張亮亮,鄧南忠,曾澤潤(rùn)，何建宏

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)安全與防災(zāi)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 400045;3.重慶萬(wàn)利萬(wàn)達(dá)高速公路有限公司，重慶 400045)

隨著我國(guó)橋梁向超大跨度方向發(fā)展，鋼箱梁以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在橋梁建設(shè)中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛[1]。鋼箱梁與其他材料相比，具有韌性、延性、抗震性能好，抗壓強(qiáng)度高，抗剪能力強(qiáng)的特點(diǎn)。由于自重輕、跨越能力強(qiáng)，鋼材用量大，其材質(zhì)加工性能好[2]。瀝青混凝土路面具有表面平整、無(wú)接縫、行車(chē)舒適、振動(dòng)小、噪聲低、施工期短、養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此世界各國(guó)的鋼橋面鋪裝層均采用瀝青混凝土體系。但是，大部分鋼箱梁是一個(gè)封閉斷面，太陽(yáng)輻射使得鋼箱梁里面的溫度很高，且持續(xù)時(shí)間久，影響鋪裝層的性能。研究表明[4]，夏季鋼箱梁上面的瀝青混凝土溫度可達(dá) 60 ℃ 左右，在高溫條件下瀝青混凝土更容易產(chǎn)生車(chē)轍破壞。早期的鋼箱梁鋪裝層破壞，一般由2種原因造成：①由于在夏季高使瀝青混凝土達(dá)不到其設(shè)計(jì)的承載力能力，在行車(chē)荷載作用下出現(xiàn)車(chē)轍;②高溫使鋼箱梁頂部與瀝青凝土之間的黏結(jié)力降低，抗剪能力變?nèi)酰谛熊?chē)荷載作用下，鋼箱梁與鋪裝層之間容易發(fā)生推移和脫空[5-8]。

由文獻(xiàn)[9-11]可知，不改變?yōu)r青材料鋼橋面板鋪裝的降溫方法有：①人工灑水；②在鋪裝層表面涂布遮熱涂料，反射太陽(yáng)光；③在鋪裝層表面撒布淺色耐磨碎石。改變?yōu)r青材料降低鋼箱梁鋪裝層溫度的方法有：①瀝青材料中加保水劑；②改變?yōu)r青骨料，用鋁礬土代替玄武巖；③采用多空隙集料代替部分普通集料；④采用排水性瀝青。

針對(duì)降低鋪裝層溫度的方法，國(guó)外開(kāi)展了許多研究。德國(guó)G?BEL等[12]優(yōu)化設(shè)計(jì)了幾種保水路面，從而影響鋪裝層的熱學(xué)特性。美國(guó)Li等[13-14]通過(guò)在鋪裝層表面涂白水泥，增大反射率。法國(guó)HENDEL等[15-16]對(duì)鋪裝層灑水并進(jìn)行溫度實(shí)測(cè)，在陽(yáng)光暴曬下溫度可以降低13 ℃。KINOSHITA等[17]從評(píng)估材料的保水性能和測(cè)量材料的蒸發(fā)率著手研究降低鋪裝層溫度。NAKAYAMA等[18]、ANUSH等[19]在保水材料方面做了大量研究。

國(guó)內(nèi)在鋼橋面鋪裝層降溫方面也開(kāi)展了相關(guān)研究。徐文城等[20]進(jìn)行了鋼橋面鋪裝及鋼箱梁斷面溫度監(jiān)測(cè)與分析的研究，對(duì)鋪裝層和鋼箱梁的溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，得出在15:00左右鋪裝層的最高溫度達(dá)61.41 ℃，并提出了2種方式降低鋪裝層溫度：自然降雨和人工灑水。王艷良[21]和梁滿(mǎn)杰[22]提出了在鋪裝層表面涂布遮熱涂料和在鋪裝層表面撒布淺色耐磨碎石以及采用多孔隙集料替代部分普通集料進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)的方法，從而降低鋪裝層的溫度。

結(jié)合以上幾種降低瀝青鋪裝層溫度的思路，在瀝青鋪裝層表面灌入淺色的保水砂漿，既可以降低鋪裝層的吸熱量，又可以?xún)?chǔ)蓄水分而延長(zhǎng)蒸發(fā)降溫的時(shí)間。本文共設(shè)計(jì)制作了3個(gè)300 mm×300 mm×50 mm的瀝青混凝土車(chē)轍試驗(yàn)的試塊，其中在1個(gè)試塊表面灌入了保水砂漿，通過(guò)模型試驗(yàn)研究了普通橋面鋪裝、帶保水砂漿的橋面鋪裝在不同灑水量下的降溫效果。

1 試塊制作

1.1 保水瀝青試塊制作

試驗(yàn)所使用的瀝青為SBS改性瀝青，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1。試塊所使用的瀝青用量和集料級(jí)配是影響母體瀝青混凝土孔隙率大小的關(guān)鍵因素。為了減小瀝青用量對(duì)孔隙率的影響，瀝青用量可以先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算瀝青用量范圍，即用集料的總表面積與瀝青膜厚的乘積估算瀝青用量，確定其范圍為3.0%～4.5%，之后通過(guò)析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)進(jìn)行校核，最終得到最佳瀝青用量。同時(shí)母體瀝青混凝土的密度應(yīng)該大于1.9 g/cm3，其孔隙率在22%左右。

表1 改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

1.2 集料的選用

瀝青混合料由集料、瀝青、礦粉等原料混合而成,這些構(gòu)成原料的物理力學(xué)特性將直接影響到瀝青混凝土成型后的各種使用性能。集料又由粗集料、細(xì)集料、填料組成，對(duì)于母體瀝青混凝土集料，粗集料較多，而細(xì)集料較少。由于混合料級(jí)配不同，則混合料形成的結(jié)構(gòu)也不同，本試驗(yàn)使用的母體瀝青混合料屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)，在形成骨架的同時(shí)能供給足夠大的空隙使得保水砂漿充分灌入，形成的路面結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的膠結(jié)能力。一個(gè)良好的混合料級(jí)配，可以形成一個(gè)好的骨架，所以混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)是整個(gè)母體瀝青混凝土制作的關(guān)鍵。另外，集料級(jí)配設(shè)計(jì)需要進(jìn)行上限和下限的級(jí)配試驗(yàn)和實(shí)測(cè)空隙率。對(duì)母體瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和參考國(guó)外推薦的級(jí)配，總結(jié)出適合我國(guó)實(shí)際情況的母體瀝青混合料級(jí)配范圍，其推薦的母體瀝青混合料級(jí)配范圍見(jiàn)表2。

表2 母體瀝青混合料級(jí)配范圍

根據(jù)體積法的思想，細(xì)集料體積、瀝青體積、礦粉體積及瀝青混合料最終設(shè)計(jì)空隙體積之和等于主骨架空隙體積。表達(dá)式為

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：qc為粗集料重量百分?jǐn)?shù)；qf為細(xì)集料重量百分?jǐn)?shù)；qp為礦粉重量百分?jǐn)?shù)；Vvc為粗集料裝填空隙率百分?jǐn)?shù)；Vvs為瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率百分?jǐn)?shù)；ρsc為粗集料的緊裝密度；ρtf為細(xì)集料的表觀密度；ρtp為礦粉的表觀密度；ρa(bǔ)為瀝青密度。

將式(1)、式(2)聯(lián)立求解，即可得瀝青混凝土集料用量，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 通過(guò)體積法確定母體混合料級(jí)配

注： 瀝青用量4%，母體試塊孔隙率22%。

1.3 保水砂漿制作

保水原材料主要是利用自身的空隙進(jìn)行吸水和保水，一般具有空隙多的材料都可以作為保水材料，如礦渣、吸水樹(shù)脂、硅藻土等。本試驗(yàn)所用的保水砂漿主要是由普通硅鹽水泥、礦粉、水、細(xì)砂、保水劑等組成，其中保水劑由硅藻土和礦渣粉按一定比例組成。對(duì)于保水砂漿的設(shè)計(jì)，首先通過(guò)大量砂漿配合比進(jìn)行初試，再考察砂漿的流動(dòng)性、吸水性、保水率等指標(biāo)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，得到符合要求的配合比之后，再進(jìn)行配合比優(yōu)化。本試驗(yàn)的保水砂漿配合比采用文獻(xiàn)[9]的配合比，其配合比為水泥∶水∶細(xì)砂∶礦粉∶礦渣粉∶硅藻土=41.5∶68.5∶20∶10∶4∶2。

1.4 保水瀝青試塊成型

母體瀝青混凝土試塊在車(chē)轍板試模成型，試模尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。當(dāng)母體瀝青試塊冷卻到一定溫度后，對(duì)母體試塊進(jìn)行灌漿。把母體瀝青試塊放在混凝土振動(dòng)成型機(jī)上，一邊振動(dòng)一邊灌入保水砂漿，直到不能灌注為止。振動(dòng)滲透完畢之后，用橡膠板刮去多余的漿液得到保水試塊，試塊成型流程見(jiàn)圖1。將灌注好保水砂漿的試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，到達(dá)齡期后，脫模得到保水試塊，見(jiàn)圖2。

圖1 試塊成型流程

圖2 保水試塊成型

2 試驗(yàn)裝置

圖3 試驗(yàn)裝置

本文擬采用的試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。在絕熱鋼箱里面加入熱水模擬鋼箱梁內(nèi)部的環(huán)境溫度，并在鋼水箱外面包裹保溫棉，減少鋼箱梁與外界環(huán)境之間的熱交換。鋼箱尺寸為800 mm×800 mm×300 mm。在絕熱箱上面的隔熱材料開(kāi)3個(gè)300 mm×300 mm的口，用于放置試塊。另外，在鋼箱上面開(kāi)1個(gè)直徑為80 mm的進(jìn)水口，并在其側(cè)面開(kāi)1個(gè)排水口。把溫度電極分別埋入3個(gè)試塊和鋼箱與試塊的接觸面上，并用橡皮泥封口。當(dāng)恒溫水浴箱把水加熱到試驗(yàn)溫度時(shí)，再用水泵把熱水抽到絕熱水箱里，并用隔熱材料把進(jìn)水口封住，一切準(zhǔn)備就緒后，打開(kāi)加熱燈，此時(shí)溫度采集儀同步開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)試塊溫度加熱到60 ℃左右時(shí)，用噴水壺灑水，當(dāng)溫度又重新回到60 ℃左右時(shí)，試驗(yàn)完成。在試驗(yàn)中，應(yīng)該控制加熱燈到試塊的距離，距離太近或太遠(yuǎn)都不利于模擬夏季太陽(yáng)輻射到鋪裝層的實(shí)際溫度。因此，本試驗(yàn)加熱燈到試塊表面的距離設(shè)置為120 cm。

3 水分蒸發(fā)量的計(jì)算公式

對(duì)試塊灑水之后，在碘鎢燈照射下，試塊表面的水分開(kāi)始蒸發(fā)并帶走熱量，降低了試塊的溫度。建立水分蒸發(fā)模型，通過(guò)水分蒸發(fā)公式，計(jì)算出蒸發(fā)量。影響水分蒸發(fā)的因素有風(fēng)速、水汽壓差、相對(duì)濕度、日照強(qiáng)度等[23]。本試驗(yàn)不考慮以上因素的影響，只通過(guò)水分蒸發(fā)量，比較普通試塊和保水試塊水分蒸發(fā)量的大小，得出這2個(gè)試塊溫度的降低程度。水分蒸發(fā)量計(jì)算式為[24]

(3)

式中：E0為水分蒸發(fā)量；H0為蒸發(fā)量單位的輻射平衡；Δ為飽和水氣壓-溫度曲線(xiàn)斜率；γ為干燥表常數(shù)；Ea為干燥力參數(shù)。

H0=(1-α)Q-Bl

(4)

式中：α為反射率；Q為日照總輻射；Bl為有效輻射。

把式(3)帶入式(4),可得

(5)

在相同環(huán)境下，假定飽和水氣壓-溫度曲線(xiàn)斜率相同。令E1為保水試塊的蒸發(fā)量，E2為普通試塊的蒸發(fā)量，通過(guò)式(5)比較保水試塊和普通試塊在灑水之后水分蒸發(fā)量大小。其比較過(guò)程為

(6)

由于保水試塊表面呈淺色，普通試塊表面呈黑色，所以α1>α2。因此E1

4 試驗(yàn)過(guò)程與分析

試驗(yàn)分2次進(jìn)行。第1次試驗(yàn)，每個(gè)試塊的灑水量為50 mL，等效為灑水厚度0.556 L /m2；第2次試驗(yàn)，每個(gè)試塊灑水量為100 mL，等效為灑水厚度 1.112 L /m2。本次試驗(yàn)有3個(gè)試塊，保水瀝青混凝土試塊和普通瀝青混凝土試塊均采用灑水措施，另外一個(gè)普通瀝青混凝土試塊在試驗(yàn)過(guò)程中不灑水，用作對(duì)比試塊。

在每個(gè)試塊中央用電鉆打2 cm深的孔，并放入溫度電極，與溫度采集儀相連。打開(kāi)加熱燈，開(kāi)始對(duì)3個(gè)試塊加熱，同時(shí)開(kāi)啟溫度采集儀，每隔1 min對(duì)3個(gè)試塊采集溫度數(shù)據(jù)1次。隨著加熱燈持續(xù)加熱，當(dāng)3個(gè)試塊的溫度都達(dá)到60 ℃時(shí)，再同時(shí)對(duì)保水試塊和普通試塊灑水，2個(gè)試塊的溫度慢慢降低，當(dāng)試塊表面的水分蒸發(fā)完后，試塊的溫度又會(huì)慢慢回升到60 ℃左右。為驗(yàn)證試驗(yàn)的正確性，本次試驗(yàn)設(shè)對(duì)比試塊(不灑水)。2次試驗(yàn)第1次試驗(yàn)灑水50 mL，第2次試驗(yàn)灑水100 mL，2次試驗(yàn)得到的溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 不同灑水量的溫度曲線(xiàn)

由圖4(a)可知，在升溫階段，普通試塊的溫度先達(dá)到60 ℃。普通試塊從27.5 ℃加熱到60 ℃，需耗時(shí)90 min。而保水試塊加熱到從27.3 ℃加熱到60 ℃，用時(shí)171 min。由圖4(b)也可以得出，普通試塊的溫度先達(dá)到60 ℃，這是由于普通試塊表面呈黑色，其吸熱系數(shù)大，反射率小，在加熱燈照射下，試塊吸收熱量多，升溫快，而保水試塊灌入保水砂漿后，其表面呈淺色，反射率大，溫度上升慢，即α1>α2。

在灑水降溫階段，當(dāng)保水試塊溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，同時(shí)對(duì)保水試塊和普通試塊灑水。由圖4(b)降溫曲線(xiàn)可知，保水試塊和普通試塊的溫度都開(kāi)始下降，但普通試塊能快速降到55.7 ℃，用時(shí)11 min，而保水試塊的溫度則緩慢下降，最終溫度降到52.9 ℃，溫度降幅為7 ℃左右，用時(shí)32 min。原因是在灑水之后，水分不能進(jìn)入試塊內(nèi)部，在普通試塊表面的高溫和加熱燈的雙重照射作用下，短時(shí)間內(nèi)水分快速蒸發(fā)。而保水試塊里面灌有保水砂漿，保水砂漿由多孔隙吸水材料組成。在灑水之后，保水試塊內(nèi)部的空隙和吸水材料吸水，水分進(jìn)入試塊內(nèi)部后，大部分水分被存儲(chǔ)在吸水材料的微孔內(nèi)，使水分在短時(shí)間內(nèi)不容易快速蒸發(fā)。經(jīng)過(guò)加熱燈的長(zhǎng)時(shí)間照射，保水試塊內(nèi)部的水分才緩慢蒸發(fā)，使得保水試塊的溫度在55 ℃以下持續(xù)的時(shí)間久。

灑水后的升溫階段，隨著水分的逐步蒸發(fā)完畢，普通試塊和保水試塊的溫度又將重新回到60 ℃。2次灑水試驗(yàn)，對(duì)鋼箱與試塊之間的接觸溫度沒(méi)有影響，接觸溫度只有微小變化，可以忽略不計(jì)。原因在于鋼箱內(nèi)部是一個(gè)封閉環(huán)境，與外界沒(méi)有熱交換。因此，鋼箱內(nèi)部溫度恒定不變，內(nèi)部溫度與接觸面溫度一致，所以接觸溫度一直保持不變。

5 結(jié)論

1)灌入保水砂漿的瀝青混凝土比普通瀝青混凝土鋪裝層的降溫效果要好。

2)在灑水條件下，可以有效降低鋼橋面鋪裝層的溫度。使用保水瀝青混凝土鋪裝層，在灑水條件下，鋪裝層溫度可以降到53 ℃左右，減小車(chē)轍破壞。

3)灑水量對(duì)保水試塊的降溫幅度不大，其影響幅度為6.15%，而對(duì)普通試塊的降溫幅度有明顯影響，其影響幅度為34.69%。

4)現(xiàn)有的鋼橋面鋪裝層在夏季高溫作用下，鋪裝層處于不利受力狀態(tài)。要解決此類(lèi)問(wèn)題，必須研發(fā)新的降溫材料和新的鋪裝層結(jié)構(gòu)。

5)通過(guò)試驗(yàn)表明，鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層灌入保水砂漿和灑水的方法，鋪裝層溫度的可以降低到55 ℃以下。因此，在夏季通過(guò)對(duì)灌有保水砂漿的鋪裝層灑水養(yǎng)護(hù)，可以降低鋪裝層溫度，減少鋪裝層的蠕變變形和車(chē)轍破壞，提高經(jīng)濟(jì)效益。