新型高寒地區(qū)半剛性材料養(yǎng)生方式研究

毛雪松　李汶霖　王鐵權(quán)　張慧軍　王莉云　張海寧　黃喆　朱鳳杰　劉龍旗

摘要：針對高寒地區(qū)半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)裂縫、沉陷、殘損等病害問題，結(jié)合半剛性材料的特性以及高寒地區(qū)豐富的太陽能資源，提出了具有節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)使用等優(yōu)點的保溫袋養(yǎng)護(hù)方式，經(jīng)設(shè)計試驗選擇了具有最佳保溫效果的保溫袋類型。結(jié)果表明，該養(yǎng)護(hù)方式具有良好的保溫效果，能有效地抑制半剛性基層溫縮，提高道路品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：半剛性材料；保溫袋養(yǎng)生；溫度采集；高寒地區(qū)

中圖分類號：U416.16文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Aimed at the cracks， subsidence， damage and other diseases on asphalt pavement with semirigid base in alpine region， a maintenance approach with the advantages of ecofriendly and recyclable was proposed considering the characteristics of semirigid materials and the abundant solar energy in alpine region. Isothermal bags were chosen based on the test results. Thanks to its best heat preservation effect， the maintenance approach with isothermal bags effectively inhibits the temperature shrinkage of the semirigid base and improves the road quality.

Key words： semirigid material； maintenance with isothermal bag； temperature data collection； alpine region

0引言

半剛性材料因其強(qiáng)度高、剛性大、利于機(jī)械化施工以及能適應(yīng)重交通發(fā)展等特點，被廣泛應(yīng)用于高等級瀝青公路的路面基層和底基層，成為路面結(jié)構(gòu)施工中的主要組成材料。然而，半剛性材料抗溫變形能力較差，容易形成溫縮裂縫，誘發(fā)路面產(chǎn)生反射裂縫，縮短道路使用壽命[13]。很多專家針對半剛性基層材料的溫縮特性展開了深入的研究，但對于高寒地區(qū)半剛性基層材料在養(yǎng)生期間溫縮裂縫的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究甚少。本文針對高寒地區(qū)特殊的自然環(huán)境，從半剛性材料基層養(yǎng)生保溫的角度出發(fā)，提出針對高寒地區(qū)半剛性基層的養(yǎng)生保溫袋，并分析其保溫效果。

1新型保溫袋設(shè)計理念

1.1高寒地區(qū)半剛性材料的溫縮及干縮特性

高寒地區(qū)溫度低、日照時間長、晝夜溫差大、太陽輻射強(qiáng)烈，即使在正常的施工季節(jié)，夜晚溫度也會降到0 ℃以下，這樣的自然環(huán)境給半剛性基層養(yǎng)生帶來很大問題，尤其是由于溫差較大而產(chǎn)生的溫縮裂縫。高寒地區(qū)夜晚溫度驟降，半剛性基層結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度梯度較大，體積收縮會產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力。當(dāng)溫度收縮應(yīng)力大于基層材料的極限抗拉強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生收縮裂縫[4]，且溫差越大，半剛性基層材料越容易開裂。

高寒地區(qū)氣候普遍干燥、寒冷、少雨，水資源相對匱乏；地形地貌以草原荒漠居多，植被多以耐寒旱生的多年生叢生禾草、根莖苔草和小半灌木為主。而半剛性基層材料干縮現(xiàn)象主要發(fā)生在竣工后的初期階段，水泥與各種細(xì)集料和水經(jīng)拌和、壓實后，由于蒸發(fā)使混合料內(nèi)部的水分會不斷減少，產(chǎn)生毛細(xì)作用、吸附作用、分子間的作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和炭化收縮作用等，引起半剛性基層材料毛細(xì)孔隙中的自由水丟失而產(chǎn)生體積收縮[5]。所以該地區(qū)半剛性材料極易由于養(yǎng)護(hù)期間水分保持不當(dāng)出現(xiàn)干縮裂縫。因此在半剛性材料養(yǎng)護(hù)中，水分保持十分重要。而在高寒地區(qū)，半剛性材料養(yǎng)護(hù)過程中水分易失不易補(bǔ)，所以干縮裂縫在該地區(qū)相當(dāng)普遍，嚴(yán)重影響了道路的使用性能和使用壽命[68]。

1.2傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式的局限性

傳統(tǒng)半剛性基層養(yǎng)生方式主要包括：采用濕砂、不透水薄膜、草簾等材料覆蓋養(yǎng)生；采用乳化瀝青透層油及稀漿封層技術(shù)養(yǎng)生；采用人工或灑水車定期灑水養(yǎng)生等。但這些方法用于高寒地區(qū)的半剛性基層養(yǎng)生時，很難有效控制溫縮裂縫及干縮裂縫的產(chǎn)生[910]。

1.3保溫袋基本設(shè)計原理

高寒地區(qū)太陽能資源豐富，從能量傳遞和轉(zhuǎn)化的角度出發(fā)，利用熱傳導(dǎo)將保溫袋內(nèi)的部分能量傳遞給半剛性基層。保溫袋材質(zhì)為高強(qiáng)度透明塑料膜，有利于陽光的穿透。保溫袋內(nèi)注入一定量的水，在水上方充入空氣作為隔熱層，白天，太陽光穿透保溫袋，在水中將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使袋中水的內(nèi)能增加，水溫升高；夜晚，氣溫下降，半剛性基層溫度也隨之降低，在內(nèi)外溫差的作用下保溫袋中的水以熱傳導(dǎo)的方式將部分熱量傳送給半剛性基層，從而達(dá)到保溫的效果?？諝鈱拥母魺嶙饔靡部梢杂行У販p少熱量散失。保溫袋設(shè)計如圖1所示。

2試驗方案

為了選擇保溫效果最好的保溫袋類型以及驗證最優(yōu)保溫袋的保溫效果，本文試驗的主要內(nèi)容包括2個方面：一是選擇不同類型的保溫袋在同等條件下分析保溫效果；二是分析在最優(yōu)保溫袋養(yǎng)護(hù)下試件的強(qiáng)度及變形性能。

2.1不同類型保溫袋保溫效果試驗

該部分試驗共設(shè)計了5種不同形式的保溫袋，分別為：雙面透明充氣袋、雙面透明未充氣袋、雙面透明充氣黑水袋、底面黑上面透明充氣袋、雙面黑色未充氣袋。試驗前，將保溫袋試驗裝置平放于地勢平坦處，其兩端開口采用玻璃膠密封，防止外界因素的干擾；排擠出保溫袋內(nèi)充入的空氣，在保溫袋兩端采用規(guī)格為Φ12的圓滑鋼筋裹緊密封并用混凝土磚塊壓實；在保溫袋袋內(nèi)和袋底分別放置溫度傳感器，用于采集袋內(nèi)的水溫和袋底的地溫。不種類型保溫袋的形式、尺寸、注水量等設(shè)計參數(shù)見表1。

使用無紙記錄儀記錄傳感器采集的溫度，每隔4 min自動記錄一次數(shù)據(jù)，可以連續(xù)工作以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和實時性。試驗時通過另置的2個溫度傳感器探頭實時采集氣溫、地溫，氣溫傳感器探頭裸露于空氣中，測地溫的探頭埋于地表以下。從當(dāng)年11月至次年1月進(jìn)行為期3個月的溫度數(shù)據(jù)采集。

2.2最佳保溫袋養(yǎng)生效果試驗

試驗所需材料為32.5（R）普通硅酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)為2.3～3.0；平均粒徑在0.25～0.5 mm范圍內(nèi)的普通中砂以及自來水等。

試驗所需工具：最優(yōu)保溫袋、HBY40B型水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的帶底試模及萬能試驗機(jī)等。

（1） 制備水泥砂漿試件。通過計算選擇合適的水泥砂漿配合比；采用機(jī)械攪拌的方式把稱量好的水泥、沙料、水?dāng)嚢杈鶆?，攪拌時間不少于2 min；將拌制好的砂漿一次性裝滿帶底試模，采用人工振搗的方式振實成型；待表面稍干，沿試模面刮平。

（2） 置于不同條件下養(yǎng)生。待試件拆模后，將試件分成3組：第一組放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生箱中養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生箱溫度為20 ℃±1 ℃，相對濕度不小于90%；第二組灑上充足的水分，覆上薄膜，在室外置于最優(yōu)保溫袋下養(yǎng)護(hù)；第三組覆蓋毛巾，放于自然環(huán)境中并定期灑水養(yǎng)護(hù)。

（3） 無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度測試。將試件從養(yǎng)護(hù)地點按時取出，及時將表面擦拭干凈，測量尺寸，并檢查其外觀，確認(rèn)合格后進(jìn)行試驗操作。將試件安放在萬能試驗機(jī)下壓板上，并使試件中心與試驗機(jī)下壓板中心對準(zhǔn)；開動試驗機(jī)，當(dāng)上壓板與試驗機(jī)接近時，調(diào)整球座，使接觸面受力均勻。試驗過程中應(yīng)均勻、連續(xù)地施加荷載，施加荷載速度為15 kN·s-1，當(dāng)試件迅速變形接近被破壞時，停止調(diào)整試驗機(jī)油門，直至試件完全被破壞，記錄破壞荷載。

3試驗結(jié)果分析

3.1最佳保溫袋選擇

經(jīng)過長達(dá)3個月的測試，得到大量的保溫袋袋中水溫、袋下地溫以及氣溫的數(shù)據(jù)。從中挑選了具有代表性的連續(xù)3 d的水溫及地溫變化數(shù)據(jù)，如圖2～4所示。

據(jù)所測數(shù)據(jù)分析可知，該試驗設(shè)計的5種類型保溫袋，在白天尤其是午后水溫普遍高于氣溫；而夜晚來臨之后，自然條件下的地溫低于在保溫袋養(yǎng)護(hù)下的地溫。這說明，在白天陽光的輻射作用下，保溫袋能很好地把太陽能轉(zhuǎn)化成熱能并儲存起來，而隨著夜晚氣溫的降低，保溫袋下的地溫明顯高于自然條件下的地溫，且平均高出約2 ℃～7 ℃。由此可見，保溫袋在夜間能把白天儲存的能量通過熱傳導(dǎo)方式向地面?zhèn)魉?，顯著地提高了地溫，有著很好的保溫作用。由以上分析可知，本文所設(shè)計的保溫袋具有白天儲能、夜間保溫的良好性能，在保溫袋養(yǎng)護(hù)的作用下，地面的晝夜溫差大大減小，這將有助于半剛性基層在養(yǎng)生階段早期強(qiáng)度的形成。

結(jié)合所測數(shù)據(jù)及上圖曲線變化的規(guī)律，且考慮5種保溫袋的儲能效果、傳熱效果、溫差大小等因素，分析可知雙面透明充氣保溫袋可以將下覆地溫提高約4 ℃～7 ℃，將晝夜溫差由16 ℃～26 ℃左右縮小至10 ℃～16 ℃左右，明顯優(yōu)于其他4種保溫袋。所以保溫性能最優(yōu)的保溫袋為1號雙面透明充氣保溫袋。

3.2不同養(yǎng)護(hù)條件下試件抗壓強(qiáng)度分析

通過測試不同養(yǎng)生方式下水泥砂漿立方體的抗壓強(qiáng)度，得到了試件養(yǎng)生3、5、7、15、21 d的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。不同養(yǎng)生條件下抗壓強(qiáng)度測得值如表2所示，不同養(yǎng)生方式下試件抗壓強(qiáng)度的增長變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5可以看出，試件在不同的養(yǎng)生方式下，其抗壓強(qiáng)度增長變化規(guī)律不盡相同。在養(yǎng)生早期，即養(yǎng)生7 d內(nèi)，保溫袋下的試件其抗壓強(qiáng)度增長最快，其次為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，自然養(yǎng)生下的試件強(qiáng)度增長最慢。這說明保溫袋能顯著地促進(jìn)試件早期強(qiáng)度形成，甚至比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生下的試件強(qiáng)度還高。而隨著養(yǎng)生時間的延長，各養(yǎng)生條件下的試件強(qiáng)度均繼續(xù)增長，且在7 d以后變化規(guī)律基本相同，各養(yǎng)生方式下試件強(qiáng)度之間的差也逐漸減小。這是因為各個試件內(nèi)水泥的水化反應(yīng)逐漸基本完成，強(qiáng)度增長梯度逐漸減小。此外，從圖中也可發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)生12 d左右時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方式下的試件強(qiáng)度逐漸超越保溫袋下的試件，但兩者之間的差值很小。

綜合分析保溫袋溫度監(jiān)測試驗和水泥砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗的結(jié)果，可知雙面透明充氣保溫袋用于高寒地區(qū)半剛性基層養(yǎng)生時，能顯著地提高養(yǎng)生溫度、減小晝夜溫差，促進(jìn)半剛性基層早期強(qiáng)度形成，從而有效地抑制溫縮裂縫、減少道路病害和維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，提高道路整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和服務(wù)質(zhì)量。

4結(jié)語

針對高寒地區(qū)半剛性基層養(yǎng)生期間因溫差大而產(chǎn)生的溫縮裂縫，從養(yǎng)生保溫的角度出發(fā)，提出采用保溫袋提高基層溫度、抑制溫縮裂縫的想法，并設(shè)計試驗進(jìn)行驗證。試驗結(jié)果表明，保溫袋可以有效地吸收太陽能，以熱傳導(dǎo)的方式顯著提高下覆地溫，并且以雙面透明充氣保溫袋保溫效果最為顯著，在高寒地區(qū)采用該形式的保溫袋可以有效地抑制半剛性基層溫縮，提高道路品質(zhì)。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]