一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构及施工方法 |
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| 申请号 | CN202410048385.2 | 申请日 | 2024-01-12 | 公开(公告)号 | CN117604844A | 公开(公告)日 | 2024-02-27 |
| 申请人 | 内蒙古大学; | 发明人 | 王继伟; 徐湘田; 刘宇航; 王永涛; 赵敬德; 刘伟; 范彩霞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了本 申请 提供一种调控 太阳 辐射 能量 的防融沉冻土路基结构及施工方法；旨在冻土区 沥青 道路表面和路基边坡复合结构上分别 喷涂 不同反射率的热反射涂层材料，以期提高冻土路基热 力 稳定性 ，减少冻土路基不均匀沉降和相关融沉病害。工艺包括：在沥青 混凝土 路面表面喷涂 近红外 热反射涂层材料，路面保持深色，减少黑色沥青路面对太阳辐射的强吸收效应，减少浅色涂层对驾驶员的视线不适感；铺设可供涂层附着的 水 泥毯，简化施工流程；路基边坡喷涂反射率不同且 颜色 趋近自然环境的涂料，解决冻土路基边坡阴阳坡效应；提出一套适用于不同 气候 环境和地理区域的冻土路基太阳辐射吸收的热反射涂层组合方案，以提高冻土路基的热力稳定性，保护 多年冻土 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构，其特征在于：该调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构包括：冻土路基(3)、铺设在所述冻土路基(3)顶部的路面层以及铺设在所述冻土路基(3)两侧的边坡层。 |
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| 说明书全文 | 一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构及施工方法技术领域[0001] 本发明涉及公路建设领域，特别涉及一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构及施工方法。 背景技术[0003] 高等级公路整体式路基宽度一般大于20米，其对道路路面平整度、路基整体稳定性的要求比其他等级公路更高，且具有“宽、厚、黑”的结构特点，以及强烈的吸热、聚热、储热效应。与浅色的水泥混凝土路面相比，深色沥青路面吸热将成倍增加，具有明显的“热毯效应”。此外，冻土路基边坡填筑材料的太阳光反射率普遍较低，南北朝向边坡太阳辐射吸收量差异巨大，这些现象均会导致路基表面材料吸收的太阳辐射能量通过沥青路面和边坡向路基内部汇聚，而且这些能量难以散去，冻融循环作用更加强烈，冻土路基及其下部冻土退化速率和范围逐渐增加，冻土路基的热力稳定性降低，由于路基融沉产生的冻土路基路面沉陷、开裂、不均匀沉降等病害显著。 [0004] 现有防治冻土路基融沉病害的措施和路基结构较多，但是均存在一些问题和不足。详述如下： [0005] (1)块碎石路基、管道通风路基、重力式热管路基、保温板路基等一系列主动冷却路基结构和地温调控措施可以有效减少冻土路基的融沉病害问题，但是这些措施的工作原理基本上是将路基吸收的热量排出或者减缓热量向路基内部的输送，并没有从源头上减少路基对太阳辐射的吸收量和进入冻土路基内部的热量，而且以上措施的施工方法均较为复杂且成本较高。 [0006] (2)现有文献和专利中提及了在多年冻土区利用热反射涂层材料提升道路表面反射率，从而减少多年冻土区道路的融沉病害(申请号202110044561.1、申请号202110007555.9)，但是这些措施并没有考虑冻土路基边坡吸热造成的路基融沉问题和不均匀沉降问题。此外，热反射涂层材料在路基边坡上应用也存在技术问题，有专利提出将涂层喷涂在块碎石护坡上，这样的块碎石护坡在实际施工过程中比较复杂，所需要的材料也较多，因此，本专利提出了一种“涂层+水泥绵+路基边坡”的复合结构形式，降低施工难度，节约施工材料，减少施工成本。 [0007] (3)调控冻土路基太阳辐射能量的方法还有类似于遮阳板和遮阳棚这样的工程措施，遮阳棚是指在冻土路基正上方搭建一个用于遮挡太阳辐射的棚子，减少太阳光对冻土路基的直接照射，进而减少冻土路基对太阳辐射的吸收；遮阳板与遮阳棚路基相似，是在平行于路基边坡上方一定位置处安装遮阳用的板材。这类结构虽然能够显示降低太阳辐射量，但是在实际工程中应用较少，因为具有以下几点不足：(a)施工不易，(b)成本高，(c)在大风区应用时存在危险，养护和维修成本较高，(d)不能减少雨水等对冻土路基的影响。 发明内容[0008] 发明的目的在于提供一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构，解决了背景技术中提到的问题。 [0009] 本发明是这样实现的，一种该调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构包括：冻土路基、铺设在所述冻土路基顶部的路面层以及铺设在所述冻土路基两侧的边坡层。 [0010] 本发明的进一步技术方案是：所述路面层包括：设置在所述冻土路基顶部的水泥基材料稳定碎石基层、铺设在所述水泥基材料稳定碎石基层上的沥青混凝土面层以及铺设在所述沥青混凝土面层上的沥青面层顶部深色系热反射涂层。 [0011] 本发明的进一步技术方案是：所述沥青面层顶部深色系热反射涂层包括：设置在底层的加强粘结层以及设置在所述加强粘结层表面的深色系热反射功能层。 [0012] 本发明的进一步技术方案是：所述边坡层包括：铺设在所述冻土路基一侧的朝阳侧路基水泥棉毯、铺设在所述冻土路基另一侧的朝阴侧路基水泥棉毯、铺设在所述朝阳侧路基水泥棉毯上的朝阳侧热反射涂层以及朝阴侧路基水泥棉毯上的朝阴侧热反射涂层，水泥棉毯包括：朝阳侧路基水泥棉毯以及朝阴侧路基水泥棉毯。 [0013] 本发明的进一步技术方案是：所述路朝阳侧路基水泥棉毯和朝阴侧路基水泥棉毯通过固定销钉与所述冻土路基连接。 [0014] 发明的目的在于提供一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构的施工方法：该施工方法包括以下步骤： [0015] A：冻土路基主体施工； [0016] B:水泥基材料稳定碎石基层： [0017] C:冻土路基的边坡层施工； [0018] D:在冻土路基边坡铺设朝阳侧路基水泥棉毯和朝阴侧路基水泥棉毯； [0019] E:安装固定销钉； [0020] F:气钉枪打钉连接固定； [0021] G:铺设沥青混凝土面层； [0022] H:洒水养护； [0023] I:在冻土路基边坡喷涂朝阳侧热反射涂层和朝阴侧热反射涂层； [0024] J:对朝阳侧热反射涂层和朝阴侧热反射涂层进行二次校核； [0025] K:清理后在沥青混凝土面层上喷涂加强粘结涂层与深色系热反射功能层； [0026] L:对加强粘结涂层与深色系热反射功能层进行二次校核。 [0027] 本发明的有益效果：本技术在冻土路基表面上应用了水泥棉毯，并给出了具体的施工方案，解决了热反射涂层不能直接喷涂在土质边坡表面的难题，具体工艺对现场施工有实际指导作用；本发明提出了一套在结构上同时喷涂热反射涂层，并调节路基吸收太阳辐射能量的方案，解决了目前路用热反射技术只能调控路面温度，不能调控路基整体温度的难题；本专利提出的路基结构和施工方案简单可行，成本低，安全度高，解决了现有冻土路基冷却措施施工复杂困难，成本较高的难题。同时，该路基结构对宽幅路基的降温效果较其他冷却路基结构形式更有优势，因为其他冷却措施在宽幅路基中心处的降温较为困难，结构也复杂，部分措施还存在局部降温差异性大，冻土路基温度场分布不均匀等问题。附图说明 [0028] 图1是本发明提供的一种发明的目的在于提供一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构的整体结构示意图； [0029] 图2是本发明提供的一种发明的目的在于提供一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构的边坡结构示意图； [0030] 图3是本发明提供的一种发明的目的在于提供一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构的深色系热反射涂层的结构示意图。 具体实施方式[0031] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 [0032] 需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。 [0033] 实施例一：图1示出了一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构；该结构包括：冻土路基3、铺设在所述冻土路基3顶部的路面层以及铺设在所述冻土路基3两侧的边坡层；所述路面层包括：设置在所述冻土路基3顶部的水泥基材料稳定碎石基层2、铺设在所述水泥基材料稳定碎石基层2上的沥青混凝土面层1以及铺设在所述沥青混凝土面层1上的沥青面层顶部深色系热反射涂层6；所述沥青面层顶部深色系热反射涂层6包括：设置在底层的加强粘结层62以及设置在所述加强粘结层62表面的深色系热反射功能层61；所述边坡层包括：铺设在所述冻土路基3两侧的朝阳侧路基水泥棉毯4和朝阴侧路基水泥棉毯5以及铺设在所述朝阳侧路基水泥棉毯4和朝阴侧路基水泥棉毯5上的朝阳侧热反射涂层7和朝阴侧路基水泥棉毯5上的朝阴侧热反射涂层8；所述朝阳侧路基水泥棉毯4和朝阴侧路基水泥棉毯5通过固定销钉9与所述冻土路基3连接。 [0034] 根据公路所处气候环境和地理区域不同，制备不同材料组成的热反射涂层材料以及热反射功能涂层61以满足当地的公路路用性能、耐久性能以及涂层材料反射率需求。 [0035] 根据路基所处区域特点以及走向、坡度、宽度、高度等不同，计算沥青路面和水泥棉毯表面太阳辐射接收量。 [0036] 制备朝阳侧热反射涂层7、朝阴侧热反射涂层8以及热反射功能涂层61的配比以调节反射率。 [0037] 根据冻土路基病害情况、降温性能提升需求等，调节沥青混凝土面层和水泥棉毯表面太阳辐射吸收量相等。太阳辐射吸收量＝太阳辐射接收量×(1‑热反射涂层反射率)。 [0038] 调控冻土路基太阳辐射吸收量平衡的热反射涂层反射率调控组合方案： [0039] 高海拔多年冻土区东西走向的冻土路基边坡分别朝向阳和朝阴，因此路基左右两侧太阳辐射接收量相差巨大，是本专利重点调控的对象。本专利以东西和南北走向的两种冻土路基走向为例，给出了热反射涂层反射率设置组合方案，东西走向路基默认左侧边坡朝向阴、右侧边坡朝向阳，南北走向路基默认左侧边坡朝向东方、右侧边坡朝向西方。 [0040] 计算参数说明，路基边坡坡度一般为1:1.5，约33.7°，路基宽度取26m以100km/h，双向四车道为例，路基高度参考高海拔多年冻土区路基高度平均值和众数取2.5m，纬度取青藏高原多年冻土区典型纬度N 30°、N35°、N40°，大气透明度根据不同区域气候环境特点和海拔等分别取典型值0.5、0.55、0.6。 [0041] 东西走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案： [0042] [0043] [0044] 南北走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案： [0045] [0046] [0047] 涂层制备方案： [0048] 为了满足冻土区热反射涂层的降温性能、路用性能和耐久性能，本专利提供了热反射涂层材料组成和配比方案范围，因为涂层反射率数值与配比相关，而反射率需要根据气候环境与工程特性按照东西走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案和南北走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案进行确定，故本专利不提供各种热反射涂层的组合方案一一对应的配比方案，以试验结果为例，提供热反射涂层制备方案示例1份。 [0050] 粘结层制备原料配比： [0051] [0052] 面层制备原料配比 [0053] [0054] 边坡制备原料配比水性水：基料树脂：颜填料＝100：100：75 [0055] [0056] 实施例二：示出了一种调控太阳辐射能量的防融沉冻土路基结构的施工方法：具体包括以下步骤： [0057] 冻土路基施工：根据《多年冻土地区公路设计与施工技术细则》、《季节性冻土地区公路设计与施工技术规范》对冻土路基开展正常施工工作，工艺工序符合规范要求。 [0058] 冻土路基施工完成后，开展碎石基层的施工。 [0059] 碎石基层施工完成后，对冻土路基边坡进行整修，符合相关规范要求。 [0060] 在路基左右边坡两侧利用机械配合人工铺设水泥棉毯，水泥棉毯要与路基结构贴合良好，不存在空洞区和较大裂缝区域。 [0061] 水泥棉毯要在碎石基层施工完成前放置在碎石基层顶部，利用压路机将水泥棉毯压入碎石基层顶部，水泥棉毯与碎石基层交接长度不少于30cm。 [0062] 分别在冻土路基边坡的坡脚、边坡的中心、碎石基层处安装水泥棉毯的固定销钉，保证水泥棉毯在路基结构中的稳定性。 [0063] 沿道路行进方向，水泥棉毯之间通过气钉枪每隔20‑40cm进行连接固定。 [0064] 待水泥棉毯施工完毕后，继续铺筑沥青混凝土面层，并根据规范做好路肩的施工工作。 [0065] 待路基整体施工完毕后，先不要通车。在晴朗天气下，温度在5‑25℃施工事宜低于该温度需要保温处理，高于该温度需要覆膜养护保水，利用洒水车对水泥棉毯进行洒水养护，让水泥棉毯发生水化反应，由柔软可塑状态变为形状固定的坚硬状态，养护时间不少于3天，养护完毕前禁止踩踏。 [0066] 待水泥棉毯完全硬化完毕后，一般24h，在水泥棉毯表面利用专用涂料施工设备喷涂右、左侧热反射涂层。喷涂热反射涂层前需要对热反射涂层配合比、反射率等进行试验，待性能和参数满足要求后，方可开展作业。喷涂过程中对热反射涂层喷涂层厚度和用量进行严格控制。 [0067] 待热反射涂层完全固化后，一般6‑12h，利用专用设备对热反射涂层的反射率进行二次校核，若不满足性能要求，需要进行现场补喷。 [0068] 对沥青混凝土面层表面进行清扫和灰尘处理，满足涂层涂覆要求后，喷涂加强粘结涂层62，在该涂层未完全固化前，喷涂热反射功能涂层61。 [0069] 待热反射涂层完全固化后，一般6‑12h，利用专用设备对热反射涂层的反射率进行二次校核，若不满足性能要求，需要进行现场补喷。 [0070] 关键技术点说明： [0071] 边坡参数取值说明，其中w为路基宽度，h为路基高度，i为路基坡度，l为边坡坡长。本专利对路基相关要素有推荐的数值范围，路基宽度w应大于等于12m，路基宽度越大，调控效果越显著。路基高度h应大于等于1m，低于该数值效果不明显。路基坡度i为工程中常见坡度1:1.5，坡度小于1:2效果不显著。 [0073] 边坡表面上的固定销钉数量根据边坡坡长l和土壤特性进行确定，建议每隔1m设置一个，粘聚力小的土壤可适当加密。水泥棉毯的固定销钉沿道路行进方向按照1m至2m一个设置。 [0074] 沿道路行进方向，水泥棉毯或水泥棉毯之间通过气钉枪每隔20‑40cm进行连接固定。 [0075] 朝阳侧路基水泥棉毯4和朝阴侧路基水泥棉毯5应与水泥基材料稳定碎石土基层同步施工。 [0076] 朝阳侧路基水泥棉毯4和朝阴侧路基水泥棉毯5应由纤维网布与水泥基材料组成，厚度一般在2‑15cm，根据实际情况可调节厚度。一般而言，朝阳侧路基水泥棉毯4厚度设置为5cm，朝阴侧路基水泥棉毯5厚度设置为3cm。 [0078] 冻土区天然地表反射率约在0.15‑0.40之间，本专利在计算过程中取平均值0.25，东西走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案、南北走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案中反射率低于或者接近0.25的边坡，可以考虑不设置水泥棉毯和热反射涂层材料，采用原始土质边坡即可满足要求，节约成本。 [0079] 涂层用量根据现场实际工程需求设置，深色系热反射功能层和加强粘结涂层的厚2 度一般在0.5‑1.0mm，推荐涂层用量0.8‑1.2kg/m；7、8热反射涂层厚度一般在0.4‑0.8mm， 2 推荐涂层用量0.6‑1kg/m。 [0081] 本专利最适宜情况说明：冻土区环境，日温差和年温差大，太阳辐射强烈，路基表面反射率低的工况。 [0082] 东西走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案和南北走向冻土路基热反射涂层反射率调控组合方案中的方案适用于大部分冻土区气候环境和地理条件，若涉及到表中没有的工况，可根据施工区具体太阳辐射强度进行计算或者采用差值法进行估算。 |
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