含電熱管瀝青路面路用性能的試驗(yàn)研究★

曹巧芹　王仙華　劉宜慶

(1．臺(tái)州市四方交通建設(shè)工程有限公司，浙江臺(tái)州　318000;2．東南大學(xué)ITS中心，江蘇南京　210096)

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含電熱管瀝青路面路用性能的試驗(yàn)研究★

曹巧芹1王仙華1劉宜慶2*

(1．臺(tái)州市四方交通建設(shè)工程有限公司，浙江臺(tái)州318000;2．東南大學(xué)ITS中心，江蘇南京210096)

摘要:通過(guò)一系列對(duì)比試驗(yàn)，研究了電熱管對(duì)瀝青路面路用性能的影響，分析了含電熱管瀝青路面結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性，低溫抗裂性以及抗疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，電熱管的布設(shè)不會(huì)改變?cè)新访娴穆酚眯阅埽?duì)路面結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及抗疲勞性能均有所提高。

關(guān)鍵詞:電熱管，路用性能，瀝青路面

1　概述

冬季路面結(jié)冰積雪給行車(chē)安全和道路暢通造成不利影響。冰雪大大降低了路面的附著系數(shù)，導(dǎo)致汽車(chē)打滑，制動(dòng)距離顯著延長(zhǎng)，嚴(yán)重的會(huì)釀成交通事故。傳統(tǒng)的清除結(jié)冰積雪的方法主要是采用人工作業(yè)，如在路面撒布融雪劑等，這種方法不僅浪費(fèi)人力物力，還對(duì)路面和環(huán)境帶來(lái)了污染［1，2］。

電熱管融冰化雪是一種新型主動(dòng)融冰化雪方式。電熱管埋設(shè)在路面結(jié)構(gòu)中，冰雪天氣時(shí)電熱管通電啟動(dòng)，產(chǎn)生的熱量傳至路面能夠快速融化路面冰雪。該方法操作簡(jiǎn)單，熱沖擊小，且能保證低溫融冰化雪。但由于路面結(jié)構(gòu)中埋設(shè)了電熱管，改變了原來(lái)的路面結(jié)構(gòu)，這對(duì)路面結(jié)構(gòu)的路用性能會(huì)產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面開(kāi)展的研究比較少，武海琴等［3］對(duì)含發(fā)熱電纜用于路面融冰化雪進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了影響融雪效果的因素和鋪裝功率;馮新軍等［4］通過(guò)試驗(yàn)分析了導(dǎo)電瀝青混合料的導(dǎo)電性能和路用性能隨碳纖維摻量的變化。陳炎等［5］通過(guò)有限元模擬研究了電熱管在路面中的布設(shè)問(wèn)題。

本文擬對(duì)含電熱管瀝青路面的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析電熱管對(duì)瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗疲勞性能的影響，以期對(duì)電熱管升溫融冰化雪瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2　路用性能試驗(yàn)

2．1高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是路用性能一個(gè)重要的方面，評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的試驗(yàn)手段很多［3-5］。本文采用高溫車(chē)轍試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法，以動(dòng)穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同溫度和狀態(tài)下含電熱管的瀝青升溫層的高溫穩(wěn)定性。車(chē)轍試件如圖1，圖2所示。

圖1　含電熱管的試件

圖2　車(chē)轍試驗(yàn)后的試件

本文采用單變量對(duì)比分析，試驗(yàn)方案如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2，圖3所示。

表1　高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)方案

表2　高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果　次/mm

圖3　高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，含電熱管結(jié)構(gòu)的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度不小于2 800次/mm的要求，表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫性能。凍融循環(huán)過(guò)程在一定程度上影響了含電熱管的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)3次凍融循環(huán)后，較之未進(jìn)行凍融循環(huán)的試件，其動(dòng)穩(wěn)定度有將近15%的降低。在相同試驗(yàn)溫度下，瀝青升溫層中布設(shè)電熱管對(duì)瀝青層結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，具體反映在動(dòng)穩(wěn)定度上，且在荷載區(qū)域內(nèi)影響范圍最大，具體表現(xiàn)在正上方布置試件的動(dòng)穩(wěn)定度要高于側(cè)向布置試件的動(dòng)穩(wěn)定度，較之不含電熱管的試件，此時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度都相對(duì)較高，可知在路面結(jié)構(gòu)中布設(shè)電熱管對(duì)高溫抗車(chē)轍能力有一定的提高作用。

2．2低溫抗裂性

低溫性能也是路用性能的一個(gè)重要方面。本文采用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，在UTM-25動(dòng)態(tài)伺服液壓材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度-10℃，加載速率為50 mm/min，并增加一組添加消石灰的小梁試件作為對(duì)照組。對(duì)小梁進(jìn)行凍融循環(huán)處理，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3　小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方案

含電熱管的瀝青混合料小梁與對(duì)照組的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表4與圖4，圖5所示。

表4　小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖4　小梁試驗(yàn)抗彎拉強(qiáng)度

圖5　小梁試驗(yàn)最大彎拉應(yīng)變

由試驗(yàn)結(jié)果可知:瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度受凍融影響明顯，長(zhǎng)期凍融作用使得瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度減小。通過(guò)最后兩組數(shù)據(jù)Ⅱ，Ⅳ可知，消石灰的加入增強(qiáng)了小梁試件的最大彎拉應(yīng)變與抗凍融的能力。電熱管在小梁結(jié)構(gòu)中起到一定程度的低溫抗裂性的作用，具體表現(xiàn)在抗彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度與不含電熱管的小梁低溫試驗(yàn)指標(biāo)相比有不同程度的提高。

2．3抗疲勞性能

疲勞是道路中較為常見(jiàn)的一種損壞現(xiàn)象。本文采用小梁疲勞試驗(yàn)，電熱管沿行車(chē)方向布置。先對(duì)小梁通電待其均溫達(dá)到60℃，保持2 h，并在室溫條件下冷卻至常溫15℃并保持2 h，此為一個(gè)溫度循環(huán)。溫度循環(huán)過(guò)程如圖6，圖7所示。循環(huán)次數(shù)為10次、30次、50次三組。并設(shè)置不含電熱管的對(duì)比組。

將進(jìn)行過(guò)溫度循環(huán)后的小梁在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)(見(jiàn)圖8)，采用控制應(yīng)力模式，應(yīng)力比為0．3，0．4，0．5，0．6，加載波形為正弦連續(xù)波，頻率為10 Hz，試驗(yàn)機(jī)溫度為15℃。

圖6　室內(nèi)通電加熱小梁

圖7　15℃環(huán)境中冷卻小梁

圖8　加載中的小梁疲勞試件

試件均在環(huán)境溫控箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)4 h以上，保證試件內(nèi)部與外部溫度均達(dá)到試驗(yàn)要求溫度。試驗(yàn)時(shí)記錄小梁初始破壞和極限破壞時(shí)施加應(yīng)力與疲勞壽命，方案如表5所示。

表5　結(jié)構(gòu)小梁疲勞試驗(yàn)方案

對(duì)試件進(jìn)行各荷載水平下的疲勞試驗(yàn)，可以得到各組試件在各應(yīng)力比下，應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示。

圖9　結(jié)構(gòu)小梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各類(lèi)小梁的疲勞壽命與應(yīng)力水平在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上按下列方程進(jìn)行擬合:

其中，Nf為試件破壞時(shí)重復(fù)的荷載作用次數(shù);σ為施加的常量應(yīng)力最大幅值;n，K'均為試驗(yàn)回歸系數(shù)。分別得出疲勞曲線(xiàn)如圖10所示。由圖9可知，各類(lèi)小梁的疲勞壽命均隨著應(yīng)力比的增大顯著減小。在各應(yīng)力比條件下，第Ⅱ類(lèi)小梁破壞時(shí)的疲勞次數(shù)均為最大，且同樣的溫度循環(huán)狀態(tài)下，含電熱管結(jié)構(gòu)的小梁壽命要高于無(wú)電熱管結(jié)構(gòu)的小梁疲勞壽命。

由圖10可知，應(yīng)力與疲勞壽命間在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上存在著線(xiàn)性關(guān)系，截距表示疲勞曲線(xiàn)位置的高低，K'值越小表示抗疲勞性能越差;斜率越大表示應(yīng)力水平的變化對(duì)疲勞壽命影響越大。在應(yīng)力控制加載方式下，截距隨著電熱管工作次數(shù)的增加而降低，疲勞壽命阻抗降低。而斜率增大，疲勞荷載增加到一定程度后，疲勞壽命急劇減小。

圖10　小梁雙對(duì)數(shù)疲勞曲線(xiàn)

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)埋設(shè)電熱管的瀝青混合料試件進(jìn)行高溫車(chē)轍試驗(yàn)、小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)了其路用性能。由試驗(yàn)結(jié)果可知電熱管的布設(shè)不會(huì)改變?cè)新访媛酚眯阅?，并?duì)路面結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及抗疲勞性能均有所提高，具體體現(xiàn)在:1)瀝青升溫層中布設(shè)電熱管對(duì)瀝青層結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，且在荷載區(qū)域內(nèi)影響范圍最大，較之不含電熱管的試件，動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)較高，可知在路面結(jié)構(gòu)中布設(shè)電熱管對(duì)高溫抗車(chē)轍能力有一定的提高作用。2)電熱管在小梁結(jié)構(gòu)中起到一定程度的低溫抗裂性的作用，具體表現(xiàn)在抗彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度與不含電熱管的小梁低溫試驗(yàn)指標(biāo)相比有不同程度的提高，說(shuō)明含電熱管的電熱層結(jié)構(gòu)在低溫下具有較好的延展性。

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On test of asphalt pavement with electric heating tube performance★

Cao Qiaoqin1Wang Xianhua1Liu Yiqing2*
(1．Taizhou Sifang Communication Construction Engineering Co．，Ltd，Taizhou 318000，China; 2．ITS Center of Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:In order to study the effects of electric heating tube on road performance of asphalt pavement，a series of contrast experiments have been done to analyze the high temperature stability，low temperature cracking resistance and fatigue resistance．The experiments show that the electric heating tubes embedded in the pavement haven’t changed the original road performance．Conversely，it performs better in high temperature stability，low temperature cracking resistance and fatigue resistance．

Key words:electric heating tube，road performance，asphalt pavement

通訊作者:劉宜慶(1991-)，男，在讀碩士

作者簡(jiǎn)介:曹巧芹(1977-)，女，工程師;王仙華(1964-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-21★:電加熱管在道路主動(dòng)防御冰雪災(zāi)害中的應(yīng)用研究(項(xiàng)目編號(hào):2012H33)

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0147-03

中圖分類(lèi)號(hào):U416．217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A