,本文验证了热拌稀释降粘型沥青混合料的低温环境应用效果。在平均负温环境并未对压实工艺进行调整的条件下,使用该类型混合料的4cm和5cm的路面达到了高压实标准。而跟踪观测证明:试验路所使用的混合料能够经受荷载和环境的考验。　　本文在沥青路面铺筑温度场仿真模型、铺筑热扩散影响因素敏感性分析、适于低温铺筑的沥青混合料改进技术机理、阶段降粘技术对沥青混合料最佳压实温度影响评价等方面开展的创新性研究有助于解决低温环境沥青路面施工的技术问题。
作者：	王黎明
专业：	道路与铁道工程
导师：	谭忆秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文