熱阻式含砂霧封層的開(kāi)發(fā)與性能研究

郭偉業(yè)

(山西路橋集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司 呂梁市 033000)

0 引言

瀝青路面因其良好的路用耐久性能被城市道路廣泛應(yīng)用,但同時(shí)又受其自身的黏彈特質(zhì)和黑色屬性,在夏季高溫天氣會(huì)快速吸熱,使路表溫度升高并聚積在表面層。路面結(jié)構(gòu)經(jīng)受高溫荷載綜合作用下,易產(chǎn)生車轍、泛油等病害[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問(wèn)題廣泛關(guān)注并提出眾多解決方案[3-5]。梁滿杰[6]利用熱反射原理開(kāi)發(fā)了降溫彩色涂層,可有效降低路面溫度;宋憲發(fā)等[7]認(rèn)為相對(duì)于密級(jí)配瀝青路面,大空隙排水路面在城市路表降溫方面可起到積極作用;胡力群等[8]開(kāi)發(fā)了基于多孔水泥混凝土的保水降溫層路表結(jié)構(gòu);易軍艷等[9]開(kāi)展了不同熱阻路面結(jié)構(gòu)的高溫溫度場(chǎng)研究,對(duì)熱阻路面的適用性進(jìn)行了分析。上述成果為降低夏季路面溫度的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),但均只針對(duì)新建道路,無(wú)法為已建道路提供借鑒經(jīng)驗(yàn)?；诖?文章提出將熱阻材料破碎制備含砂霧封層,并基于降溫效果和抗滑性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),開(kāi)展基于熱阻式含砂霧封層的研究,以期減弱黑色路面吸熱效應(yīng),減少路面車轍病害的產(chǎn)生。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1)乳化瀝青

本研究選擇慢裂快凝型陽(yáng)離子乳化瀝青作為制備含砂霧封層的基材,其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2)改性劑

由于霧封層在路表使用,直接經(jīng)受車輛荷載作用和高低溫惡劣天氣的影響,對(duì)粘結(jié)性和抗滑性提出較高的要求。水性環(huán)氧改性乳化瀝青具備強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好及粘結(jié)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),能夠滿足含砂霧封層的使用要求,故文章采用水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性后作為膠結(jié)料使用。技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)

(3)熱阻顆粒

試驗(yàn)用熱阻材料為耐火碎石顆粒和陶粒,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 熱阻顆粒技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

研究耐火碎石顆粒和陶粒兩種集料在熱阻式含砂霧封層中的適用性和阻熱性能,研究了集料類型、粒徑、級(jí)配對(duì)含砂霧封層抗滑性的影響,提出含砂霧封層用阻熱顆粒建議指標(biāo),并與未噴灑霧封膠結(jié)料的空白試件進(jìn)行性能對(duì)比。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試件制備方法

(1)水性環(huán)氧乳化瀝青制備。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求,將環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑攪拌均勻后加入到乳化瀝青中繼續(xù)攪拌15min。根據(jù)粘結(jié)性最優(yōu)原則確定水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青的摻配比例為15:85。

(2)含砂霧封層的制備。將不同參數(shù)的阻熱材料與水性環(huán)氧乳化瀝青預(yù)拌均勻后攤鋪在車轍板上,采用刮刀等輔助工具將砂漿混合料攤鋪平整,將試件置于30℃鼓風(fēng)箱內(nèi)至表干后備用。其中,水性環(huán)氧乳化瀝青噴撒量為0.8kg/m2。

1.3.2阻熱效果測(cè)試

采用碘鎢燈作為試驗(yàn)熱量傳遞裝置模擬光照條件,在車轍板底部安裝溫度傳感探頭測(cè)試熱量傳遞效果,試件周圍用隔溫泡沫包圍,記錄不同光照時(shí)間下車轍板底部溫度。

1.3.3抗滑試驗(yàn)

采用加速磨耗試驗(yàn)儀模擬霧封層鋪筑路面后車輛碾壓效果。儀器包含4只寬45mm聚氨酯輪胎,由電機(jī)提供動(dòng)能帶動(dòng)輪胎在試件上繞軸旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為5000轉(zhuǎn)/h,計(jì)算得到線速度為84.78km/h,接近高等級(jí)公路的設(shè)計(jì)速度。試驗(yàn)通過(guò)加載圓盤調(diào)整底部輪胎荷載,豎向荷載設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)荷載0.7MPa。測(cè)定磨耗軌跡上的BPN,根據(jù)一定磨耗次數(shù)下霧封層試件的BPN下降情況,評(píng)價(jià)各類型霧封層磨耗過(guò)程中的的抗滑性能,認(rèn)為磨耗過(guò)程中BPN越大、BPN下降越緩慢,其抗滑性能越好。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 阻熱材料對(duì)熱阻性能的影響

為研究阻熱材料的差異對(duì)含砂霧封層阻熱性能的影響,選擇耐火碎石顆粒和陶粒作為阻熱材料,進(jìn)行阻熱效果試驗(yàn)。不同類型路面底部隨光照時(shí)間溫度增長(zhǎng)曲線如圖1所示。其中粒徑取0.6～1.18mm,摻量為0.5kg/m2。

圖1 不同路面類型隨光照時(shí)間溫度增長(zhǎng)曲線

從圖1可知,在光照作用4h后,相對(duì)于普通SMA路面,熱阻式含砂霧封層試件底部溫度降低3℃左右,溫度隨光照時(shí)間曲線斜率也更低,說(shuō)明熱阻式霧封層可有效降低瀝青路面溫度的聚積速率,而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),與普通路面的底部溫差越來(lái)越大,光照12h后,溫度差異達(dá)5℃左右。從圖1中可以看出兩種阻熱材料之間時(shí)溫曲線相差不大,由耐火碎石顆粒制備的熱阻式含砂霧封層路面底部溫度更低,說(shuō)明耐火碎石顆粒熱阻路面比陶粒式熱阻路面降溫效果更好。

熱阻式含砂霧封層可以降低路面溫度的阻熱原理是改變?yōu)r青混合料表面的熱物理特性,通過(guò)改變?yōu)r青路面的表面特性來(lái)改變路面對(duì)光熱的響應(yīng),用導(dǎo)熱系數(shù)小的混合料接受光照,改變了路面結(jié)構(gòu)整體接受的熱輻射,減少對(duì)熱輻射的吸收和對(duì)流,從而阻止熱量向下傳遞。延緩路表溫度向中面層、下面層傳遞,同時(shí)可使聚集于路表的熱量輻射到空氣中,起到降低整體瀝青路面溫度的作用,從而減少路面車轍的產(chǎn)生。

2.2 阻熱材料對(duì)抗滑性能的影響

由于路面灑布霧封層后減小了路面的構(gòu)造深度和紋理結(jié)構(gòu),會(huì)導(dǎo)致面層抗滑性能嚴(yán)重降低,通常采用撒布細(xì)砂等抗滑顆粒形成抗滑霧封層,可有效提高路面抗滑性能。文章采用的阻熱顆?？善鸬娇够w粒的作用,但應(yīng)對(duì)抗滑顆粒的規(guī)格及參數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)研究,確定其適用性,明確霧封層材料與抗滑顆粒粘結(jié)效果,防止阻熱顆粒在短期通車后被完全磨光的問(wèn)題發(fā)生。

基于加速磨耗試驗(yàn),在霧封膠結(jié)料中分別摻加耐火碎石顆粒和陶粒,成型熱阻霧封層試件,研究阻熱顆粒類型對(duì)霧封層抗滑性能的影響,阻熱顆粒粒徑均取0.6～1.18mm,摻量為0.5kg/m2。不同路面類型隨磨耗次數(shù)BPN變化曲線如圖2所示。

圖2 不同路面類型隨磨耗次數(shù)BPN變化曲線

如圖2所示,不同熱阻式霧封層BPN的磨耗規(guī)律大體一致,均先迅速下降,之后隨磨耗次數(shù)增加而上下波動(dòng),最終呈平緩下降趨勢(shì)。兩種抗滑顆粒中,耐火碎石顆粒為瀝青路面提供的初始BPN最高,且該類型熱阻式霧封層試件在磨耗過(guò)程中BPN曲線位于陶粒熱阻霧封層曲線上方,表明在磨耗過(guò)程中BPN更大,磨耗10萬(wàn)次后,2種試件BPN分別降低了32.5%、32.8%,耐火碎石顆粒試件降低比例較小,具有更優(yōu)的抗滑性能。這是由于抗滑顆粒的棱角不一致,耐火碎石顆粒形狀多為立方體,棱角分明,表面粗糙且粒徑分布均勻,而陶粒多為球狀或橢球狀,表面較光滑,所提供的摩擦力有限。

2.3 顆粒級(jí)配對(duì)霧封層抗滑性能的影響

研究表明,由不同粒徑組成的混合級(jí)配能提供更大的摩阻力和嵌擠力,可以提供更優(yōu)的抗滑耐磨效果。由上文可知采用單粒徑耐火碎石顆粒成型的熱阻式霧封層試件抗滑性能較好。因此,為提高耐火碎石顆粒作為阻熱顆粒時(shí)霧封層的抗滑耐久性能,擬采用0.3～0.6mm及0.6～1.18mm兩檔粒徑組合形成級(jí)配,研究熱阻式霧封層的抗滑耐久性能。本節(jié)基于加速磨耗試驗(yàn),通過(guò)改變不同粒徑耐火碎石顆粒所占配比,研究耐火碎石顆粒級(jí)配對(duì)霧封層試件性能的影響,擬采用的3種級(jí)配見(jiàn)表4。

表4 耐火碎石顆粒級(jí)配

成型試件時(shí),先灑布霧封膠結(jié)料,并先后灑布粗、細(xì)粒徑的耐火碎石顆粒,總摻量為0.5kg/m2。不同級(jí)配下耐火碎石顆粒熱阻式霧封層隨磨耗次數(shù)BPN變化曲線如圖3所示。

圖3 耐火碎石顆粒熱阻式霧封層隨磨耗次數(shù)BPN變化曲線

由圖3可知,摻加級(jí)配2的耐火碎石顆粒所成型的阻熱霧封層試件,磨耗BPN曲線位于上方,相對(duì)于單一粒徑和其他兩種混合級(jí)配具有更優(yōu)的抗滑性能。究其原因在于0.6～1.18mm粒徑的耐火碎石顆粒組成良好的骨架結(jié)構(gòu),少量的0.3～0.6mm粒徑的材料填充在骨架的空隙之中,提供了更大的內(nèi)摩阻力。

3 結(jié)論

(1)研究了熱阻式含砂霧封層的阻熱原理和阻熱特性,耐火碎石顆粒和陶粒作為原材料的含砂霧封層可以有效降低瀝青路面溫度,最高可達(dá)4℃左右,從而能有效減少路面車轍現(xiàn)象,其中耐火碎石顆粒熱阻霧封層比陶粒式熱阻霧封層降溫效果更好。

(2)研究了熱阻式霧封層材料對(duì)抗滑性能的影響,結(jié)果表明,不同熱阻式霧封層BPN的磨耗規(guī)律大體一致,隨磨耗次數(shù)迅速下降后趨于穩(wěn)定,耐火碎石顆粒熱阻霧封層比陶粒式熱阻霧封層抗滑性能略好。

(3)研究了顆粒級(jí)配對(duì)霧封層抗滑性能的影響,混合粒徑比單一粒徑霧封層抗滑性能更好。