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        熱阻式瀝青路面組成及降溫技術(shù)研究

        2016-07-16 21:26:23張?jiān)銎?/span>韓繼成南曉粉陳浙江李壽偉
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)熱系數(shù)

        張?jiān)銎?韓繼成+南曉粉+陳浙江+李壽偉+蔣應(yīng)軍

        摘要:為了提高瀝青路面阻熱能力,采用導(dǎo)熱系數(shù)低的耐火碎石替換普通集料設(shè)計(jì)SMA13瀝青路面,從力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3個(gè)方面優(yōu)化組成比例,確定耐火碎石的最佳摻量。研究結(jié)果表明:耐火碎石替換比例取60%時(shí),瀝青混合料滿足力學(xué)性能和路用性能要求,熱阻瀝青混合料路用性能下降小于15%,吸熱能力和熱傳導(dǎo)能力明顯降低,降低溫度近7 ℃;耐火碎石替換比例為0%、20%、40%、60%、80%時(shí),降溫幅度先增大后減小,替換比例為60%時(shí)降溫幅度最大。

        關(guān)鍵詞:熱阻瀝青路面;導(dǎo)熱系數(shù);耐火碎石;最佳摻量

        中圖分類號:U416.217文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1000033X(2016)06007504

        0引言

        瀝青是一種典型的粘彈性體,具有非常高的吸熱能力,受溫度影響其性質(zhì)變化顯著[1]。瀝青路面表面因溫度升高,熱量聚積在表面層且持續(xù)周期變長,在重載交通反復(fù)作用下,瀝青路面極易形成車轍等病害。對于瀝青混合料來說,其熱傳導(dǎo)能力主要取決于集料的導(dǎo)熱系數(shù)[2]。因此,在瀝青混合料中,采取一種導(dǎo)熱系數(shù)小的集料作為替換材料,以提高瀝青路面阻熱能力,就成為一種新的且實(shí)際的手段。目前,國內(nèi)外對熱阻瀝青路面進(jìn)行了一些研究,例如德國采用鍛燒鋁礬土集料修筑瀝青路面,可降低瀝青路面溫度5 ℃~8 ℃;瑞典嘗試使用輕型材料泡沫玻璃顆粒作為路面絕熱材料[3];趙秋華將陶粒摻入瀝青混合料進(jìn)行研究,陶粒在瀝青混合料中的摻量在20%~40%之間,瀝青路面上下表面溫度之差最高達(dá)到5 ℃左右[4]。

        基于耐火碎石具有導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱、保溫的特性[5],本文采用耐火碎石替代原集料設(shè)計(jì)SMA13瀝青路面,從力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3個(gè)方面優(yōu)化組成比例,確定耐火碎石的最佳摻量;并采用溫度測試系統(tǒng),對比熱阻瀝青路面和普通瀝青路面的降溫效果,驗(yàn)證熱阻瀝青路面路用性能。

        1試驗(yàn)準(zhǔn)備

        1.1級配與原材料

        瀝青混合料級配類型采用SMA13[6],級配組成如表1所示。普通SMA瀝青路面原材料為SBS改性瀝青、粗集料(玄武巖碎石)、細(xì)集料(石灰?guī)r石屑)、石灰?guī)r礦粉和木質(zhì)纖維(占混合料總質(zhì)量的03%)。

        熱阻瀝青路面通過用導(dǎo)熱系數(shù)低的耐火碎石替換普通集料獲得,耐火碎石的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

        1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        從表2可以看出,耐火碎石的技術(shù)指標(biāo)基本滿足要求,但和玄武巖相比,耐火碎石材料的力學(xué)性能還差很多,主要是由于耐火碎石本身強(qiáng)度低,在荷載作用下容易破碎。在SMA13級配中,2.36~475 mm檔集料占集料總質(zhì)量比例較小,同時(shí)對主骨架結(jié)構(gòu)影響不大;而4.75~9.5 mm檔料含量較多,其粒徑介于主骨架95~13.2 mm檔料與關(guān)鍵篩孔475 mm之間[7]。該檔料既具有足夠的粒徑尺寸,保證空隙的形成;同時(shí)其粒徑又小于SMA13主骨架,在施工或運(yùn)營過程中不易被壓碎。

        考慮到以上問題,本文將2.36~4.75 mm檔集料中耐火碎石摻量固定為100%,以耐火碎石替代4.75~9.5 mm檔集料設(shè)計(jì)SMA13瀝青路面,從力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3個(gè)方面進(jìn)行研究,確定耐火碎石在該檔集料下的最佳摻量,使其達(dá)到降低瀝青路面溫度的作用。

        1.3路面溫度測試系統(tǒng)

        溫度測試系統(tǒng)如圖1所示,主要由系統(tǒng)封箱、試驗(yàn)光照燈(碘鎢燈)、溫度記錄儀、溫度探頭以及風(fēng)扇組成。參照復(fù)合車轍板制備方法制備300 mm×300 mm×100 mm車轍板試件,試件周圍用隔溫泡沫包圍。為準(zhǔn)確地模擬光照升溫與降溫,以24 h作為一個(gè)完整的試驗(yàn)周期,0~12 h模擬白天光照時(shí)間,12~24 h模擬夜晚降溫時(shí)間。

        2試驗(yàn)結(jié)果與分析

        根據(jù)設(shè)計(jì)級配和馬歇爾試驗(yàn)方法,采用體積質(zhì)量轉(zhuǎn)化法,將耐火碎石替換混合料中的原集料,確定了耐火碎石摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%時(shí),相對應(yīng)的最佳油石比為63、64、65、66、67、68。

        2.1耐火碎石最佳摻量的研究

        根據(jù)確定的耐火碎石摻量為0%、20%、40%、60%、80%、100%時(shí)的最佳油石比,進(jìn)行力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3方面測試。

        2.1.1力學(xué)性能

        根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTG E20—2011)規(guī)范,采用單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混合料力學(xué)性能的評價(jià),其評價(jià)指標(biāo)抗壓峰值力和劈裂峰值力與耐火碎石摻量的關(guān)系如圖2所示。

        根據(jù)圖2可知,隨著耐火碎石摻量的增加,抗壓峰值力和劈裂峰值力急劇下降。當(dāng)耐火碎石摻量超過60%時(shí),抗壓峰值力呈線性下降,這是由于耐火碎石這種材料本身的強(qiáng)度不足造成的,說明耐火碎石摻量不宜超過60%。

        2.1.2路用性能

        根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求,采用馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)等進(jìn)行瀝青混合料的路用性能評價(jià)。對于SMA13瀝青混合料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求其凍融劈裂強(qiáng)度比、浸水殘留穩(wěn)定度均不小于80%。測試得得到凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變和動穩(wěn)定度與耐火碎石摻量的關(guān)系如圖3、4所示。

        根據(jù)圖4可知,在滿足瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水殘留穩(wěn)定度的基礎(chǔ)上,耐火碎石的摻量超過60%時(shí),動穩(wěn)定度和低溫彎曲應(yīng)變急劇衰減,說明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性均有不同程度降低。原因在于,隨著耐火碎石的摻入量逐漸增加,瀝青用量也逐漸增加,集料表面附著的瀝青膜逐漸變厚,造成自由瀝青所占的比例增多,使瀝青混合料高溫穩(wěn)定性降低,所以建議耐火碎石摻入量不宜超過60%。

        2.1.3降溫效果測試

        采用溫度測試系統(tǒng)測定不同時(shí)間、不同層位和不同摻量下,熱阻瀝青路面溫度變化規(guī)律如圖5~7所示。

        根據(jù)圖5~7可知,耐火碎石摻量分別為20%、40%、60%和80%時(shí),路面降溫幅度分別達(dá)到1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃、0.7 ℃,降溫規(guī)律呈先增大后減小態(tài)勢。當(dāng)耐火碎石摻量為60%時(shí),降溫幅度最大;且隨著光照時(shí)間的增長,距路表深處的降溫效果會明顯增加,說明耐火碎石瀝青路面適合在長時(shí)間處于高溫狀態(tài)下的地區(qū)使用。但當(dāng)耐火碎石摻量為80%時(shí),路面降溫幅度在減小,且凍融劈裂強(qiáng)度比不滿足要求。

        綜上所述,在保證力學(xué)性能和路用性能的前提下,建議耐火碎石的摻量為60%左右。

        2.2路用性能驗(yàn)證及降溫效果對比

        2.2.1路用性能驗(yàn)證

        采用摻量為60%的耐火碎石制備熱阻瀝青,進(jìn)行熱阻瀝青路面路用性能驗(yàn)證。熱阻瀝青路面和普通瀝青路面路用性能對比結(jié)果見表3。

        根據(jù)表3可知,熱阻瀝青路面與普通瀝青路面相比,其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性均有所降低,但滿足相關(guān)規(guī)范要求;路用性能整體下降控制在15%之內(nèi),對瀝青混合料路用性能影響不顯著。

        2.2.2降溫效果對比

        采用溫度測試系統(tǒng)測定熱阻瀝青路面和普通瀝青路面在不同層位和不同時(shí)間下的溫度變化情況,測定結(jié)果見圖8~10。

        根據(jù)圖8~10可知,熱阻路面表層降溫幅度隨著光照時(shí)間先增大后減小,說明耐火碎石的摻加,降低了路面對太陽輻射的吸收能力,抑制了路表面溫度上升,最高溫差近7 ℃,有效地減少車轍等病害的發(fā)生機(jī)率。通過對比同一時(shí)刻不同層位的降溫效果,熱阻路面?zhèn)鬟f熱量小于普通瀝青路面,說明耐火碎石的摻加降低了路面熱傳導(dǎo)能力,能夠減輕因溫度引起的路面結(jié)構(gòu)損害。

        3結(jié)語

        (1)當(dāng)耐火碎石替換比例取60%時(shí),SMA13瀝青混合料滿足力學(xué)性能和路用性能的要求,路用性能下降比例小于15%。

        (2)耐火碎石替換比例為20%、40%、60%、80%時(shí),路面降溫幅度分別達(dá)到了1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃和0.7 ℃,路面降溫幅度先增大后減??;當(dāng)摻量為60%時(shí),降溫幅度最大。

        (3)通過對比表層溫度和不同層位溫度變化,熱阻瀝青混合料吸熱能力和熱傳導(dǎo)能力明顯降低,溫差最高近7 ℃。

        參考文獻(xiàn):

        [1]胡建榮,江慧娟.瀝青路面使用性能綜合評價(jià)指標(biāo)研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2007,24(5):2021,37.

        [2]張慧彧,鄒玲,紀(jì)小平.瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)研究[J].公路,2011,56(10):5052.

        [3]趙秋華.陶粒熱阻磨耗層材料試驗(yàn)研究[D].西安:長安大學(xué),2012.

        [4]李彥偉,張倩,謝來斌,等.瀝青路面導(dǎo)熱系數(shù)測試及其對路面溫度場影響的模擬[J].功能材料,2012,43(2):129132.

        [5]楊東來,徐永鋼,張廣平,等.瀝青路面集料加工技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2015,32(12):3140.

        [6]張宜洛,鄭南翔.瀝青混合料的基本參數(shù)對其高低溫性能的影響[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,26(4):3539.

        [7]南曉粉.熱阻瀝青路面降溫技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2015.

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