熱反射灌注式瀝青路面設(shè)計(jì)及降溫效果評(píng)價(jià)

劉愛(ài)峰

摘要 為探索熱反射灌注式瀝青路面設(shè)計(jì)要點(diǎn)及在南方高溫多雨地區(qū)公路工程中的應(yīng)用效果，文章以具體工程為例，對(duì)熱反射水泥基灌漿材料的力學(xué)強(qiáng)度、黏結(jié)性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)熱反射灌注式瀝青路面薄層的抗滑性和抗磨耗性進(jìn)行檢測(cè)，在確定出鈦白粉合理?yè)搅亢螅来芜M(jìn)行室內(nèi)照射試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果檢測(cè)。結(jié)果表明，這種材料和普通灌漿料聯(lián)合灌注后形成的熱反射灌注式瀝青路面薄層具備良好的降溫效果，能較好地避免瀝青路面高溫車(chē)轍等病害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞 灌注式瀝青路面；降溫效果；熱反射水泥基灌漿料

中圖分類(lèi)號(hào) U416.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0143-03

0 引言

灌注式瀝青路面主要通過(guò)在水泥基灌漿料中填充大空隙瀝青混合料而形成，此種水泥基灌漿料兼具水泥混凝土結(jié)構(gòu)的剛度及瀝青混凝土材料的柔韌性、兼容性較好，能負(fù)載多種形式的功能性材料，在增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)抗車(chē)轍性能和路用性能的同時(shí)，具備其他方面的功能。按照此思路，借助灌注式瀝青路面較好的負(fù)載功能，在路面結(jié)構(gòu)中增設(shè)熱學(xué)改性材料，可取得較好的路面熱量傳遞及溫度調(diào)控效果。當(dāng)前已有的研究成果更加側(cè)重此類(lèi)水泥基灌漿料所負(fù)載材料的制備及性能，對(duì)具備熱反射性能的水泥基灌漿料研究較少?；诖?，該文依托公路工程實(shí)際，進(jìn)行熱反射水泥基灌漿材料性能檢測(cè)以及熱反射灌注式瀝青路面設(shè)計(jì)，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

某新建公路段位于我國(guó)南方高溫多雨地區(qū)，工程區(qū)地形復(fù)雜多變，山谷、丘陵交替分布。結(jié)合氣象資料，工程區(qū)為典型的亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，因受到熱帶氣旋和海洋氣團(tuán)的綜合作用，夏季高溫多雨，5—10月平均溫度為29.8 ℃，夏季極端最高溫度達(dá)到43.2 ℃，路表溫度更是超出50 ℃；5—10月降雨量在1 200～2 600 mm之間，占全年降雨量的80%以上。此種運(yùn)行環(huán)境對(duì)公路瀝青路面材料的熱穩(wěn)定性有較高要求，路面運(yùn)行期間發(fā)生高溫車(chē)轍、水損等病害的可能性較大。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組多方考察和反復(fù)論證，最終決定鋪筑熱反射灌注式瀝青路面，在降低和延緩車(chē)轍病害的同時(shí)，也為該地區(qū)其余公路熱反射灌注式瀝青路面的建設(shè)提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2 熱反射灌注式瀝青路面設(shè)計(jì)

對(duì)熱反射水泥基灌漿材料進(jìn)行性能檢測(cè)。按照預(yù)想，反射材料以填料的形式摻加進(jìn)灌漿結(jié)構(gòu)中，制備出的混合料經(jīng)由路表灌注后形成灌注式瀝青路面，該路面形式具有較好的反射率。

2.1 熱反射水泥基灌漿材料性能測(cè)試

該研究中熱反射灌注式瀝青路面主要以磷酸銨鎂水泥為基材，該基材經(jīng)由磷酸二氫銨和氧化鎂經(jīng)過(guò)充分反應(yīng)而得出[1]。在基材內(nèi)按設(shè)計(jì)比例摻加鈦白粉材料后使反射率進(jìn)一步提高。此外，為確保熱反射灌注式瀝青材料具有良好的可施工性能，還必須摻加聚羧酸高效減水劑和硼砂，較好地改善基材的流動(dòng)性和凝結(jié)性能。為對(duì)比基材和添加劑不同摻量下熱反射灌注式瀝青混合料性能，提出5種材料配比，在此5種配比下磷酸二氫銨用量均為20 g，氧化鎂用量均為100 g，硼砂用量均為10 g，水用量依次為24.0 g、25.4 g、26.5 g、28.9 g、34.0 g，聚羧酸高效減水劑依次按0.735%、0.758%、0.794%、0.865%、1.100%的比例摻加，鈦白粉依次按0%、5%、10%、25%、40%的比例摻加。

2.1.1 力學(xué)強(qiáng)度

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）中規(guī)定的具體方法進(jìn)行熱反射灌注式瀝青混合料強(qiáng)度檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，熱反射灌注式瀝青混合料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均隨鈦白粉摻量的持續(xù)增大而減??；與摻量為0相比，摻加40%鈦白粉的熱反射灌注式瀝青混合料7 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別降低了40.07%和35.23%。分析原因可知，鈦白粉摻加后對(duì)基材內(nèi)的磷酸二氫銨和氧化鎂具有取代作用，如此經(jīng)水化反應(yīng)所生成的磷酸銨鎂（一種黏結(jié)材料）也持續(xù)減少，這顯然對(duì)熱反射灌注式瀝青混合料力學(xué)性能不利[2]。可見(jiàn)，必須嚴(yán)格控制此類(lèi)混合料中鈦白粉摻量。結(jié)合此處力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試情況，應(yīng)將鈦白粉摻量控制在20%以?xún)?nèi)。按照這一標(biāo)準(zhǔn)，使持續(xù)養(yǎng)護(hù)7 d的熱反射灌注式瀝青混合料試件經(jīng)歷不同的環(huán)境作用，待其溫度恢復(fù)至室溫后進(jìn)行強(qiáng)度的二次檢測(cè)。結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，不同鈦白粉摻量下熱反射灌注式瀝青混合料受到不同環(huán)境條件影響后抗壓強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)。高溫多雨環(huán)境有助于促進(jìn)混合料中磷酸鹽的溶解，增大材料孔隙率，并使溶液內(nèi)pH值下降，促使材料更加松散，抗壓強(qiáng)度也隨之降低。此外，低溫環(huán)境下混合料中的水分會(huì)發(fā)生凝結(jié)，抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)降低?？傮w而言，熱反射灌注式瀝青混合料在高低溫環(huán)境下抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，但仍高于普通灌注式瀝青混合料，在路面建設(shè)中較為適用[3]。

2.1.2 黏結(jié)性能

熱反射水泥基灌漿材料主要涉及熱反射灌漿料和普通灌漿料的黏結(jié)界面、熱反射灌漿料和瀝青混合料黏結(jié)界面。為進(jìn)行兩類(lèi)界面黏結(jié)效果檢測(cè)，將3 mm設(shè)計(jì)厚度的熱反射水泥基灌漿材料均勻涂抹于棱柱形灌漿材料試件和瀝青混合料試件表面；此后將兩類(lèi)試件放置于濕度為60%±5%、溫度為20 ℃±2 ℃的環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d。完成以上操作后借助鋼錠檢測(cè)黏結(jié)強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)，熱反射水泥基灌漿料和瀝青混合料界面的黏結(jié)強(qiáng)度明顯較低，在鈦白粉摻量為0%、5%和10%的情況下，該界面黏結(jié)強(qiáng)度僅為熱反射水泥基灌漿料和普通灌漿料界面黏結(jié)強(qiáng)度的41.04%、42.93%和46.15%。但界面黏結(jié)強(qiáng)度均超出規(guī)范中相應(yīng)的最低限，說(shuō)明此類(lèi)灌漿料黏結(jié)效果優(yōu)異，對(duì)于瀝青路面施工完全適用。

2.2 熱反射灌注式瀝青路面薄層性能測(cè)試

結(jié)合規(guī)范首先制備孔隙率較大的混合料試塊，同時(shí)拌制普通灌漿料，按照設(shè)計(jì)要求將其灌注于冷卻至常溫狀態(tài)的混合料試塊內(nèi)，注意不得灌滿(mǎn)，必須預(yù)留一定空間。隨后，待試塊內(nèi)所灌進(jìn)的普通灌漿料達(dá)到初凝狀態(tài)，再將制備好的熱反射水泥基灌漿材料灌進(jìn)試塊內(nèi)剩余空間，借助相應(yīng)工具刮除試塊表面多余的漿液，以使表面構(gòu)造處于外露狀態(tài)。

2.2.1 抗滑性能

借助擺式摩擦儀展開(kāi)以上試塊抗滑性能檢測(cè)，并比較試驗(yàn)前后試塊擺值的變動(dòng)趨勢(shì)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，不同鈦白粉摻量下熱反射灌注式瀝青路面薄層擺值結(jié)果較為接近，且灌注前因孔隙率較大的混合料試塊外表粗糙、抗滑性能較好，擺值測(cè)值較大；灌注后空隙被填充，粗糙程度以及對(duì)應(yīng)的擺值均有所降低。經(jīng)過(guò)磨耗后的試塊擺值發(fā)生下降，但仍大于規(guī)范中瀝青路面抗滑值最低限，抗滑性能優(yōu)異。

2.2.2 抗磨耗性能

通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)機(jī)展開(kāi)車(chē)輪磨損過(guò)程模擬。根據(jù)模擬結(jié)果可知（見(jiàn)表5），隨著磨損次數(shù)的增大，全部試件質(zhì)量損失均呈增大趨勢(shì)，但熱反射灌注式瀝青混合料試件表面的熱反射水泥基灌漿材料磨損后試塊表面平整程度提高，整體質(zhì)量損失較少。這表明熱反射灌注式瀝青路面具備良好的抗磨耗性能，能提升路面結(jié)構(gòu)的耐久性。

出于對(duì)工程效果及經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，該公路工程試驗(yàn)段將熱反射水泥基灌漿材料中鈦白粉摻量控制在10%。

2.2.3 水穩(wěn)性

對(duì)大孔隙混合料試塊展開(kāi)凍融劈裂試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，普通瀝青混合料試塊凍融前后平均劈裂強(qiáng)度為0.833 MPa，熱反射灌注式瀝青混合料試件凍融前后平均劈裂強(qiáng)度達(dá)到0.968 MPa，比普通混合料試塊強(qiáng)度提升16.21%。

此后，展開(kāi)浸水馬歇爾試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，熱反射灌注式瀝青混合料試件浸水殘留穩(wěn)定度達(dá)到89.71%，與92%的基質(zhì)瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度仍存在一定差距。表明此類(lèi)瀝青混合料浸水馬歇爾穩(wěn)定度有所降低，但仍符合設(shè)計(jì)要求。

綜合以上凍融劈裂試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，摻加鈦白粉后熱反射灌注式瀝青混合料水穩(wěn)性呈增強(qiáng)趨勢(shì)，能較好阻隔水壓力作用下瀝青膜剝落；因鈦白粉幾乎無(wú)開(kāi)口孔隙，還能有效避免水分浸入混合料內(nèi)部。

3 熱反射灌注式瀝青路面降溫效果評(píng)估

3.1 室內(nèi)照射試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)熱反射灌注式瀝青路面降溫效果，首先進(jìn)行了路面溫度變動(dòng)趨勢(shì)模擬的室內(nèi)照射試驗(yàn)。按照鈦白粉摻量依次為0%、5%、10%制備熱反射灌注式瀝青路面薄層試塊，并以普通瀝青混合料試塊為對(duì)照組。在試驗(yàn)環(huán)境中對(duì)稱(chēng)架設(shè)4臺(tái)500 W碘鎢燈模擬日光照射，以確保其與試塊之間垂直距離為90 cm。同時(shí)在試塊四周放置泡沫板，在試塊底部安裝溫度傳感器。試驗(yàn)開(kāi)始后借助多路數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行試塊底面溫度值的實(shí)時(shí)測(cè)取，上表面溫度則由熱紅外成像儀監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)共進(jìn)行240 min，并按5 min的時(shí)間間隔測(cè)試并記錄。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，熱反射灌注式瀝青混合料試塊上表面及底面的測(cè)試溫度均比普通試塊低，其在試驗(yàn)進(jìn)行到最后時(shí)上表面和底面溫度分別比普通試塊低15.7 ℃和14.1 ℃。

在對(duì)試塊磨損處理后再次展開(kāi)以上測(cè)試，結(jié)果表明，磨損處理會(huì)在一定程度上減弱試塊降溫效果[4]，磨損后的熱反射灌注式瀝青混合料試塊上表面和底面溫度分別比磨損前降低14.8%和18.7%，此類(lèi)材料磨損后仍具有較好的降溫效果，能較好緩解路面高溫及車(chē)轍病害。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為比較熱反射灌注式瀝青路面降溫效果，驗(yàn)證熱反射灌注式瀝青路面優(yōu)異的阻熱性能，選取樁號(hào)K33+220～K33+520和K33+520～K34+050兩個(gè)試驗(yàn)段，分別展開(kāi)普通路面和熱反射灌注式瀝青路面鋪筑施工。施工完成并達(dá)到開(kāi)放交通程度后，分別展開(kāi)兩個(gè)路段溫度分布程度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)表6結(jié)果，兩種路面層特征位置溫度存在較大差異，特別是上面層增設(shè)熱反射灌注式瀝青混合料后，既能直接阻隔熱量侵入路表結(jié)構(gòu)，又能較好阻隔熱量向下傳遞，并避免熱量在路面結(jié)構(gòu)層中的富集[5]。此種路面薄層設(shè)置后可使路表、路表以下4 cm處、路表以下10 cm處、路表以下18 cm處溫度比普通路面結(jié)構(gòu)下降15.1 ℃、12.9 ℃、9.2 ℃和6.5 ℃。有效降低中下面層溫度，瀝青路面的抗車(chē)轍性能也因此得到提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文依托路面工程實(shí)際開(kāi)展熱反射水泥基灌漿料性能測(cè)試及熱反射灌注式瀝青路面設(shè)計(jì)，并對(duì)工程應(yīng)用效果進(jìn)行比較與評(píng)價(jià)。得出以下結(jié)論：按照10%的推薦摻量摻加鈦白粉后，熱反射水泥基灌漿料強(qiáng)度及黏結(jié)性能較好；這種類(lèi)型的灌漿料能較好嵌入進(jìn)而覆蓋灌注式瀝青混合料試塊表面，發(fā)揮抗滑、抗磨耗作用。室內(nèi)照射試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果均顯示，熱反射灌注式瀝青混合料試塊上表面和底面降溫效果均較顯著，驗(yàn)證了此類(lèi)路面結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異的降溫潛力，同時(shí)能提升混合料高溫抗車(chē)轍性能，對(duì)高溫多雨地區(qū)的公路較為適用。

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