沥青路面低温防开裂无损养护方法

申请号 CN202410080520.1 申请日 2024-01-19 公开(公告)号 CN117894413A 公开(公告)日 2024-04-16
申请人 石家庄铁道大学; 发明人 孙志棋; 李继忠; 李韶华; 任剑莹; 杨绍普; 张志强; 武祥林; 杨志浩;
摘要 本 发明 公开了一种 沥青 路面低温防开裂无损养护方法,属于沥青路面养护技术领域,包括以下步骤:沥青路面加热间距L根据沥青路面的开裂指数CI来确定;加热宽度根据沥青路面的裂缝宽度来确定。本发明利用沥青混合料在中高温条件下较易发生流动 变形 的原理,采用多次且一定长度间距的加热方式消散处低温环境中沥青路面的所累积的 温度 应 力 ,实现沥青路面抵抗低温开裂。本发明通过加热方式来实现沥青路面的无损养护,不会影响路面的外观,省时省力,无需外加材料即可实现沥青路面低温防开裂的目的,极大延长了道路的使用寿命且降低了其养护成本。
权利要求

1.一种沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)加热间距的确定
沥青路面加热间距L的确定根据沥青路面的开裂指数CI进行确定,加热间距L的计算公式如下:
‑1
L=100(CI+1)
式中:L—开裂间距,单位m;CI—为低温开裂指数;
(2)加热宽度的确定
加热宽度Lh与沥青路面的裂缝宽度W满足:Lh≥W,裂缝宽度W的计算公式如下:
W=1000α·ΔT·L
式中:W—裂缝宽度,单位mm;ΔT—环境温度与0℃之间的温度绝对值,单位℃;α—沥青混合料收缩系数,单位/℃。
2.根据权利要求1所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:所述沥青路面的加热方式包括微波加热和热管加热。
3.根据权利要求2所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:选用微波加热沥青路面时,通过两次加热的方式进行养护,两次加热养护开始时间以连续n日的日平均气温达到沥青混合料的临界点温度和转化点温度的首次日期为加热时间点,n为5±2;临界点温度和转化点温度的确定方法如下:
首先,根据待养护路段的沥青混合料进行约束冻断试验,在约束冻断试验中获取温度应累积曲线,分别在曲线的开始端和结束端作切线并将两切线的交点作为温度应力曲线骤变的临界点温度TJ,温度应力在该点之后骤增,以此将该温度点作为第一次加热的时间点;
其次,第二次加热时间点为温度降至转化点温度TT的时间,沥青混合料在转化点温度之后应力积累由收缩起到完全的主导,且此时的沥青混合料由可流动变性向弹脆性特征转变。
4.根据权利要求3所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:所述加热时间点通过气温统计或路表温度测量的方式获得,以连续5日的日平均气温达到临界点温度和转化点温度的首次日期为加热时间点,计算公式如下:
式中: —连续5日的平均气温,单位℃;Tij—第i日的第j时的气温值,单位℃;其中,i为日期,j为时间。
5.根据权利要求3所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:当沥青混合料为改性类沥青混合料时,改性类沥青混合料的临界点温度为‑10℃,第一次加热的时间点采用高于其临界点温度5℃;改性沥青混合料的转化点温度在‑15~‑20℃之间,当沥青路面使用时间为1~2年时,将第二次加热时间点定为‑20℃,当沥青路面使用时间为2年以上时,将第二次加热时间点定为‑15℃。
6.根据权利要求5所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:沥青路面单次微波加热的参数如下:最小加热长度为6cm,裂缝宽度为9‑60mm,根据公式(2)计算得到加热宽度;加热温度控制在0~165℃,加热深度不小于4cm。
7.根据权利要求2所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:采用微波加热的方式对沥青路面进行养护时,将若干个波导管布设在金属罩的顶部、且与沥青路面设有0~4cm的间距,所述波导管的长度方向与沥青路面上行车方向垂直,所述波导管直立于金属罩的顶部,若干个波导管沿沥青路面的宽度方向间隔布设。
8.根据权利要求7所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:所述波导管选用矩形波导管,型号为BJ26,矩形波导管的主模为TE10模,工作功率1kW;所述金属罩顶部相邻波导管的间距分别为3cm~7cm;加热时间为200s。
9.根据权利要求2所述的沥青路面低温防开裂无损养护方法,其特征在于:采用埋设热管加热的方式对沥青路面进行养护时,加热间距为开裂间距的1/2长度,热管埋设参数如下:
热管的直径为3cm、壁厚为2mm,热管内灌装有液;热管的埋设数量为3根,沿着道路的长度方向间隔布置,热管间距为10cm;热管的形状为L形,热管的拐部呈钝角,热管平横向部分在路面埋设深度为4cm~8cm,且热管水平部分长度等于路面宽度,热管竖向部分的地下最大埋设深度12m。

说明书全文

沥青路面低温防开裂无损养护方法

技术领域

[0001] 本发明属于沥青路面养护技术领域,尤其涉及一种沥青路面低温防开裂无损养护方法。

背景技术

[0002] 低温开裂是沥青路面常见的三大类病害之一,也是世界性难题。当沥青路面一旦产生裂缝,如不加以处置,当外界流动的分通过裂缝进入沥青路面内部后,液体水经历降温变成固态后体积增大,进而扩大了裂缝,后期再加上车辆轮胎动将水压入更深的路面结构内,裂缝随着上述过程深化加速道路发生结构性破坏,造成巨大的经济损失。
[0003] 针对上述问题,诸多学者进行了多种尝试,目前常用的修补方法主要有:灌胶修补、贴缝带修补、薄层罩面、铣刨填补等方法,这些修补方法不仅影响路面的整体外观,而且所用材料大多价格较贵,更是费时费力,修补效果也有待进一步提高。
[0004] 因此,亟需提高一种无需外加材料就能实现沥青路面防低温开裂的无损养护方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种沥青路面低温防开裂无损养护方法,旨在解决上述现有技术中存在的技术问题。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:
[0007] 一种沥青路面低温防开裂无损养护方法,包括以下步骤:
[0008] (1)加热间距的确定
[0009] 沥青路面加热间距L的确定根据沥青路面的开裂指数CI进行确定,加热间距L的计算公式如下:
[0010] L=100(CI+1)‑1
[0011] 式中:L—开裂间距,单位m;CI—为低温开裂指数;
[0012] (2)加热宽度的确定
[0013] 加热宽度Lh与沥青路面的裂缝宽度W满足:Lh≥W,裂缝宽度W的计算公式如下:
[0014] W=1000α·ΔT·L
[0015] 式中:W—裂缝宽度,单位mm;ΔT—环境温度与0℃之间的温度绝对值,单位℃;α—沥青混合料收缩系数,单位/℃。
[0016] 进一步的,所述沥青路面的加热方式包括微波加热和热管加热。
[0017] 进一步的,选用微波加热沥青路面时,通过两次加热的方式进行养护,两次加热养护开始时间以连续n日的日平均气温达到临界点温度和转化点温度的首次日期为加热时间点,n为5±2;临界点温度和转化点温度指的是沥青混合料应力累积曲线上对应的温度,临界点温度和转化点温度的确定方法如下:
[0018] 首先,根据待养护路段的沥青混合料进行约束冻断试验,在约束冻断试验中获取温度应力累积曲线,分别在曲线的开始端和结束端作切线并将两切线的交点作为温度应力曲线骤变的临界点温度TJ,温度应力在该点之后骤增,以此将该温度点作为第一次加热的时间点;
[0019] 其次,第二次加热时间点为温度降至转化点温度TT的时间,沥青混合料在转化点温度之后应力积累由收缩起到完全的主导,且此时的沥青混合料由可流动变性向弹脆性特征转变。
[0020] 进一步,所述加热时间点通过气温统计或路表温度测量的方式获得,以连续5日的日平均气温达到临界点温度和转化点温度的首次日期为加热时间点,计算公式如下:
[0021]
[0022] 式中: —连续5日的平均气温,单位℃;Tij—第i日的第j时的气温值,单位℃;其中,i为日期,j为时间。
[0023] 进一步的,当沥青混合料为改性类沥青混合料时,改性类沥青混合料的临界点温度为‑10℃,第一次加热的时间点采用高于其临界点温度5℃;改性沥青混合料的转化点温度在‑15~‑20℃之间,当沥青路面使用时间为1~2年时,将第二次加热时间点定为‑20℃,当沥青路面使用时间为2年以上时,将第二次加热时间点定为‑15℃。
[0024] 进一步的,沥青路面单次微波加热的参数如下:最小加热长度为6cm,裂缝宽度为9~60mm,根据公式(2)计算得到加热宽度;加热温度控制在0~165℃,加热深度不小于4cm。
[0025] 进一步的,采用微波加热的方式对沥青路面进行养护时,将若干个波导管布设在金属罩的顶部、且与沥青路面设有0‑4cm的间距,所述波导管的长度方向与沥青路面上行车方向垂直,所述波导管直立于金属罩的顶部,若干个波导管沿沥青路面的宽度方向间隔布设。
[0026] 进一步的,所述波导管选用矩形波导管,型号为BJ26,矩形波导管的主模为TE10模,工作功率1kW;所述金属罩顶部相邻波导管的间距分别为3cm~7cm;加热时间为200s。
[0027] 进一步的,采用埋设热管加热的方式对沥青路面进行养护时,加热间距为开裂间距的1/2长度,热管埋设参数如下:
[0028] 热管的直径为3cm、壁厚为2mm,热管内灌装有液;热管的埋设数量为3根,沿着道路的长度方向间隔布置,热管间距为10cm;热管的形状为L形,热管的拐部呈钝角,热管水平横向部分在路面埋设深度为4cm~8cm,且热管水平部分长度等于路面宽度,热管竖向部分的地下最大埋设深度12m。
[0029] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:与现有技术相比,本发明利用沥青混合料在中高温条件下较易发生流动变形的原理,采用多次且一定长度间距的加热方式消散处低温环境中沥青路面的所累积的温度应力,实现沥青路面抵抗低温开裂。本发明通过加热方式来实现沥青路面的无损养护,不会影响路面的外观,省时省力,无需外加材料即可实现沥青路面低温防开裂的目的,极大降低了养护成本。附图说明
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0031] 图1是本发明实施例提供的一种沥青路面低温防开裂无损养护方法中波导管在沥青路面上方的布置示意图;
[0032] 图2是沥青混合料约束冻断试验温度应力累积曲线图;
[0033] 图3是波导管间距为3cm时波导管正下方路表升温速率图;
[0034] 图4是波导管间距7cm时两波导管间中线前方3cm路面深度4cm的升温速率图;
[0035] 图5是波导管间距7cm时波导管正前方3cm路面深度4cm的升温速率图;
[0036] 图6是波导管间距8cm时两波导管间中线前方3cm路面深度4cm的升温速率图;
[0037] 图7是本发明另一实施例中热管在地下埋置的示意图;
[0038] 图中:00‑沥青路面,1‑波导管,2‑金属罩,3‑热管。

具体实施方式

[0039] 下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0040] 请参照图1,本发明实施例提供的一种沥青路面低温防开裂无损养护方法,包括以下步骤:
[0041] (1)加热间距的确定
[0042] 在完整的沥青路面加热,相当于在水泥路面上设置伸缩切缝,为了不影响沥青路面的完整性,可以在一定间距下进行加热处理,利用沥青混合料中高温下具备良好流变特性,实现温度应力的释放。沥青路面加热间距是相邻裂缝隙之间的距离,加热间距L的确定根据沥青路面的开裂指数CI进行确定,加热间距L的计算公式如下:
[0043] L=100(CI+1)(1)
[0044] 式中:L—开裂间距,单位m;CI—为低温开裂指数。
[0045] 其中,关于低温开裂指数的计算方法存有以下两:①参考中华人民共和国行业标准《公路沥青路面设计规范》(JTG D50‑2017)中公式(B.5.1)的计算方法;②参考发明专利《一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法》申请号CN202210669516.X中涉及的横向裂缝系数的计算方法。
[0046] (2)加热宽度的确定
[0047] 当应用微波加热时,加热宽度Lh是带有波导管的金属罩或微波隔离金属网或微波隔离金属编织物覆盖在路面上的宽度。加热宽度Lh与沥青路面的裂缝宽度W有直接关系,而且需要满足:Lh≥W,裂缝宽度W是关于沥青混合料收缩系数α、加热间距L和温度梯度ΔT的函数,计算公式如下:
[0048] W=1000α·ΔT·L  (2)
[0049] 式中:W—裂缝宽度,单位mm;ΔT—环境温度与0℃之间的温度绝对值,单位℃;α—沥青混合料收缩系数,单位/℃。
[0050] 具体实施时,沥青路面的加热方式包括微波加热和热管加热,可优先选择微波加热的方式。以下两个实施例对两种加热方式进行说明。
[0051] 实施例1:选用微波加热沥青路面,微波对沥青路面的加热为空间性的加热,包括如下内容:
[0052] (一)加热时间点的确定:通过两次加热的方式进行养护,加热时间点通过气温统计或路表温度测量的方式获得,两次加热养护开始时间以连续5日的日平均气温达到沥青混合料的临界点温度和转化点温度的首次日期为加热时间点,计算公式如下:
[0053]
[0054] 式中: —连续5日的平均气温,单位℃;Tij—第i日的第j时的气温值,单位℃;其中,i为日期,j为时间。
[0055] 上述临界点温度和转化点温度的确定方法如下:
[0056] 首先,根据待养护路段的沥青混合料进行约束冻断试验,在约束冻断试验中获取温度应力累积曲线,分别在曲线的开始端和结束端作切线并将两切线的交点作为温度应力曲线骤变的临界点温度TJ,温度应力在该点之后骤增,以此将该温度点作为第一次加热的时间点,如图2所示。
[0057] 其次,第二次加热时间点为温度降至转化点温度TT的时间,沥青混合料在转化点温度之后应力积累由收缩起到完全的主导,且此时的沥青混合料由可流动变性向弹脆性特征转变。
[0058] 当沥青混合料为改性类沥青混合料时,通过对不同沥青混合料的统计可知,改性类沥青混合料的临界点温度一般在‑10℃,第一次加热的时间点采用高于其临界点温度5℃,使用时间长的路面可将第一次加热的时间点定为‑5℃。同时通过经验统计,大部分面层用改性类沥青混合料的转化点温度均在‑15~‑20℃之间,可结合沥青品质和沥青路面使用时间进行调节,当沥青品质优、沥青路面使用时间在1~2年的可以将第二次加热时间点定为‑20℃,当沥青品质良、使用时间2年以上的路面,可将第二次加热时间点定为‑15℃。
[0059] (二)加热方法
[0060] 微波加热优选矩形波导管BJ26主模为TE10模,工作功率1kW。沥青混合料主要为沥青混合料,沥青混合料由沥青、粗集料、细集料和矿粉组成,沥青的相对复介电常数实部为2.7,一般矿粉和细集料属于石灰岩类复介电常数实部为7.48和复介电常数虚部为0.222,粗集料可以选择玄武岩和石灰岩,其中玄武岩的复介电常数实部为4.58和复介电常数虚部为1.073,通过结合沥青混合料的质量分数权重系数法确定沥青混合料的复介电常数实部范围[2.7,7.48]和复介电常数虚部范围为[0.222,1.073],此外相对磁导率为1,电导率为
3 3
0S/m。针对传热场,沥青混合料的导热系数为0.936W/(m·K),密度2.45×10 kg/m,恒压热
3
容1.4×10J/(kg·K)。沥青路面的加热深度不小于4cm,目标温度为0~165℃。
[0061] 通过多物理场有限元仿真来验证微波加热效果,频域中电场强度控制方程如下:
[0062]
[0063]
[0064] 式中, 为拉普拉斯算子,μr为相对磁导率,E为电场强度,k0为波数,ξrc为相对介电常数,ξ0为真空介电常数,μ0为真空磁导率,c0为真空中光速,ω为角频率。由于微波在穿过有耗介质(沥青混合料)时会产生损耗转化为热量,因此,需考虑损耗功率,损耗功率的计算公式为:
[0065] PV=2πfξ0ξ″E2  (5)
[0066] 式中,PV为微波耗散功率,ξ”为材料相对介电损耗,f是微波输入功率。
[0067] 微波加热时固态传热的建模过程如下:
[0068]
[0069]
[0070] 式中,Q为热源,微波加热时控制体内生热;ρ(SI单位:kg/m3)为固体密度,CP(SI单位:J/(kg·K))为恒压固体热容,k(SI单位:W/(m·k))为固体导热系;u(SI单位:m/s)是由平移运动子节点定义的速度场,q是传导热通量矢量。通过能量守恒定律设置固态传热,实现热平衡。加热前后的温差除以时间可得升温速率,计算结果如图3‑6所示。
[0071] a)加热时间的确定
[0072] 由于沥青混合料温度高于165℃会加速老化,以此作为确定加热时间的依据,通过考察布设最多波导管时达到165℃的加热时间和布设最少波导管时达到0℃的加热时间,确定加热时间为200s,如图3所示。200s的加热时间是精确计算出来的结果,加热时间长会导致沥青混合料烧焦,加热时间不足则达不到加热效果。
[0073] b)加热宽度的确定
[0074] 加热间距及加热宽度通过公式(1)及公式(2)计算可得。由于加热宽度与裂缝宽度有关,采用现场调研裂缝宽度的方式确定加热宽度。
[0075] 以哈尔滨为例,调研时间为冬季中最寒冷的月份,调研内容为不同路面的裂缝宽度,据调研数据可知,柔性路基及复合型路基的沥青路面由于开裂数量少,修筑第一年的沥‑6青路面,裂缝间距约为200m,沥青混合料的收缩系数约为30×10 /℃,第一次加热的时间点为连续五日日平均气温为‑10℃,那么,温度梯度为10℃,通过公式(2)计算一条裂缝宽度为
60mm;而半刚性基层沥青路面裂缝数量多,修筑第一年的沥青路面裂缝间距约为30m一条,每条宽度9mm左右,若要达到沥青路面不开裂最小加热长度为6cm。
[0076] c)加热温度的确定
[0077] 沥青混合料温度高于0℃时,温度应力可实现迅速的释放,因此,以波导管下方沥青路面6cm*4cm*路宽度的沥青混合料温度高于0℃为目标。由于沥青混合料温度高于165℃会加速老化,因此,加热温度的范围确定为[0,165℃]。
[0078] d)波导管的布设方向
[0079] 波导管布设的角度为波导管长度方向与道路行车方向垂直(如图1所示),可有效提高波导管使用效率。
[0080] e)波导管间距的确定
[0081] 采用微波加热的方式对沥青路面进行养护,多个波导管在道路宽度方向的间距为变量,对间距3cm、7cm、8cm、10cm条件下对沥青路面空间加热温度进行考察,考察位置为:①水平方向上:波导管正前方3cm、波导管间隔中心位置、波导管正下方;②竖直方向上:距道路表面0cm、1cm、2cm、3cm、4cm。考察顺序为:波导管间隔中心位置路面以下4cm点的温度,该点温度>0℃。当上述两点处的温度大于0℃,进而确定波导管间距为7cm。加热效果如图4‑6所示。
[0082] 如图1所示,将若干个波导管1布设在金属罩2的顶部、且与沥青路面00设有0‑4cm的间距,所述波导管1的长度方向与沥青路面00上行车方向垂直,所述波导管1直立于金属罩2的顶部,若干个波导管1沿沥青路面00的宽度方向间隔布设。
[0083] 实施例2:采用埋设热管加热的方式对沥青路面进行养护时,加热间距为开裂间距的1/2长度,热管埋设参数如下:
[0084] 热管的直径为3cm、壁厚为2mm,热管内灌装有液氨;热管的水平长度等于路面宽度,埋设数量为3根,沿着道路的长度方向间隔布置,相邻热管的间距10cm,如图7所示,热管3的形状为L形,热管的拐角部呈钝角,热管3的水平横向部分在路面以下埋设深度为4cm~
8cm,热管3的竖向部分的地下最大埋设深度12m。其中,热管的水平横向部分应该覆盖路面的宽度范围,图7中右侧竖向部分超出道路结构的右侧边界且需要土体覆盖,热管的左侧水平横向部分末端与道路结构的左边界平齐。
[0085] 该实施例中通过在道路下方预埋热管,利用地热资源能够将沥青路面最高加热到10℃,且能够持续加热。当然,还可以通过对预埋的热管进行加热,或者在道路下方铺设加热地毯,均能够达到加热沥青路面的效果。其中,利用地热资源加热沥青路面为最环保长效的一种加热方式,且方便推广应用。
[0086] 此外,如果沥青路面的加热温度过高,会导致沥青混合料变软。因此,当超过沥青的软化点温度时,务必对加热区域进行压实处置,压实机具采用3吨左右。
[0087] 综上所述,本发明具有操作简单方便、沥青路面修复快速、修复效果好的优点,通过加热方式来实现沥青路面的无损养护,无需现场开挖破坏路面即可完成修复,不会影响路面的外观,省时省力;同上也无需外加材料即可实现沥青路面低温防开裂的目的,极大降低了养护成本。
[0088] 在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。
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