用于中面层的乳化沥青就地冷再生路面结构温度场研究

2023-12-29王伟伟张武兴

交通科技 2023年6期

王伟伟张武兴马辉

(1.江苏连徐高速公路有限公司徐州 221000; 2.江苏高速公路工程养护技术有限公司南京 211189)

目前,我国高速公路沥青路面的老龄化问题严重,较长的服役时间易导致路面中面层出现高温稳定性不足,常采用铣刨加铺和乳化沥青就地冷再生对上、中面层处治。乳化沥青就地冷再生处治将原路面的上、中面层同步再生为一层10 cm的再生层,铣刨加铺工艺则是将原路面上、中面层铣刨重铺。对上、中面层进行处治后,2种养护技术均再加铺4 cm的罩面层作为新路面结构的上面层。乳化沥青冷再生技术作为一种不经加热而回收再生沥青路面的一种技术,在常温下拌和摊铺,具有节能、环保、经济、工艺简单等明显的优势[1]。根据测算,相比于铣刨重铺原路面上、中面层后加铺罩面层的方案,乳化沥青就地冷再生技术可节约30%的资金投入,降低约70%的碳排放,具有显著的经济和环保优势。

西方发达国家在20世纪80年代后开始致力于发展冷再生技术。我国冷再生技术虽然起步晚,但在应用领域高速发展。2019-2021年,江苏省G15汾灌高速首次在重载交通高速公路中面层使用乳化沥青就地冷再生技术,突破了以往冷再生工艺仅应用于沥青路面下面层或基层的限制,进一步拓展了乳化沥青就地冷再生技术的应用范围[2]。

目前对乳化沥青就地冷再生混合料的研究多集中于混合料设计方法、长期性能评测,以及全寿命成本分析上,缺少对应用于高速公路重载交通中面层的乳化沥青就地冷再生路面结构温度场和力学响应的分析[3-4]。鉴于其具有空隙率较高,旧料含量达100%及掺加水泥的特点,乳化沥青就地冷再生混合料性能与热拌沥青混合料具有较大差异[5]。为明确不同混合料性能导致的路面结构性能差异,本研究对用于中面层的乳化沥青就地冷再生路面结构和铣刨加铺路面结构的温度场分布进行分析计算。

1 模型建立

路面结构的热量迁移形式为热辐射、热对流和热传导。路表与环境通常发生热辐射和热对流,包括太阳辐射、路表反射、空气对流换热等,而路面结构内部仅在竖直方向上发生热传导,较深处土基温度变化较小,可以视为恒温边界。基于传热理论,建立路面结构温度场模型。

结构参数:路面各结构层长宽均为3.75 m,各结构层厚度见表1。

表1 模型层结构

材料参数:各结构层材料热力学参数见表2。

表2 材料热力学参数

环境条件:考虑江苏省内地理位置差异对路面结构温度场的影响,分别调用江苏地区高温和低温季节1个月内的真实环境气象数据。设置土基厚度为9.3 m,恒温层温度为18 ℃[6]。

求解条件:求解时间范围为0～719 h,步长0.5 h,计算719 h(30 d)内的温度变化。

2 高温季节路面结构温度场分析

监测江苏地区高温季节冷再生与原始路面结构温度场变化规律数据见图1,统计典型时段2种结构各结构层平均温度见表3。

表3 典型时段2种结构各结构层平均温度

由图1可见,江苏地区高温季节路面结构温度随时间呈周期性变化,其中罩面层温度变化范围为28～58 ℃,上面层温度变化范围为29～53 ℃,中面层温度变化范围为31～46 ℃,下面层温度变化范围为32～41 ℃。温度波动随深度加深呈现滞后性。选择平均温度较高且温度波动趋势稳定的第143～第216 h(第7～9 d)作为分析的代表时段,观察高温季节路面结构温度场。图1表明,罩面层范围内冷再生结构较铣刨加铺结构温度波动幅度更大,最高温和最低温时段温度梯度更小。上面层范围内温度场分布规律与罩面层相似,冷再生结构温度波动幅度更大,高温越高、低温越低,但温差较罩面层更小。中面层范围内,深度至11 cm时,冷再生结构的高温温度已小于铣刨加铺结构,至冷再生层底,冷再生结构的最高温比铣刨重铺小约2～3 ℃。下面层范围内,冷再生结构相较铣刨加铺结构温度波动幅度更小,高温越低而低温越高。

为研究极端状况下2种路面结构的温度场分布差异,选取每日路面面层结构平均温度最高时间点(最不利温度时间)的温度场分析,见图2。如图2所示,罩面层范围内,冷再生结构平均温度比铣刨加铺结构高,且越靠近罩面层底部,2种结构的温度差异越大,罩面层底部2种结构温度相差4.14 ℃,说明冷再生层热扩散系数小造成的热量堆积在罩面层底部表现较为明显。

图2 最不利温度情况下路面各深度温度分布

由图2还可见,冷再生层范围内,最不利温度随深度增加而降低,在上半部5 cm冷再生结构的温度高于铣刨重铺结构,下半部5 cm则相反。下面层范围内,冷再生结构较铣刨重铺结构温度最不利温度更低,且越靠近下面层底部,2种结构的温度差异越小。

结果表明,乳化沥青就地冷再生路面结构对罩面材料的高温性能更严格,但降低了下面层的温度,起到了保护原下面层材料的作用。冷再生结构层范围内,尽管与铣刨加铺结构相比高温更低,低温更高,但平均温度接近。

3 低温季节路面结构温度场分析

监测江苏地区低温季节冷再生与原始路面结构温度场变化规律数据见图3,统计典型时段2种结构各结构层平均温度见表4。

图3 江苏地区低温季节冷再生与原始路面结构温度场变化规律

表4 典型时段2种结构各结构层平均温度

由图3可见,低温季节路面结构温度随时间也呈周期性变化,其中罩面层温度变化范围为-3.5～3 ℃,上面层温度变化范围为-3～2 ℃,中面层温度变化范围为-2～1.5 ℃,下面层温度变化范围为-1～1.5 ℃。选择平均温度较低且温度波动趋势稳定的第360～第433 h(第15～第18天)作为分析的代表时段,观察低温季节路面结构温度场。图3表明,罩面层范围内冷再生结构较铣刨加铺结构温度波动幅度更大,最高温和最低温时段温度梯度更小。上面层范围内,冷再生结构相较铣刨加铺结构温度波动幅度更大,高温越高、低温越低。中面层范围内,冷再生结构温度在任何时刻均高于铣刨加铺结构。下面层范围内,冷再生结构较铣刨加铺结构温度波动幅度更小,各深度范围内冷再生结构温度均高于铣刨加铺结构。

为研究极端状况下2种路面结构的温度场分布差异,取每日路面面层结构平均温度最低时间点的温度场进行分析,如图4所示。由图4可见,罩面层范围内,冷再生结构平均温度比铣刨加铺结构低0.45 ℃,且越靠近罩面层底部,2种结构的温度差异越大。冷再生层范围内,最不利温度随深度增加而增加,上半部4 cm内冷再生结构的温度低于铣刨重铺结构,下半部6 cm则相反。下面层范围内,冷再生结构较铣刨重铺结构温度最不利温度更高,且越靠近下面层底部,2种结构的温度差异越小。