用于中面層的乳化瀝青就地冷再生路面結構溫度場研究

王偉偉 張武興 馬 輝

(1.江蘇連徐高速公路有限公司 徐州 221000; 2.江蘇高速公路工程養護技術有限公司 南京 211189)

目前,我國高速公路瀝青路面的老齡化問題嚴重,較長的服役時間易導致路面中面層出現高溫穩定性不足,常采用銑刨加鋪和乳化瀝青就地冷再生對上、中面層處治。乳化瀝青就地冷再生處治將原路面的上、中面層同步再生為一層10 cm的再生層,銑刨加鋪工藝則是將原路面上、中面層銑刨重鋪。對上、中面層進行處治后,2種養護技術均再加鋪4 cm的罩面層作為新路面結構的上面層。乳化瀝青冷再生技術作為一種不經加熱而回收再生瀝青路面的一種技術,在常溫下拌和攤鋪,具有節能、環保、經濟、工藝簡單等明顯的優勢[1]。根據測算,相比于銑刨重鋪原路面上、中面層后加鋪罩面層的方案,乳化瀝青就地冷再生技術可節約30%的資金投入,降低約70%的碳排放,具有顯著的經濟和環保優勢。

西方發達國家在20世紀80年代后開始致力于發展冷再生技術。我國冷再生技術雖然起步晚,但在應用領域高速發展。2019-2021年,江蘇省G15汾灌高速首次在重載交通高速公路中面層使用乳化瀝青就地冷再生技術,突破了以往冷再生工藝僅應用于瀝青路面下面層或基層的限制,進一步拓展了乳化瀝青就地冷再生技術的應用范圍[2]。

目前對乳化瀝青就地冷再生混合料的研究多集中于混合料設計方法、長期性能評測,以及全壽命成本分析上,缺少對應用于高速公路重載交通中面層的乳化瀝青就地冷再生路面結構溫度場和力學響應的分析[3-4]。鑒于其具有空隙率較高,舊料含量達100%及摻加水泥的特點,乳化瀝青就地冷再生混合料性能與熱拌瀝青混合料具有較大差異[5]。為明確不同混合料性能導致的路面結構性能差異,本研究對用于中面層的乳化瀝青就地冷再生路面結構和銑刨加鋪路面結構的溫度場分布進行分析計算。

1 模型建立

路面結構的熱量遷移形式為熱輻射、熱對流和熱傳導。路表與環境通常發生熱輻射和熱對流,包括太陽輻射、路表反射、空氣對流換熱等,而路面結構內部僅在豎直方向上發生熱傳導,較深處土基溫度變化較小,可以視為恒溫邊界。基于傳熱理論,建立路面結構溫度場模型。

結構參數:路面各結構層長寬均為3.75 m,各結構層厚度見表1。

表1 模型層結構

材料參數:各結構層材料熱力學參數見表2。

表2 材料熱力學參數

環境條件:考慮江蘇省內地理位置差異對路面結構溫度場的影響,分別調用江蘇地區高溫和低溫季節1個月內的真實環境氣象數據。設置土基厚度為9.3 m,恒溫層溫度為18 ℃[6]。

求解條件:求解時間范圍為0～719 h,步長0.5 h,計算719 h(30 d)內的溫度變化。

2 高溫季節路面結構溫度場分析

監測江蘇地區高溫季節冷再生與原始路面結構溫度場變化規律數據見圖1,統計典型時段2種結構各結構層平均溫度見表3。

表3 典型時段2種結構各結構層平均溫度

由圖1可見,江蘇地區高溫季節路面結構溫度隨時間呈周期性變化,其中罩面層溫度變化范圍為28～58 ℃,上面層溫度變化范圍為29～53 ℃,中面層溫度變化范圍為31～46 ℃,下面層溫度變化范圍為32～41 ℃。溫度波動隨深度加深呈現滯后性。選擇平均溫度較高且溫度波動趨勢穩定的第143～第216 h(第7～9 d)作為分析的代表時段,觀察高溫季節路面結構溫度場。圖1表明,罩面層范圍內冷再生結構較銑刨加鋪結構溫度波動幅度更大,最高溫和最低溫時段溫度梯度更小。上面層范圍內溫度場分布規律與罩面層相似,冷再生結構溫度波動幅度更大,高溫越高、低溫越低,但溫差較罩面層更小。中面層范圍內,深度至11 cm時,冷再生結構的高溫溫度已小于銑刨加鋪結構,至冷再生層底,冷再生結構的最高溫比銑刨重鋪小約2～3 ℃。下面層范圍內,冷再生結構相較銑刨加鋪結構溫度波動幅度更小,高溫越低而低溫越高。

為研究極端狀況下2種路面結構的溫度場分布差異,選取每日路面面層結構平均溫度最高時間點(最不利溫度時間)的溫度場分析,見圖2。如圖2所示,罩面層范圍內,冷再生結構平均溫度比銑刨加鋪結構高,且越靠近罩面層底部,2種結構的溫度差異越大,罩面層底部2種結構溫度相差4.14 ℃,說明冷再生層熱擴散系數小造成的熱量堆積在罩面層底部表現較為明顯。

圖2 最不利溫度情況下路面各深度溫度分布

由圖2還可見,冷再生層范圍內,最不利溫度隨深度增加而降低,在上半部5 cm冷再生結構的溫度高于銑刨重鋪結構,下半部5 cm則相反。下面層范圍內,冷再生結構較銑刨重鋪結構溫度最不利溫度更低,且越靠近下面層底部,2種結構的溫度差異越小。

結果表明,乳化瀝青就地冷再生路面結構對罩面材料的高溫性能更嚴格,但降低了下面層的溫度,起到了保護原下面層材料的作用。冷再生結構層范圍內,盡管與銑刨加鋪結構相比高溫更低,低溫更高,但平均溫度接近。

3 低溫季節路面結構溫度場分析

監測江蘇地區低溫季節冷再生與原始路面結構溫度場變化規律數據見圖3,統計典型時段2種結構各結構層平均溫度見表4。

圖3 江蘇地區低溫季節冷再生與原始路面結構溫度場變化規律

表4 典型時段2種結構各結構層平均溫度

由圖3可見,低溫季節路面結構溫度隨時間也呈周期性變化,其中罩面層溫度變化范圍為-3.5～3 ℃,上面層溫度變化范圍為-3～2 ℃,中面層溫度變化范圍為-2～1.5 ℃,下面層溫度變化范圍為-1～1.5 ℃。選擇平均溫度較低且溫度波動趨勢穩定的第360～第433 h(第15～第18天)作為分析的代表時段,觀察低溫季節路面結構溫度場。圖3表明,罩面層范圍內冷再生結構較銑刨加鋪結構溫度波動幅度更大,最高溫和最低溫時段溫度梯度更小。上面層范圍內,冷再生結構相較銑刨加鋪結構溫度波動幅度更大,高溫越高、低溫越低。中面層范圍內,冷再生結構溫度在任何時刻均高于銑刨加鋪結構。下面層范圍內,冷再生結構較銑刨加鋪結構溫度波動幅度更小,各深度范圍內冷再生結構溫度均高于銑刨加鋪結構。

為研究極端狀況下2種路面結構的溫度場分布差異,取每日路面面層結構平均溫度最低時間點的溫度場進行分析,如圖4所示。由圖4可見,罩面層范圍內,冷再生結構平均溫度比銑刨加鋪結構低0.45 ℃,且越靠近罩面層底部,2種結構的溫度差異越大。冷再生層范圍內,最不利溫度隨深度增加而增加,上半部4 cm內冷再生結構的溫度低于銑刨重鋪結構,下半部6 cm則相反。下面層范圍內,冷再生結構較銑刨重鋪結構溫度最不利溫度更高,且越靠近下面層底部,2種結構的溫度差異越小。

圖4 最不利溫度情況下路面各深度溫度分布

在冷再生結構層范圍內,冷再生結構的平均溫度高于銑刨加鋪結構,有利于保護該范圍內的混合料。結果表明,乳化瀝青就地冷再生路面結構對罩面材料的低溫性能要求更嚴格,但提高了下面層的溫度,起到了保護原下面層材料的作用。

4 結論

本研究建立用于中面層的乳化瀝青就地冷再生和銑刨加鋪2種路面結構的溫度場分析模型,得到結論如下。

1) 高溫季節溫度場結果顯示,最不利情況下,冷再生結構在罩面層范圍內比銑刨加鋪結構高3～4 ℃,但在下面層范圍內,冷再生結構的溫度更低。結果表明,乳化瀝青就地冷再生路面結構對罩面材料的高溫性能更嚴格,但降低了下面層的溫度,起到了保護原下面層材料的作用。

2) 低溫季節溫度場結果顯示,最不利情況下,在0～8 cm深度范圍內,冷再生結構溫度更低,但在8 cm以下范圍內,冷再生結構溫度更高,表明乳化瀝青就地冷再生路面結構對罩面和上面層材料的低溫性能更嚴格,但提高了中、下面層的溫度,起到了保護原中、下面層材料的作用。

3) 冷再生結構罩面層高溫季節溫度較高,低溫季節溫度較低,要求罩面層材料同時兼顧高溫和低溫性能,以抵抗大溫差帶來的溫縮開裂,建議使用高強瀝青為瀝青膠結料進行罩面結構加鋪。

4) 2種路面結構高溫和低溫季節的溫度場分析結果表明,與銑刨加鋪結構相比,用于中面層的乳化瀝青就地冷再生結構能夠保證路面面層溫度不發生較大變化,使用高強瀝青作為罩面層膠結料的冷再生技術能夠保證較優的工作性能。