新型高寒地区半刚性材料养生方式研究

毛雪松　李汶霖　王铁权　张慧军　王莉云　张海宁　黄喆　朱凤杰　刘龙旗

摘要：针对高寒地区半刚性基层沥青路面出现裂缝、沉陷、残损等病害问题，结合半刚性材料的特性以及高寒地区丰富的太阳能资源，提出了具有节能环保、可循环使用等优点的保温袋养护方式，经设计试验选择了具有最佳保温效果的保温袋类型。结果表明，该养护方式具有良好的保温效果，能有效地抑制半刚性基层温缩，提高道路品质。

关键词：半刚性材料；保温袋养生；温度采集；高寒地区

中图分类号：U416.16文献标志码：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

半刚性材料因其强度高、刚性大、利于机械化施工以及能适应重交通发展等特点，被广泛应用于高等级沥青公路的路面基层和底基层，成为路面结构施工中的主要组成材料。然而，半刚性材料抗温变形能力较差，容易形成温缩裂缝，诱发路面产生反射裂缝，缩短道路使用寿命[13]。很多专家针对半刚性基层材料的温缩特性展开了深入的研究，但对于高寒地区半刚性基层材料在养生期间温缩裂缝的预防性养护研究甚少。本文针对高寒地区特殊的自然环境，从半刚性材料基层养生保温的角度出发，提出针对高寒地区半刚性基层的养生保温袋，并分析其保温效果。

1新型保温袋设计理念

1.1高寒地区半刚性材料的温缩及干缩特性

高寒地区温度低、日照时间长、昼夜温差大、太阳辐射强烈，即使在正常的施工季节，夜晚温度也会降到0 ℃以下，这样的自然环境给半刚性基层养生带来很大问题，尤其是由于温差较大而产生的温缩裂缝。高寒地区夜晚温度骤降，半刚性基层结构内温度梯度较大，体积收缩会产生温度收缩应力。当温度收缩应力大于基层材料的极限抗拉强度时，就会产生收缩裂缝[4]，且温差越大，半刚性基层材料越容易开裂。

高寒地区气候普遍干燥、寒冷、少雨，水资源相对匮乏；地形地貌以草原荒漠居多，植被多以耐寒旱生的多年生丛生禾草、根茎苔草和小半灌木为主。而半刚性基层材料干缩现象主要发生在竣工后的初期阶段，水泥与各种细集料和水经拌和、压实后，由于蒸发使混合料内部的水分会不断减少，产生毛细作用、吸附作用、分子间的作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和炭化收缩作用等，引起半刚性基层材料毛细孔隙中的自由水丢失而产生体积收缩[5]。所以该地区半刚性材料极易由于养护期间水分保持不当出现干缩裂缝。因此在半刚性材料养护中，水分保持十分重要。而在高寒地区，半刚性材料养护过程中水分易失不易补，所以干缩裂缝在该地区相当普遍，严重影响了道路的使用性能和使用寿命[68]。

1.2传统养护方式的局限性

传统半刚性基层养生方式主要包括：采用湿砂、不透水薄膜、草帘等材料覆盖养生；采用乳化沥青透层油及稀浆封层技术养生；采用人工或洒水车定期洒水养生等。但这些方法用于高寒地区的半刚性基层养生时，很难有效控制温缩裂缝及干缩裂缝的产生[910]。

1.3保温袋基本设计原理

高寒地区太阳能资源丰富，从能量传递和转化的角度出发，利用热传导将保温袋内的部分能量传递给半刚性基层。保温袋材质为高强度透明塑料膜，有利于阳光的穿透。保温袋内注入一定量的水，在水上方充入空气作为隔热层，白天，太阳光穿透保温袋，在水中将光能转化为热能，使袋中水的内能增加，水温升高；夜晚，气温下降，半刚性基层温度也随之降低，在内外温差的作用下保温袋中的水以热传导的方式将部分热量传送给半刚性基层，从而达到保温的效果。空气层的隔热作用也可以有效地减少热量散失。保温袋设计如图1所示。

2试验方案

为了选择保温效果最好的保温袋类型以及验证最优保温袋的保温效果，本文试验的主要内容包括2个方面：一是选择不同类型的保温袋在同等条件下分析保温效果；二是分析在最优保温袋养护下试件的强度及变形性能。

2.1不同类型保温袋保温效果试验

该部分试验共设计了5种不同形式的保温袋，分别为：双面透明充气袋、双面透明未充气袋、双面透明充气黑水袋、底面黑上面透明充气袋、双面黑色未充气袋。试验前，将保温袋试验装置平放于地势平坦处，其两端开口采用玻璃胶密封，防止外界因素的干扰；排挤出保温袋内充入的空气，在保温袋两端采用规格为Φ12的圆滑钢筋裹紧密封并用混凝土砖块压实；在保温袋袋内和袋底分别放置温度传感器，用于采集袋内的水温和袋底的地温。不种类型保温袋的形式、尺寸、注水量等设计参数见表1。

使用无纸记录仪记录传感器采集的温度，每隔4 min自动记录一次数据，可以连续工作以保证数据的连续性和实时性。试验时通过另置的2个温度传感器探头实时采集气温、地温，气温传感器探头裸露于空气中，测地温的探头埋于地表以下。从当年11月至次年1月进行为期3个月的温度数据采集。

2.2最佳保温袋养生效果试验

试验所需材料为32.5（R）普通硅酸盐水泥，细度模数为2.3～3.0；平均粒径在0.25～0.5 mm范围内的普通中砂以及自来水等。

试验所需工具：最优保温袋、HBY40B型水泥恒温恒湿标准养护箱、尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的带底试模及万能试验机等。

（1） 制备水泥砂浆试件。通过计算选择合适的水泥砂浆配合比；采用机械搅拌的方式把称量好的水泥、沙料、水搅拌均匀，搅拌时间不少于2 min；将拌制好的砂浆一次性装满带底试模，采用人工振捣的方式振实成型；待表面稍干，沿试模面刮平。

（2） 置于不同条件下养生。待试件拆模后，将试件分成3组：第一组放于标准养生箱中养护，标准养生箱温度为20 ℃±1 ℃，相对湿度不小于90%；第二组洒上充足的水分，覆上薄膜，在室外置于最优保温袋下养护；第三组覆盖毛巾，放于自然环境中并定期洒水养护。

（3） 无侧限单轴抗压强度测试。将试件从养护地点按时取出，及时将表面擦拭干净，测量尺寸，并检查其外观，确认合格后进行试验操作。将试件安放在万能试验机下压板上，并使试件中心与试验机下压板中心对准；开动试验机，当上压板与试验机接近时，调整球座，使接触面受力均匀。试验过程中应均匀、连续地施加荷载，施加荷载速度为15 kN·s-1，当试件迅速变形接近被破坏时，停止调整试验机油门，直至试件完全被破坏，记录破坏荷载。

3试验结果分析

3.1最佳保温袋选择

经过长达3个月的测试，得到大量的保温袋袋中水温、袋下地温以及气温的数据。从中挑选了具有代表性的连续3 d的水温及地温变化数据，如图2～4所示。

据所测数据分析可知，该试验设计的5种类型保温袋，在白天尤其是午后水温普遍高于气温；而夜晚来临之后，自然条件下的地温低于在保温袋养护下的地温。这说明，在白天阳光的辐射作用下，保温袋能很好地把太阳能转化成热能并储存起来，而随着夜晚气温的降低，保温袋下的地温明显高于自然条件下的地温，且平均高出约2 ℃～7 ℃。由此可见，保温袋在夜间能把白天储存的能量通过热传导方式向地面传送，显著地提高了地温，有着很好的保温作用。由以上分析可知，本文所设计的保温袋具有白天储能、夜间保温的良好性能，在保温袋养护的作用下，地面的昼夜温差大大减小，这将有助于半刚性基层在养生阶段早期强度的形成。

结合所测数据及上图曲线变化的规律，且考虑5种保温袋的储能效果、传热效果、温差大小等因素，分析可知双面透明充气保温袋可以将下覆地温提高约4 ℃～7 ℃，将昼夜温差由16 ℃～26 ℃左右缩小至10 ℃～16 ℃左右，明显优于其他4种保温袋。所以保温性能最优的保温袋为1号双面透明充气保温袋。

3.2不同养护条件下试件抗压强度分析

通过测试不同养生方式下水泥砂浆立方体的抗压强度，得到了试件养生3、5、7、15、21 d的强度数据。不同养生条件下抗压强度测得值如表2所示，不同养生方式下试件抗压强度的增长变化规律如图5所示。

从图5可以看出，试件在不同的养生方式下，其抗压强度增长变化规律不尽相同。在养生早期，即养生7 d内，保温袋下的试件其抗压强度增长最快，其次为标准养生，自然养生下的试件强度增长最慢。这说明保温袋能显著地促进试件早期强度形成，甚至比标准养生下的试件强度还高。而随着养生时间的延长，各养生条件下的试件强度均继续增长，且在7 d以后变化规律基本相同，各养生方式下试件强度之间的差也逐渐减小。这是因为各个试件内水泥的水化反应逐渐基本完成，强度增长梯度逐渐减小。此外，从图中也可发现，养生12 d左右时，标准养生方式下的试件强度逐渐超越保温袋下的试件，但两者之间的差值很小。

综合分析保温袋温度监测试验和水泥砂浆无侧限抗压强度试验的结果，可知双面透明充气保温袋用于高寒地区半刚性基层养生时，能显著地提高养生温度、减小昼夜温差，促进半刚性基层早期强度形成，从而有效地抑制温缩裂缝、减少道路病害和维修养护费用，提高道路整体结构的稳定性和服务质量。

4结语

针对高寒地区半刚性基层养生期间因温差大而产生的温缩裂缝，从养生保温的角度出发，提出采用保温袋提高基层温度、抑制温缩裂缝的想法，并设计试验进行验证。试验结果表明，保温袋可以有效地吸收太阳能，以热传导的方式显著提高下覆地温，并且以双面透明充气保温袋保温效果最为显著，在高寒地区采用该形式的保温袋可以有效地抑制半刚性基层温缩，提高道路品质。

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[责任编辑：杜敏浩]