基于鋼橋面鋪裝層內部溫度變化監(jiān)測的隔熱降溫材料優(yōu)選試驗研究

葉偉

(招商局公路信息技術(重慶)有限公司，重慶市 400060)

1 引言

當前中國鋼橋面鋪裝層結構類型大多采用澆筑式瀝青GA+瀝青瑪蹄脂碎石SMA或雙層環(huán)氧瀝青混凝土EA的結構形式，環(huán)氧瀝青混凝土為熱固性材料，高溫穩(wěn)定性較好，但造價高，除個別經濟發(fā)達的省份鋼橋面鋪裝采用EA混合料以外，絕大多數(shù)情況下鋼橋面鋪裝采用的是GA+SMA的典型鋪裝結構。

據統(tǒng)計，中國夏季某些地區(qū)的最高氣溫達40 ℃以上，當采用澆注式瀝青混凝土作為鋼橋面鋪裝層時，由于其油石比極高，黑色瀝青受熱輻射作用越明顯，且散熱慢，加上鋼橋面不同于普通瀝青路面的結構特點：與路面鋪裝相比，鋼橋面鋪裝體系及鋼橋梁懸于地表之上，整個結構均裸露在空氣中。同時，鋼鐵的熱傳導系數(shù)顯著大于瀝青混合料，在強烈的太陽光照射下，鋼板溫度急劇上升，產生的熱量可迅速傳遞給箱內空氣，且不能與外界空氣進行熱對流，箱梁內空氣溫度遠高于外界空氣溫度。所以一般情況下，在相同的氣溫環(huán)境下鋼橋面鋪裝體系的溫度要顯著高于路面鋪裝體系的溫度，研究表明：在這樣的結構特點之下伴隨持續(xù)高溫天氣，鋼橋面瀝青鋪裝層的表面溫度可升至70 ℃，內部可達60 ℃。長此以往，可導致鋪裝層出現(xiàn)高溫車轍病害、鋪裝層與鋼板的黏結性下降、瀝青老化加速，從而縮短鋼橋面鋪筑層的使用壽命。

如何利用隔熱降溫技術手段提高整個鋪裝體系的抗高溫車轍和熱老化性能以及抑制層間黏結失效，有效延長鋼橋面瀝青鋪裝層的使用壽命，開展鋼橋面鋪裝層隔熱降溫技術研究顯得尤為迫切。

2 隔熱降溫技術手段與試驗檢測方法

2.1 參與對比試驗研究的隔熱降溫技術手段

鋼橋面瀝青鋪裝層除受大氣熱輻射作用以外，另一重要熱量來源就是與之直接接觸的鋼板熱傳導作用，該文以如何阻隔或減少來自鋼板的熱量傳導為出發(fā)點，在基本不影響原鋪裝層結構設計，基本不改變結構層厚度的基礎上，通過以下技術手段擬達到對瀝青鋪裝層的隔熱降溫效果，從而提高瀝青鋪裝層的高溫穩(wěn)定性以及抗熱老化性，進而延長使用壽命。該文擬采用的主要技術手段如下：

(1)目前市面上有很多技術成熟、施工方便的隔熱板材(卷材)，研究表明大多數(shù)隔熱板材(卷材)能夠降低熱源表面溫度10～50 ℃不等，其優(yōu)越的降溫效果可作為鋼橋面隔熱降溫型瀝青混合料鋪裝結構設計的一項技術手段，其鋪設位置可鋪設在甲基丙烯酸甲酯樹脂(英文簡寫MMA)防水黏結層之上，然后再進行瀝青混合料的鋪筑。同時，隔熱板材(卷材)厚度大多在0～1 cm范圍之內，基本不改變原有鋼橋面鋪裝層的設計標高。

(2)防水黏結層作為鋼橋面鋪裝體系中的一項重要功能層，同時也是瀝青鋪裝層與橋面鋼板之間的過渡層，在起到防水黏結效果的同時介入隔熱保溫材料，也是減緩鋼板對瀝青鋪裝層熱傳導作用的一項重要技術手段。該文擬通過在MMA防水黏結劑中加入輕質空心微粒徑材料，從而整體降低MMA防水黏結層干固后的導熱系數(shù)，減緩鋼板對瀝青鋪裝層的熱傳導，達到隔熱降溫目的。

2.2 試驗檢測方法

該文以甲基丙酸甲酯樹脂MMA防水黏結層+澆筑式瀝青GA10下面層+高彈改性瀝青SMA10上面層的鋼橋面典型鋪裝結構為試驗研究所用的瀝青鋪裝層。為了有效檢測出瀝青鋪裝層GA和SMA在露天環(huán)境中，特別是高溫季節(jié)下的溫度變化情況，選擇了利用熱電偶連接數(shù)顯溫度計的測溫方法，而在瀝青鋪裝層的成型過程中預埋熱電偶感溫裝置是其中一項重要試驗環(huán)節(jié)。

在試驗室內首先對鋼板(30 mm×30 m×10 mm)進行噴砂除銹、防腐處理以及設置MMA防水黏結層后；再在成型GA10和SMA10瀝青鋪裝層的過程中分別在各層預埋兩個熱電偶，且為了使試驗過程中測得的瀝青鋪裝層內部溫度值更精準，熱電偶探頭在預埋過程中盡可能往瀝青鋪裝層的中部埋設，將熱電偶探頭距板邊緣的預埋深度預設為10 cm，如圖1所示。

圖1 熱電偶預埋入澆筑式瀝青GA和改性瀝青SMA

按以上方法將預埋好熱電偶的GA+SMA鋼橋面隔熱降溫鋪裝組合試件以及常規(guī)GA+SMA鋼橋面鋪裝組合試件放入光照充足的露天環(huán)境中，每隔1 h進行一次溫度讀數(shù)。特別地，當遇上光照時間長、氣溫較高的天氣狀況時，可每隔0.5 h進行一次溫度讀數(shù)，匯總數(shù)據，對比分析在相同試驗條件下鋼橋面隔熱降溫鋪裝結構和常規(guī)鋪裝結構的溫度差異情況。

兒童的慢性疾病對父母與患病子女的關系也產生重大威脅。一項較早期的研究顯示，先天性心臟病患兒與母親之間的安全依戀顯著少于健康兒童與母親的安全依戀[20]。最近的一些研究進一步證實，患有慢性病的兒童和青少年與父母之間的關系比健康的同齡人與父母的關系更糟糕[21]。在有慢性病患兒的家庭中，特別是有癲癇、聽力障礙及哮喘兒童的家庭中，父母對兒童表現(xiàn)出較少溫暖情緒的反應，較多的要求、控制以及過度保護[22]。父母和患兒之間表現(xiàn)出更少的熱情和結構化的溝通，更多的敵意溝通或是放棄溝通[23]。

3 鋼橋面隔熱降溫鋪裝結構設計及降溫效果試驗對比

3.1 增設保溫氈隔熱層的鋼橋面鋪裝結構設計

該文擬在MMA防水黏結層與聚合物改性瀝青GA之間設置一道隔熱層(隔熱層材料厚度控制在5 mm以內)，試圖在實現(xiàn)顯著降低鋼板對瀝青鋪裝層熱傳導的同時基本不改變原設計標高。試驗研究所用的保溫氈采用當前建筑墻體以及管道建設中應用最為廣泛的一種材料——納米SiO2氣凝膠保溫氈，主要技術指標見表1。其常溫下的導熱系數(shù)極低[0.016～0.020 W/(m·K)]，且材料厚度僅為5 mm，在室內進行試件成型過程中發(fā)現(xiàn)，鋪設好納米SiO2氣凝膠保溫氈后再進行瀝青混合料的攤鋪碾壓，其厚度會縮小至2～3 mm，對原設計標高基本無影響。

表1 納米SiO2氣凝膠保溫氈主要技術指標

在不改變其他鋪裝材料物理化學性質、用量以及施工工藝的情況下，增設該納米SiO2氣凝膠保溫氈的鋼橋面鋪裝結構示意圖如圖2所示。

圖2 增設納米氣凝膠保溫氈的鋼橋面鋪裝結構示意圖

3.2 MMA中摻空心玻璃微珠的鋼橋面鋪裝結構設計

通過在甲基丙烯酸甲酯樹脂(MMA)中加入輕質空心玻璃微珠隔熱材料，摻有空心玻璃微珠的MMA防水黏結層干固后在鋼板與瀝青鋪裝層之間在起到防水黏結作用的同時兼具試圖削弱高溫環(huán)境下鋼板對瀝青混凝土鋪裝層的熱傳導。該文從市面上優(yōu)選出一種導熱系數(shù)小、耐高溫、抗壓強度較高的一種應用比較廣泛的輕質高性能空心玻璃微珠隔熱材料，一般混合在涂料中使用，其摻量為5%～8%(外摻法)，此次試驗用量為相對MMA總質量的7%。材料外觀呈白色粉末狀結構，其主要技術性能指標如表2所示。

表2 高性能輕質空心玻璃微珠主要技術性能指標

同樣，在不改變其他鋪裝材料物理化學性質、用量以及施工工藝的情況下，摻輕質空心玻璃微珠的MMA鋼橋面鋪裝結構示意圖如圖3所示。

圖3 MMA中摻空心玻璃微珠的鋼橋面鋪裝結構示意圖

3.3 隔熱降溫效果對比試驗

試驗前，為簡化文中對各鋪裝結構的描述，先對參與對比試驗研究的鋼橋面鋪裝組合結構進行編號：

1#組合構件：鋼板+防腐底漆+ MMA防水黏結層+聚合物改性瀝青GA10+改性乳化瀝青黏層+高彈改性瀝青SMA10。

2#組合構件：鋼板+防腐底漆+MMA防水黏結層+納米SiO2氣凝膠保溫氈+丙烯酸樹脂黏結層+聚合物改性瀝青GA10+改性乳化瀝青黏層+高彈改性瀝青SMA10。

3#組合構件：鋼板+防腐底漆+ MMA中摻有7%空心玻璃微珠的防水黏結層+聚合物改性瀝青GA10+改性乳化瀝青黏層+高彈改性瀝青SMA10。

試驗檢測當天的室外氣象狀況良好：晴，最高氣溫35 ℃，微風；溫度監(jiān)測時間段選擇在中午12：00～17：00氣溫較高的區(qū)間，而上午08：00～12：00為試件預熱時間段，不計入溫度監(jiān)測時間；試驗檢測項目包括：鋼板表面溫度、GA內部溫度、SMA內部溫度。3種組合結構在室外的溫度變化監(jiān)測。

1#組合構件試驗結果見表3。

由表3可知：GA內部溫度在45.7～53.1 ℃范圍內波動，SMA內部溫度在46.7～52.1 ℃范圍內波動；下午12：00～14：00鋼板溫度持續(xù)攀升，期間鋼板正處于一個持續(xù)儲熱階段；14：00時，鋼板溫度到達峰值；14：00～17：00鋼板溫度逐漸下降，期間鋼板正處于一個持續(xù)放熱階段，其中一部分熱能向空氣中輻射散失;另一部分熱能因鋼板導熱系數(shù)高而向瀝青鋪裝層傳導，導致后期鋪裝層溫度還略高于鋼板溫度。說明在沒有任何隔熱降溫措施的鋼橋面鋪裝結構中，瀝青鋪裝層的熱效應除了因大氣溫度變化而受影響外，受鋼板的熱傳導作用也很明顯。如此到夏季持續(xù)高溫季節(jié)，鋼橋面瀝青鋪裝層在行車荷載、大氣熱輻射、鋼板熱傳導共同作用下產生的高溫病害不容小覷。

表3 1#組合構件室外溫度監(jiān)測結果

3.3.2 2#組合構件試驗結果及分析

2#組合構件試驗結果見表4。

表4 2#組合構件室外溫度監(jiān)測結果

由表4可知：在同一時刻下的GA和SMA瀝青鋪裝層溫度都要低于1#組合構件中各瀝青鋪裝層溫度；GA內部溫度在36.8～43.5 ℃范圍內波動，相比1#組合構件中GA內部溫度平均降低了約8.8 ℃，平均降溫幅度約17.7%；SMA內部溫度在34.5～43.6 ℃范圍內波動，相比1#組合構件中SMA內部溫度平均降低了約8.3 ℃，平均降溫幅度約16.9%；另外，在整個溫度監(jiān)測時間范圍內瀝青鋪裝層溫度都要顯著低于鋼板溫度。

分析其原因:2#組合構件中鋼板與瀝青鋪裝層之間設置了納米SiO2氣凝膠保溫氈，納米SiO2氣凝膠具有超高空隙率，而多孔材料的導熱系數(shù)通常由固體熱傳導和孔洞介質的熱傳導所構成，固體材料的導熱系數(shù)(λs)為：

λs=(1-P)λi

(1)

式中：P為多孔材料的空隙率；λi為固體的本征導熱系數(shù)。

λi的大小是由聲子熱傳導、電子熱傳導和光子熱傳導(輻射熱傳導)3部分所決定。其中，光子熱傳導的作用是隨著溫度的升高而增強，因此，高溫隔熱材料往往在材料組成中摻入具有較強抗輻射能力的物質(如二氧化鈦)或者遮黑劑，常溫下材料的輻射熱傳導并不明顯，光子導熱系數(shù)基本可以忽略；電子熱傳導與電子濃度成正比，而二氧化硅屬于絕緣材料，其電子導熱系數(shù)同樣可以忽略不計；因此對于大多數(shù)無機非金屬材料如SiO2，其常溫下的固體熱傳導主要來自聲子熱傳導，SiO2氣凝膠的非晶態(tài)結構以及二次粒子極小的接觸面積均有利于控制聲子熱傳導，從而SiO2氣凝膠具有極小的聲子導熱系數(shù)；另外，孔洞介質的熱傳導主要與孔徑大小及分布相關，由于SiO2氣凝膠的孔洞大多處于介孔范圍(2～50 nm)，小于常溫下空氣分子的平均振動自由程(90 nm)，極大地抑制了孔洞中空氣的熱傳導。因而，納米SiO2氣凝膠的熱傳導實質上是由極小的聲子熱傳導和孔介熱傳導所構成，經實測試驗所用納米SiO2氣凝膠保溫氈導熱系數(shù) 僅0.018 W/(m·K)(25 ℃)，極大地削弱了鋼板對瀝青鋪裝層的熱傳導作用，從而能在一定程度范圍內減小夏季高溫季節(jié)瀝青鋪裝層的車轍、推移、擁包等高溫病害隱患。

3.3.3 3#組合構件試驗結果及分析

3#組合構件試驗結果見表5。

表5 3#組合構件室外溫度監(jiān)測結果

由表5可知：在整個監(jiān)測時間段內,GA和SMA瀝青鋪裝層的溫度差異很小，且無顯著起伏現(xiàn)象；GA內部溫度在40.6～46.7 ℃范圍內波動，相比1#組合構件中GA的內部溫度平均降低了約5.3 ℃，平均降溫幅度約10.6%；SMA內部溫度在41.9～45.9 ℃范圍內波動，同樣相比1#組合構件中SMA的內部溫度平均降低了約5.3 ℃，平均降溫幅度約10.8%。

經分析可知:試驗所用的空心玻璃微珠具有中空、質量輕、密度小、導熱系數(shù)低等特點，被廣泛應用于涂料工業(yè)領域；而甲基丙烯酸甲酯樹脂(英文簡寫MMA)是一種主要對鋼結構起到防水和黏結作用的涂料，將空心玻璃微珠摻入MMA中，由于其粒徑較小，相當于普通涂料用填料的細度，且流動性好，因而可以填料的方式直接加入到MMA涂料體系中；經過簡單的機械攪拌作用，空心玻璃微珠可均勻分散于MMA涂料體系中，且不會出現(xiàn)結團、離析等現(xiàn)象，具有較好的配伍性，這樣使得涂料固化后形成的涂膜具有一定的保溫隔熱性能。從而相比普通鋼橋面結構，摻空心玻璃微珠的MMA防水黏結層從一定程度上削弱了鋼板對瀝青鋪裝層的熱傳導。

綜合以上試驗結果和機理分析，在同一試驗環(huán)境下，相比普通鋼橋面鋪裝結構而言，從瀝青鋪裝層內部溫度波動范圍、平均降溫幅度以及鋼板溫度與瀝青鋪裝層溫度的差異大小3個方面綜合評判，認為設置有納米SiO2氣凝膠保溫氈的鋼橋面鋪裝結構對瀝青鋪裝層的隔熱降溫作用最為顯著。另外，利用納米SiO2氣凝膠保溫氈作為鋼橋面鋪裝結構的功能層使用時，其在長期行車荷載作用下的抗磨損性能以及對上層鋪裝結構特別是磨耗層的抗滑性能影響可做進一步研究論證。

4 結論

(1)經模擬鋼橋面瀝青鋪裝層室外溫度監(jiān)測試驗結果可知:MMA+GA+SMA普通鋼橋面鋪裝結構因鋼板導熱系數(shù)高，瀝青鋪裝層受鋼板的熱傳導作用十分顯著，在夏季持續(xù)高溫季節(jié)，鋼橋面瀝青鋪裝層在行車荷載、大氣熱輻射、鋼板熱傳導等因素的共同作用下會增大高溫病害發(fā)生的可能性。

(2)在相同的試驗環(huán)境和條件下，同一時刻下的MMA+納米SiO2氣凝膠保溫氈+GA+SMA鋼橋面鋪裝結構中的GA和SMA瀝青鋪裝層溫度都要低于普通鋼橋面鋪裝結構瀝青鋪裝層溫度；且相比普通鋼橋面鋪裝結構中GA和SMA的內部溫度平均降溫幅度分別約17.7%和16.9%；另外，在整個試驗過程中瀝青鋪裝層溫度都要顯著低于鋼板溫度。從而可推斷MMA+納米SiO2氣凝膠保溫氈+GA+SMA 的鋼橋面鋪裝結構能在一定程度范圍內減小夏季高溫季節(jié)瀝青鋪裝層的車轍、推移、擁包等高溫病害隱患。

(3)同樣在相同的試驗環(huán)境和條件下，摻輕質空心玻璃微珠的MMA對瀝青鋪裝層也具有一定程度的降溫隔熱作用，且相比普通鋼橋面鋪裝結構中瀝青鋪裝層的內部溫度平均降溫幅度約11%；但從整個試驗過程中瀝青鋪裝層內部溫度的波動范圍、平均降溫幅度以及鋼板溫度與瀝青鋪裝層溫度的差異大小3個角度綜合評判，認為設置有納米SiO2氣凝膠保溫氈的鋼橋面鋪裝結構對瀝青鋪裝層的隔熱降溫作用最為顯著。