灌入保水砂浆后钢桥面铺装洒水降温效果分析

2018-11-02张亮亮邓南忠曾泽润何建宏

铁道建筑 2018年10期

张亮亮,邓南忠,曾泽润，何建宏

(1.重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2.重庆大学山地城镇建设安全与防灾协同创新中心，重庆 400045;3.重庆万利万达高速公路有限公司，重庆 400045)

随着我国桥梁向超大跨度方向发展，钢箱梁以其独特的优点在桥梁建设中应用得越来越广泛[1]。钢箱梁与其他材料相比，具有韧性、延性、抗震性能好，抗压强度高，抗剪能力强的特点。由于自重轻、跨越能力强，钢材用量大，其材质加工性能好[2]。沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、振动小、噪声低、施工期短、养护维修简便等优点[3]，因此世界各国的钢桥面铺装层均采用沥青混凝土体系。但是，大部分钢箱梁是一个封闭断面，太阳辐射使得钢箱梁里面的温度很高，且持续时间久，影响铺装层的性能。研究表明[4]，夏季钢箱梁上面的沥青混凝土温度可达 60 ℃ 左右，在高温条件下沥青混凝土更容易产生车辙破坏。早期的钢箱梁铺装层破坏，一般由2种原因造成：①由于在夏季高使沥青混凝土达不到其设计的承载力能力，在行车荷载作用下出现车辙;②高温使钢箱梁顶部与沥青凝土之间的黏结力降低，抗剪能力变弱，在行车荷载作用下，钢箱梁与铺装层之间容易发生推移和脱空[5-8]。

由文献[9-11]可知，不改变沥青材料钢桥面板铺装的降温方法有：①人工洒水；②在铺装层表面涂布遮热涂料，反射太阳光；③在铺装层表面撒布浅色耐磨碎石。改变沥青材料降低钢箱梁铺装层温度的方法有：①沥青材料中加保水剂；②改变沥青骨料，用铝矾土代替玄武岩；③采用多空隙集料代替部分普通集料；④采用排水性沥青。

针对降低铺装层温度的方法，国外开展了许多研究。德国GÖBEL等[12]优化设计了几种保水路面，从而影响铺装层的热学特性。美国Li等[13-14]通过在铺装层表面涂白水泥，增大反射率。法国HENDEL等[15-16]对铺装层洒水并进行温度实测，在阳光暴晒下温度可以降低13 ℃。KINOSHITA等[17]从评估材料的保水性能和测量材料的蒸发率着手研究降低铺装层温度。NAKAYAMA等[18]、ANUSH等[19]在保水材料方面做了大量研究。

国内在钢桥面铺装层降温方面也开展了相关研究。徐文城等[20]进行了钢桥面铺装及钢箱梁断面温度监测与分析的研究，对铺装层和钢箱梁的温度进行实测，得出在15:00左右铺装层的最高温度达61.41 ℃，并提出了2种方式降低铺装层温度：自然降雨和人工洒水。王艳良[21]和梁满杰[22]提出了在铺装层表面涂布遮热涂料和在铺装层表面撒布浅色耐磨碎石以及采用多孔隙集料替代部分普通集料进行混合料设计的方法，从而降低铺装层的温度。

结合以上几种降低沥青铺装层温度的思路，在沥青铺装层表面灌入浅色的保水砂浆，既可以降低铺装层的吸热量，又可以储蓄水分而延长蒸发降温的时间。本文共设计制作了3个300 mm×300 mm×50 mm的沥青混凝土车辙试验的试块，其中在1个试块表面灌入了保水砂浆，通过模型试验研究了普通桥面铺装、带保水砂浆的桥面铺装在不同洒水量下的降温效果。

1 试块制作

1.1 保水沥青试块制作

试验所使用的沥青为SBS改性沥青，其技术性质见表1。试块所使用的沥青用量和集料级配是影响母体沥青混凝土孔隙率大小的关键因素。为了减小沥青用量对孔隙率的影响，沥青用量可以先通过经验公式计算沥青用量范围，即用集料的总表面积与沥青膜厚的乘积估算沥青用量，确定其范围为3.0%～4.5%，之后通过析漏试验和飞散试验进行校核，最终得到最佳沥青用量。同时母体沥青混凝土的密度应该大于1.9 g/cm3，其孔隙率在22%左右。

表1 改性沥青技术性质

1.2 集料的选用

沥青混合料由集料、沥青、矿粉等原料混合而成,这些构成原料的物理力学特性将直接影响到沥青混凝土成型后的各种使用性能。集料又由粗集料、细集料、填料组成，对于母体沥青混凝土集料，粗集料较多，而细集料较少。由于混合料级配不同，则混合料形成的结构也不同，本试验使用的母体沥青混合料属于骨架-空隙结构，在形成骨架的同时能供给足够大的空隙使得保水砂浆充分灌入，形成的路面结构具有很强的胶结能力。一个良好的混合料级配，可以形成一个好的骨架，所以混合料的级配设计是整个母体沥青混凝土制作的关键。另外，集料级配设计需要进行上限和下限的级配试验和实测空隙率。对母体沥青混合料进行马歇尔试验，经过多次试验和参考国外推荐的级配，总结出适合我国实际情况的母体沥青混合料级配范围，其推荐的母体沥青混合料级配范围见表2。

表2 母体沥青混合料级配范围

根据体积法的思想，细集料体积、沥青体积、矿粉体积及沥青混合料最终设计空隙体积之和等于主骨架空隙体积。表达式为

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：qc为粗集料重量百分数；qf为细集料重量百分数；qp为矿粉重量百分数；Vvc为粗集料装填空隙率百分数；Vvs为沥青混合料设计空隙率百分数；ρsc为粗集料的紧装密度；ρtf为细集料的表观密度；ρtp为矿粉的表观密度；ρa为沥青密度。

将式(1)、式(2)联立求解，即可得沥青混凝土集料用量，其结果见表3。

表3 通过体积法确定母体混合料级配

注：沥青用量4%，母体试块孔隙率22%。

1.3 保水砂浆制作

保水原材料主要是利用自身的空隙进行吸水和保水，一般具有空隙多的材料都可以作为保水材料，如矿渣、吸水树脂、硅藻土等。本试验所用的保水砂浆主要是由普通硅盐水泥、矿粉、水、细砂、保水剂等组成，其中保水剂由硅藻土和矿渣粉按一定比例组成。对于保水砂浆的设计，首先通过大量砂浆配合比进行初试，再考察砂浆的流动性、吸水性、保水率等指标是否满足设计要求，得到符合要求的配合比之后，再进行配合比优化。本试验的保水砂浆配合比采用文献[9]的配合比，其配合比为水泥∶水∶细砂∶矿粉∶矿渣粉∶硅藻土=41.5∶68.5∶20∶10∶4∶2。

1.4 保水沥青试块成型

母体沥青混凝土试块在车辙板试模成型，试模尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。当母体沥青试块冷却到一定温度后，对母体试块进行灌浆。把母体沥青试块放在混凝土振动成型机上，一边振动一边灌入保水砂浆，直到不能灌注为止。振动渗透完毕之后，用橡胶板刮去多余的浆液得到保水试块，试块成型流程见图1。将灌注好保水砂浆的试块，在标准养护条件下养护7 d，到达龄期后，脱模得到保水试块，见图2。

图1 试块成型流程

图2 保水试块成型

2 试验装置

图3 试验装置

本文拟采用的试验装置见图3。在绝热钢箱里面加入热水模拟钢箱梁内部的环境温度，并在钢水箱外面包裹保温棉，减少钢箱梁与外界环境之间的热交换。钢箱尺寸为800 mm×800 mm×300 mm。在绝热箱上面的隔热材料开3个300 mm×300 mm的口，用于放置试块。另外，在钢箱上面开1个直径为80 mm的进水口，并在其侧面开1个排水口。把温度电极分别埋入3个试块和钢箱与试块的接触面上，并用橡皮泥封口。当恒温水浴箱把水加热到试验温度时，再用水泵把热水抽到绝热水箱里，并用隔热材料把进水口封住，一切准备就绪后，打开加热灯，此时温度采集仪同步开始记录数据。当试块温度加热到60 ℃左右时，用喷水壶洒水，当温度又重新回到60 ℃左右时，试验完成。在试验中，应该控制加热灯到试块的距离，距离太近或太远都不利于模拟夏季太阳辐射到铺装层的实际温度。因此，本试验加热灯到试块表面的距离设置为120 cm。

3 水分蒸发量的计算公式

对试块洒水之后，在碘钨灯照射下，试块表面的水分开始蒸发并带走热量，降低了试块的温度。建立水分蒸发模型，通过水分蒸发公式，计算出蒸发量。影响水分蒸发的因素有风速、水汽压差、相对湿度、日照强度等[23]。本试验不考虑以上因素的影响，只通过水分蒸发量，比较普通试块和保水试块水分蒸发量的大小，得出这2个试块温度的降低程度。水分蒸发量计算式为[24]

(3)

式中：E0为水分蒸发量；H0为蒸发量单位的辐射平衡；Δ为饱和水气压-温度曲线斜率；γ为干燥表常数；Ea为干燥力参数。

H0=(1-α)Q-Bl

(4)

式中：α为反射率；Q为日照总辐射；Bl为有效辐射。

把式(3)带入式(4),可得

(5)

在相同环境下，假定饱和水气压-温度曲线斜率相同。令E1为保水试块的蒸发量，E2为普通试块的蒸发量，通过式(5)比较保水试块和普通试块在洒水之后水分蒸发量大小。其比较过程为

(6)

由于保水试块表面呈浅色，普通试块表面呈黑色，所以α1>α2。因此E1

4 试验过程与分析

试验分2次进行。第1次试验，每个试块的洒水量为50 mL，等效为洒水厚度0.556 L /m2；第2次试验，每个试块洒水量为100 mL，等效为洒水厚度 1.112 L /m2。本次试验有3个试块，保水沥青混凝土试块和普通沥青混凝土试块均采用洒水措施，另外一个普通沥青混凝土试块在试验过程中不洒水，用作对比试块。

在每个试块中央用电钻打2 cm深的孔，并放入温度电极，与温度采集仪相连。打开加热灯，开始对3个试块加热，同时开启温度采集仪，每隔1 min对3个试块采集温度数据1次。随着加热灯持续加热，当3个试块的温度都达到60 ℃时，再同时对保水试块和普通试块洒水，2个试块的温度慢慢降低，当试块表面的水分蒸发完后，试块的温度又会慢慢回升到60 ℃左右。为验证试验的正确性，本次试验设对比试块(不洒水)。2次试验第1次试验洒水50 mL，第2次试验洒水100 mL，2次试验得到的温度曲线见图4。

图4 不同洒水量的温度曲线

由图4(a)可知，在升温阶段，普通试块的温度先达到60 ℃。普通试块从27.5 ℃加热到60 ℃，需耗时90 min。而保水试块加热到从27.3 ℃加热到60 ℃，用时171 min。由图4(b)也可以得出，普通试块的温度先达到60 ℃，这是由于普通试块表面呈黑色，其吸热系数大，反射率小，在加热灯照射下，试块吸收热量多，升温快，而保水试块灌入保水砂浆后，其表面呈浅色，反射率大，温度上升慢，即α1>α2。

在洒水降温阶段，当保水试块温度达到60 ℃时，同时对保水试块和普通试块洒水。由图4(b)降温曲线可知，保水试块和普通试块的温度都开始下降，但普通试块能快速降到55.7 ℃，用时11 min，而保水试块的温度则缓慢下降，最终温度降到52.9 ℃，温度降幅为7 ℃左右，用时32 min。原因是在洒水之后，水分不能进入试块内部，在普通试块表面的高温和加热灯的双重照射作用下，短时间内水分快速蒸发。而保水试块里面灌有保水砂浆，保水砂浆由多孔隙吸水材料组成。在洒水之后，保水试块内部的空隙和吸水材料吸水，水分进入试块内部后，大部分水分被存储在吸水材料的微孔内，使水分在短时间内不容易快速蒸发。经过加热灯的长时间照射，保水试块内部的水分才缓慢蒸发，使得保水试块的温度在55 ℃以下持续的时间久。

洒水后的升温阶段，随着水分的逐步蒸发完毕，普通试块和保水试块的温度又将重新回到60 ℃。2次洒水试验，对钢箱与试块之间的接触温度没有影响，接触温度只有微小变化，可以忽略不计。原因在于钢箱内部是一个封闭环境，与外界没有热交换。因此，钢箱内部温度恒定不变，内部温度与接触面温度一致，所以接触温度一直保持不变。