新型高寒地區半剛性材料養生方式研究

毛雪松　李汶霖　王鐵權　張慧軍　王莉云　張海寧　黃喆　朱鳳杰　劉龍旗

摘要：針對高寒地區半剛性基層瀝青路面出現裂縫、沉陷、殘損等病害問題，結合半剛性材料的特性以及高寒地區豐富的太陽能資源，提出了具有節能環保、可循環使用等優點的保溫袋養護方式，經設計試驗選擇了具有最佳保溫效果的保溫袋類型。結果表明，該養護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。

關鍵詞：半剛性材料；保溫袋養生；溫度采集；高寒地區

中圖分類號：U416.16文獻標志碼：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

半剛性材料因其強度高、剛性大、利于機械化施工以及能適應重交通發展等特點，被廣泛應用于高等級瀝青公路的路面基層和底基層，成為路面結構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，誘發路面產生反射裂縫，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，但對于高寒地區半剛性基層材料在養生期間溫縮裂縫的預防性養護研究甚少。本文針對高寒地區特殊的自然環境，從半剛性材料基層養生保溫的角度出發，提出針對高寒地區半剛性基層的養生保溫袋，并分析其保溫效果。

1新型保溫袋設計理念

1.1高寒地區半剛性材料的溫縮及干縮特性

高寒地區溫度低、日照時間長、晝夜溫差大、太陽輻射強烈，即使在正常的施工季節，夜晚溫度也會降到0 ℃以下，這樣的自然環境給半剛性基層養生帶來很大問題，尤其是由于溫差較大而產生的溫縮裂縫。高寒地區夜晚溫度驟降，半剛性基層結構內溫度梯度較大，體積收縮會產生溫度收縮應力。當溫度收縮應力大于基層材料的極限抗拉強度時，就會產生收縮裂縫[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象主要發生在竣工后的初期階段，水泥與各種細集料和水經拌和、壓實后，由于蒸發使混合料內部的水分會不斷減少，產生毛細作用、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孔隙中的自由水丟失而產生體積收縮[5]。所以該地區半剛性材料極易由于養護期間水分保持不當出現干縮裂縫。因此在半剛性材料養護中，水分保持十分重要。而在高寒地區，半剛性材料養護過程中水分易失不易補，所以干縮裂縫在該地區相當普遍，嚴重影響了道路的使用性能和使用壽命[68]。

1.2傳統養護方式的局限性

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

1.3保溫袋基本設計原理

高寒地區太陽能資源豐富，從能量傳遞和轉化的角度出發，利用熱傳導將保溫袋內的部分能量傳遞給半剛性基層。保溫袋材質為高強度透明塑料膜，有利于陽光的穿透。保溫袋內注入一定量的水，在水上方充入空氣作為隔熱層，白天，太陽光穿透保溫袋，在水中將光能轉化為熱能，使袋中水的內能增加，水溫升高；夜晚，氣溫下降，半剛性基層溫度也隨之降低，在內外溫差的作用下保溫袋中的水以熱傳導的方式將部分熱量傳送給半剛性基層，從而達到保溫的效果。空氣層的隔熱作用也可以有效地減少熱量散失。保溫袋設計如圖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保溫袋的保溫效果，本文試驗的主要內容包括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；二是分析在最優保溫袋養護下試件的強度及變形性能。

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；排擠出保溫袋內充入的空氣，在保溫袋兩端采用規格為Φ12的圓滑鋼筋裹緊密封并用混凝土磚塊壓實；在保溫袋袋內和袋底分別放置溫度傳感器，用于采集袋內的水溫和袋底的地溫。不種類型保溫袋的形式、尺寸、注水量等設計參數見表1。

使用無紙記錄儀記錄傳感器采集的溫度，每隔4 min自動記錄一次數據，可以連續工作以保證數據的連續性和實時性。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。從當年11月至次年1月進行為期3個月的溫度數據采集。

2.2最佳保溫袋養生效果試驗

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

試驗所需工具：最優保溫袋、HBY40B型水泥恒溫恒濕標準養護箱、尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的帶底試模及萬能試驗機等。

（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；采用機械攪拌的方式把稱量好的水泥、沙料、水攪拌均勻，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） 置于不同條件下養生。待試件拆模后，將試件分成3組：第一組放于標準養生箱中養護，標準養生箱溫度為20 ℃±1 ℃，相對濕度不小于90%；第二組灑上充足的水分，覆上薄膜，在室外置于最優保溫袋下養護；第三組覆蓋毛巾，放于自然環境中并定期灑水養護。

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

3試驗結果分析

3.1最佳保溫袋選擇

經過長達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據。從中挑選了具有代表性的連續3 d的水溫及地溫變化數據，如圖2～4所示。

據所測數據分析可知，該試驗設計的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護下的地溫。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方式向地面傳送，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，在保溫袋養護的作用下，地面的晝夜溫差大大減小，這將有助于半剛性基層在養生階段早期強度的形成。

結合所測數據及上圖曲線變化的規律，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，明顯優于其他4種保溫袋。所以保溫性能最優的保溫袋為1號雙面透明充氣保溫袋。

3.2不同養護條件下試件抗壓強度分析

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

從圖5可以看出，試件在不同的養生方式下，其抗壓強度增長變化規律不盡相同。在養生早期，即養生7 d內，保溫袋下的試件其抗壓強度增長最快，其次為標準養生，自然養生下的試件強度增長最慢。這說明保溫袋能顯著地促進試件早期強度形成，甚至比標準養生下的試件強度還高。而隨著養生時間的延長，各養生條件下的試件強度均繼續增長，且在7 d以后變化規律基本相同，各養生方式下試件強度之間的差也逐漸減小。這是因為各個試件內水泥的水化反應逐漸基本完成，強度增長梯度逐漸減小。此外，從圖中也可發現，養生12 d左右時，標準養生方式下的試件強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測試驗和水泥砂漿無側限抗壓強度試驗的結果，可知雙面透明充氣保溫袋用于高寒地區半剛性基層養生時，能顯著地提高養生溫度、減小晝夜溫差，促進半剛性基層早期強度形成，從而有效地抑制溫縮裂縫、減少道路病害和維修養護費用，提高道路整體結構的穩定性和服務質量。

4結語

針對高寒地區半剛性基層養生期間因溫差大而產生的溫縮裂縫，從養生保溫的角度出發，提出采用保溫袋提高基層溫度、抑制溫縮裂縫的想法，并設計試驗進行驗證。試驗結果表明，保溫袋可以有效地吸收太陽能，以熱傳導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。

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[責任編輯：杜敏浩]