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        系統(tǒng)論視角下環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計研究

        2019-07-19 05:45:01王占鋒李晶晶
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年17期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)論道路工程設(shè)計

        王占鋒 李晶晶

        摘 要:為了設(shè)計環(huán)氧抗滑磨耗層,引入系統(tǒng)方法論,分析環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建目的和構(gòu)建原理,并系統(tǒng)研究環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)層次和工作環(huán)境,基于此,通過分析工作環(huán)境、路用性能控制指標(biāo)、環(huán)氧黏結(jié)材料配比、性能試驗驗證和工程應(yīng)用等五方面,提出基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計。

        關(guān)鍵詞:道路工程;環(huán)氧抗滑磨耗層;系統(tǒng)論;設(shè)計

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.080

        環(huán)氧抗滑磨耗層是由環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料和耐磨骨料組成的聚合物薄層鋪裝系統(tǒng) [1,2]。環(huán)氧磨耗層直接暴露在大氣環(huán)境中,受到多種荷載和環(huán)境綜合作用,出現(xiàn)黏結(jié)材料顏色變白或變黃、骨料剝落等現(xiàn)象,究其原因是黏結(jié)材料與結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能下降,影響整個結(jié)構(gòu)使用性能和耐久性能,其解決之道是設(shè)計粘結(jié)性能優(yōu)異的磨耗層結(jié)構(gòu)[2,3]。系統(tǒng)論思想是如何處理好整體、結(jié)構(gòu)和個體之間的關(guān)系,從而達(dá)到理想的抗滑性能和粘結(jié)性能。國內(nèi)外學(xué)者對于系統(tǒng)論及其應(yīng)用展開了大量的研究,主要集中在食品安全、計算機(jī)技術(shù)等方面,在混凝土尤其是環(huán)氧抗滑磨耗層的研究比較少見。因此,有必要對環(huán)氧抗滑磨耗層進(jìn)行系統(tǒng)研究,提出基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層結(jié)構(gòu)設(shè)計,為道路工程的養(yǎng)護(hù)工作提供參考依據(jù)。

        1 環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計的系統(tǒng)論方法

        1.1 系統(tǒng)論

        20世紀(jì)20年代初,生物學(xué)家貝塔郎菲提出系統(tǒng)論的基本思想,隨后系統(tǒng)論以一種全新的科學(xué)方法論廣泛應(yīng)用于國際學(xué)術(shù)界[3]。我國錢學(xué)森科學(xué)家于1979年開始研究系統(tǒng)論,提出系統(tǒng)科學(xué)這一新科學(xué)技術(shù)體系,在對事物整體宏觀把控的基礎(chǔ)上,量化研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與各組成部分之間的關(guān)系、功能和工作環(huán)境,在自然科學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。

        系統(tǒng)處于特定環(huán)境中,由整體、個體、結(jié)構(gòu)和環(huán)境四部分構(gòu)成,研究系統(tǒng)就是研究系統(tǒng)與環(huán)境間的關(guān)系、系統(tǒng)個體和系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)關(guān)系、系統(tǒng)個體間的關(guān)系。應(yīng)用系統(tǒng)論處理環(huán)氧抗滑磨耗層結(jié)構(gòu)的實際問題,使之達(dá)到粘結(jié)性能和抗滑性能優(yōu)異的狀態(tài),其過程是還原論研究方法和整體論方法的綜合。

        1.2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建目的

        環(huán)氧抗滑磨耗層是一個暴露于外界環(huán)境的開放式系統(tǒng),其內(nèi)容涉及面廣、具有多樣性能目標(biāo),因此,環(huán)氧抗滑磨耗層需進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計方可滿足性能需求,其設(shè)計需確定系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)層次與外界環(huán)境條件,協(xié)調(diào)好各因素間的相互關(guān)系,從而使系統(tǒng)目標(biāo)最優(yōu)化。構(gòu)建的環(huán)氧磨耗層系統(tǒng)具有良好的粘結(jié)性、抗剝落性、抗滑性和耐久性等功能,每種功能的實現(xiàn)需依賴一定的結(jié)構(gòu)層次,而各結(jié)構(gòu)間通過疊加優(yōu)化派生出耐久性能,促進(jìn)系統(tǒng)最大效益的實現(xiàn)。將系統(tǒng)論的指導(dǎo)思想引入環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建中,可以為其提供一定的方法指導(dǎo),使其設(shè)計具有更強(qiáng)的科學(xué)性。

        1.3 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建原理

        系統(tǒng)論的基本原理主要有整體性、開放性、目的性、層次性和最優(yōu)化等原理,對于環(huán)氧抗滑磨耗層這一開放式系統(tǒng),僅分析其整體性、層次性和最優(yōu)化原理[2,3]。

        1.3.1 整體性

        系統(tǒng)論的整體性是指系統(tǒng)是由多個要素組成的有機(jī)整體,是系統(tǒng)最根本的特征之一。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是由環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料和抗滑骨料組成,每一組成要素均具有自身的特征,但新形成的磨耗層系統(tǒng)是一個具有一定抗滑性能和耐久性能的功能層。

        1.3.2 層次性

        系統(tǒng)論的層次性是指組成系統(tǒng)的各個要素之間存在地位和作用上的不同,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和功能上表現(xiàn)出等級秩序性。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)具有垂直結(jié)構(gòu)層次和水平結(jié)構(gòu)層次。

        1.3.3 最優(yōu)化

        系統(tǒng)論的最優(yōu)化原理是指改變系統(tǒng)各個要素的組成方式,從而實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮和效益最大化。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是調(diào)整環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料間配比、骨料用量等來實現(xiàn)系統(tǒng)的良好抗滑性能和抗剝落性能。

        2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)成

        進(jìn)行環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)設(shè)計需先弄清楚其系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)垂直層次和水平層次、系統(tǒng)的外界工作環(huán)境,明確相互關(guān)系,設(shè)計各組份配比,從而達(dá)到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實現(xiàn)耐久性目標(biāo)。

        2.1 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)組成

        根據(jù)環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建目的和構(gòu)建原理,將其系統(tǒng)分為主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)三大層次,主系統(tǒng)由環(huán)氧抗滑磨耗層組成,子系統(tǒng)由環(huán)氧黏結(jié)材料和抗滑骨料組成,從系統(tǒng)由環(huán)氧樹脂、增韌劑、固化劑、稀釋劑和水組成[3]。

        2.2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次

        環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)組成。從水平結(jié)構(gòu)層次來看,抗滑骨料和黏結(jié)材料間屬于水平關(guān)系,環(huán)氧樹脂與外加劑間也屬于水平關(guān)系;從垂直結(jié)構(gòu)層次來看,環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)組成,主系統(tǒng)受環(huán)氧黏結(jié)材料和抗滑骨料的性能制約,子系統(tǒng)受環(huán)氧樹脂和外加劑的性能制約。按照環(huán)氧抗滑磨耗層的粘結(jié)性能來看,環(huán)氧樹脂這一要素占主導(dǎo)地位。因此,研究環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的綜合使用性能,需從主系統(tǒng)向子系統(tǒng)和從系統(tǒng)倒推,逐層次對各子系統(tǒng)和從系統(tǒng)進(jìn)行性能分析,層層優(yōu)化。

        2.3 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的工作環(huán)境

        環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)直接暴露在大氣環(huán)境中,承受著車輛荷載、溫度交替變化和濕度變化等因素的綜合作用,與自然環(huán)境和使用環(huán)境發(fā)生持續(xù)的能量交換,是一個開放式的系統(tǒng)。因此,研究其系統(tǒng)性能需綜合考慮自然環(huán)境和使用環(huán)境的影響。在車輛荷載和大氣環(huán)境變化的綜合作用下,環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)表面會出現(xiàn)骨料剝落、抗滑性能減弱,進(jìn)而出現(xiàn)裂縫、結(jié)構(gòu)性性能衰減乃至破壞。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的工作環(huán)境見圖1。

        3 基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計

        系統(tǒng)論方法進(jìn)行活動設(shè)計一般包括辨識環(huán)境、確定目標(biāo)、系統(tǒng)構(gòu)成與分析、解決辦法與確定最終方案等步驟,根據(jù)環(huán)氧抗滑磨耗層的養(yǎng)護(hù)特點及抗滑抗剝落性能要求,提出系統(tǒng)論視角下環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計流程,包括辨識環(huán)境、確定路用性能指標(biāo)、黏結(jié)材料配比優(yōu)化、性能試驗驗證和工程應(yīng)用等5個方面[3]。

        3.1 辨識工作環(huán)境

        調(diào)查需進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的氣象資料、交通量大小、舊路病害狀況和舊路承載力、抗滑骨料供應(yīng)情況和價格,結(jié)合路況的適應(yīng)性分析,確定采用何種養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行舊路處治,方可進(jìn)行環(huán)氧抗滑磨耗層的養(yǎng)護(hù)。

        3.2 確定路用性能控制指標(biāo)

        根據(jù)待養(yǎng)護(hù)的道路交通等級,分析工作環(huán)境對環(huán)氧抗滑磨耗層路用性能的要求,主要包括不同條件下層間粘結(jié)性能、磨耗層表面抗滑性能和骨料抗剝落性能,基于性能指標(biāo)要求,確定環(huán)氧黏結(jié)材料和抗滑骨料技術(shù)指標(biāo)。

        3.3 優(yōu)化環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料配比

        依據(jù)前述提出的粘結(jié)性能、抗滑性能、抗剝落性能等路用性能指標(biāo)要求,合理選擇環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑、稀釋劑類型,進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化試驗研究,確定出合適的復(fù)配方案。

        3.4 性能試驗驗證

        將初配好的環(huán)氧樹脂黏結(jié)材料均勻涂抹在事先成型的路面板上,再其上鋪筑一定用量的抗滑骨料,固化一定時間,通過拉拔和剪切試驗測定層間粘結(jié)強(qiáng)度,構(gòu)造深度和DFT附著系數(shù)檢測測定其抗滑性能,骨料質(zhì)量損失率測定其抗剝落性能,檢查這些性能指標(biāo)是否滿足規(guī)范規(guī)定的路用性能指標(biāo)要求。

        3.5 工程應(yīng)用

        將各項性能試驗均滿足要求的復(fù)配設(shè)計方案應(yīng)用于實際道路養(yǎng)護(hù)工程,長期觀察和檢測試驗效果,同時可進(jìn)行全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益分析,評價養(yǎng)護(hù)方案。

        4 結(jié)論

        環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是一個開放式的復(fù)雜系統(tǒng),結(jié)合系統(tǒng)方法論,明確環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是由主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)組成,分析其垂直結(jié)構(gòu)層次和水平結(jié)構(gòu)層次,以及系統(tǒng)與自然環(huán)境和使用環(huán)境間的能量交換。提出從辨識工作環(huán)境入手,充分考慮工程所在地現(xiàn)有交通狀況和自然環(huán)境條件,以粘結(jié)性能、抗滑性能和抗剝落性能作為路用性能控制指標(biāo),確定環(huán)氧黏結(jié)材料配比,并進(jìn)行性能驗證和工程應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計。

        參考文獻(xiàn):

        [1]方星,王興昌,磨煉同.薄層環(huán)氧抗滑鋪裝材料加速加載試驗研究[J].公路,2010,10(10):214-219.

        [2]趙鋒軍,李宇峙.鋼橋面薄層環(huán)氧樹脂混凝土鋪裝材料路用性能試驗研究[J].公路,2010,2(02):74-78.

        [3]李晶晶.水泥路面環(huán)氧抗滑磨耗層材料與結(jié)構(gòu)特性研究[D].西安:長安大學(xué),2018.

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