CN112362495A - 感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢桥面沥青自愈合技术领域，提供一种感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，旨在解决现有钢桥面沥青摊铺层感应加热自愈合时，梯度愈合现象导致沥青路面自愈合率不佳的问题，包括以下步骤：S1、简化钢桥面沥青摊铺层结构，计算摊铺层材料使用量，通过轮碾法形成多组车辙板试件，并将车辙板切成小梁试件；S2、将小梁试件在‑10℃以下的环境中冷冻4小时以上，随后通过三点弯曲实验测定小梁试件的第一次断裂强度f；S3、将断裂之后的小梁试件恢复至室温，并将断裂的小梁试件分别拼接，放置于钢板之上通过加热设备进行感应加热自愈合。本发明尤其适用于钢桥面沥青摊铺层的自愈合检测，具有较高的社会使用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及钢桥面沥青自愈合技术领域，具体涉及一种感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法。
背景技术
钢桥面铺装开裂破坏是沥青铺装最典型的病害类型，当钢桥面铺装层出现裂缝等病害之后，铺装层与钢桥面板之间的粘结层易受到雨水浸蚀，且在行车荷载等作用下，铺装层会开裂恶化甚至引起钢桥面板的锈蚀，从而降低钢桥面板的使用寿命，这不仅仅影响到钢桥面铺装层路用性能,而且对钢桥面板的受力也相当不利。然而，钢桥面铺装往往用于较为繁忙且车道数较少的高架桥上，传统的修补工艺如沥青罩面法等由于封闭维修周期长，会对交通产生较大影响。
为解决这个问题，本发明充分利用钢桥面板的特殊性质，将感应加热技术被引入到钢桥面铺装裂缝修复领域当中来：当交变磁场穿过桥面板铺装层到达钢桥面板，在钢板内部会产生涡流，从而迅速产生热量加热上部沥青铺装层，使得铺装层温度上升。当桥面铺装层达到一定温度时，沥青粘合剂开始表现为牛顿流体，沥青粘合剂会流过沥青混凝土中任何可能出现的裂缝，使桥面铺装层中产生的疲劳裂缝得到有效修复。
然而，感应加热同样存在有效加热范围，沥青铺装层所获得的热量来自于位于铺装层下部的钢桥面板，而沥青混合料本身为热的不良导体，使得靠近钢桥面板的沥青混合料与远离钢桥面板的混合料升温速率差异较大，这导致了路面纵向温度梯度分布的问题，进一步导致路面出现“梯度”自愈合现象，不利于钢桥面的自愈合修复。因此确定钢桥面沥青摊铺层自愈合梯度愈合率的测试方法，并根据公式给出相应的解决措施，对钢桥面沥青摊铺层感应加热自愈合技术至关重要。为此，我们提出了一种感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，旨在解决现有钢桥面沥青摊铺层感应加热自愈合时，梯度愈合现象导致沥青路面自愈合率不佳的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，包括以下步骤：
S1、简化钢桥面沥青摊铺层结构，计算摊铺层材料使用量，通过轮碾法形成多组车辙板试件，并将车辙板切成小梁试件；
S2、将小梁试件在-10℃以下的环境中冷冻4小时以上，随后通过三点弯曲实验测定小梁试件的第一次断裂强度f；
S3、将断裂之后的小梁试件恢复至室温，并将断裂的小梁试件分别拼接，记录小梁试件的上下表面温度，选取n个小梁试件叠加并放置于钢板上，定位后通过加热设备进行感应加热自愈合，加热完成后立即取下钢板并记录各层小梁试件的上下表面温度；
S4、将自愈合后的小梁试件于相同的环境下重复步骤S2的三点弯曲实验，获得第二次的断裂强度F，并且根据实验数据推导公式计算各层小梁试件的自愈合率和梯度愈合率；
S5、将公式计算出的结果，采取所有实验数据去均值的方法对每组数据给出评价指标Ga，用以衡量小梁试件的梯度愈合率大小，小于评价指标Ga说明梯度愈合良好，大于评价指标Ga则说明梯度愈合率过大，需要修正改善；
S6、针对梯度愈合率大于给出评价指标的每组小梁试件进行分级，并对分级后的不同级别小梁试件给出改善方法。
优选的，所述步骤S1中，小梁试件成型的具体方法包括以下步骤：
S1-1、将与钢桥面铺装层配合比一致的沥青混合料内倒入模具，形成下层沥青混合料，厚度与钢桥面铺装层下层厚度相同，冷却24小时，再在模具中倒入相同沥青混合料，碾压2～4次，厚度与钢桥面铺装层上层厚度一致，冷却24小时，形成上层沥青混合料，成型300×300×50mm的车辙板；
S1-2、将车辙板切块，形成尺寸为300×30×50mm的小梁试件；
S1-3、控制断裂试验期间的失效位置，将小梁试件的中心切出一个宽度为6mm，深度为3mm的预锯缝。
优选的，所述步骤S2中，三点弯曲实验的加载速度保持在40-60mm/min。
优选的，所述步骤S3中，通过红外摄像仪记录小梁试件的上下表面初始温度，以及感应加热处理结束后各层小梁试件的上下表面温度。
优选的，所述步骤S4中，通过前后两次的断裂强度f与F，各层小梁试件的自愈合率(H)和梯度愈合率(G)分别表示为：
同时进一步的将能量作为参数引入评价公式，n层试件在加热过程中符合可以通过平壁传热模型中多面平面壁模型，第n层传热速率计算公式为：
其中，V为传热速率，T为每层试件的上表面温度，b为试件厚度，K为导热系数，A为试件面积；
同时每层吸收的能量通过公式Q＝Vt计算得出，
通过实验得到自愈合率与能量之间符合关系式H＝aQ2+bQ+c，
结合自愈合率与传热速率推导梯度愈合率公式，最终给出梯度愈合率G的公式：
优选的，所述步骤5中，按照公式
计算出每一组数据的均值，n≥2,通过求和取均值，即
大于此值即表示梯度愈合现象严重，需要修正，小于此值说明愈合现象良好。
优选的，所述步骤6中，根据评价指标Ga，首先将梯度愈合率过大的组按照梯度愈合率递增的顺序进行分级，具体分级情况如下：
通过测试公式计算第一层与最后一层之间的梯度愈合率，即
式中n取最大，取为Gmax，再计算
则第一级：
第二级：
优选的，所述步骤6中，具体分级和改善方法包括以下步骤：
S6-1、针对Ga1，改变沥青混合料中集料的导热系数，在其它组成成分保持不变的前提下，沥青混合料导热系数伴随着集料导热系数增大而增大，故进行沥青混合料摊铺时，选择导热系数较大的石料作为沥青混合料集料；
S6-2、针对Ga2，改变沥青混合料中各物质配比，加入大导热系数的高导热材料，形成导热能力更强的改性沥青，提高沥青混合料整体的导热系数，在保证磁场可以穿透至钢板的前提下，使用高导热材料可以有效的将热量传递至上层，从而改善梯度愈合现象。
优选的，所述步骤S6-1中，利用导热系数较大的石灰岩和玄武岩代替辉绿岩和大理石作为沥青混合料集料。
优选的，所述步骤S6-3中，大导热系数的高导热材料可为导热填充胶、氧化铝或者SBS改性剂。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，具备以下有益效果：
1、本发明与传统方法相比，考虑了实际生产施工的影像，在综合考量路面厚度、温度以及能量变化等因素的前提下，提出了两种新型评价指标及其评价公式，具有较强的实用性，可用于钢桥面沥青摊铺层感应加热自愈合时梯度愈合率的测试。
2、本发明创造性的将能量作为参数，特别针对钢桥面这传热过程中贴切傅里叶传热的特殊模型，使用多面壁模型建立起各层试件温度与能量之间的关系，通过与自愈合率结合，给出判定公式，量化了梯度愈合的概念，有利于从理论上通过控制能量以及温度来给出改善梯度愈合现象的方案，有利于提高自愈合过程中的能量利用率。
3、本发明基于梯度愈合率的公式给出评价方案与指标，量化梯度愈合率的概念，通过多组实验结果取均值方法给出参考参数，并且为不同的梯度愈合状况进行等级划分，有利于直观的理解不同程度的梯度愈合现象，为实际施工提供科学的参考依据。
4、本发明针对常规感应加热的纵向温度梯度问题，对两种不同程度的梯度愈合评价等级，给出了相应的解决方案，通过改变沥青混合料中集料的导热系数和提出一种新的沥青混合料设计方法两种方案，改善沥青铺装层不同层间的单位发热量，以改善纵向温度梯度分布现象，有效解决钢桥面自愈合时梯度愈合率过大的问题，为实际的施工方法提供思路。
5、本发明采取特殊铺面钢桥面为实验对象，在不降低钢桥面的路用和力学性能的前提下，利用感应加热技术结合自愈合技术，可实现对桥面裂纹的快速修复和预防性养护，延长桥梁使用性能，提高使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，包括以下步骤：
S1、简化钢桥面沥青摊铺层结构，计算摊铺层材料使用量，通过轮碾法形成多组车辙板试件，并将车辙板切成小梁试件；
其中，小梁试件成型的具体方法包括以下步骤：
S1-1、将与钢桥面铺装层配合比一致的沥青混合料内倒入模具，形成下层沥青混合料，厚度与钢桥面铺装层下层厚度相同，冷却24小时，再在模具中倒入相同沥青混合料，碾压2～4次，厚度与钢桥面铺装层上层厚度一致，冷却24小时，形成上层沥青混合料，成型300×300×50mm的车辙板；
S1-2、将车辙板切块，形成尺寸为300×30×50mm的小梁试件；
S1-3、控制断裂试验期间的失效位置，将小梁试件的中心切出一个宽度为6mm，深度为3mm的预锯缝。
S2、将小梁试件在-10℃以下的环境中冷冻4小时以上，随后通过三点弯曲实验测定小梁试件的第一次断裂强度f，三点弯曲实验的加载速度保持在40-60mm/min；
S3、将断裂之后的小梁试件恢复至室温，并将断裂的小梁试件分别拼接，记录小梁试件的上下表面温度，选取n个小梁试件叠加并放置于钢板上，定位后通过加热设备进行感应加热自愈合，加热完成后立即取下钢板并记录各层小梁试件的上下表面温度；
本实施例中，通过红外摄像仪记录小梁试件的上下表面初始温度，以及感应加热处理结束后各层小梁试件的上下表面温度。
S4、将自愈合后的小梁试件于相同的环境下重复步骤S2的三点弯曲实验，获得第二次的断裂强度F，并且根据实验数据推导公式计算各层小梁试件的自愈合率和梯度愈合率；
本实施例中，通过前后两次的断裂强度f与F，各层小梁试件的自愈合率(H)和梯度愈合率(G)分别表示为：
同时进一步的将能量作为参数引入评价公式，n层试件在加热过程中符合可以通过平壁传热模型中多面平面壁模型，第n层传热速率计算公式为：
其中，V为传热速率，T为每层试件的上表面温度，b为试件厚度，K为导热系数，A为试件面积；
同时每层吸收的能量通过公式Q＝Vt计算得出，
通过实验得到自愈合率与能量之间符合关系式H＝aQ2+bQ+c，
结合自愈合率与传热速率推导梯度愈合率公式，最终给出梯度愈合率G的公式：
S5、将公式计算出的结果，采取所有实验数据去均值的方法对每组数据给出评价指标Ga，用以衡量小梁试件的梯度愈合率大小，小于评价指标Ga说明梯度愈合良好，大于评价指标Ga则说明梯度愈合率过大，需要修正改善；
本实施例中，按照公式
计算出每一组数据的均值，其中n≥2,通过求和取均值，即
大于此值即表示梯度愈合现象严重，需要修正，小于此值说明愈合现象良好。
S6、针对梯度愈合率大于给出评价指标的每组小梁试件进行分级，并对分级后的不同级别小梁试件给出改善方法。
根据评价指标Ga，首先将梯度愈合率过大的组按照梯度愈合率递增的顺序进行分级，具体分级情况如下：
通过测试公式计算第一层与最后一层之间的梯度愈合率，即
式中n取最大，取为Gmax，再计算
则第一级：
第二级：
通过梯度愈合率的两个公式可知，我们可以通过控制沥青混合料的导热系数来调控自愈合率。由于沥青混合料的导热系数与集料导热系数Ka、结合料导热系数Kb以及空气导热系数Kv有着如下关系Km＝(Ka)m*(Kb)n*(Kv)p，m、q、p分别为沥青混合料中结合料、集料、空气的体积百分数,可以通过调控沥青混合料中各物质的导热系数改善梯度愈合现象，针对以上等级分类，采取不同的解决措施，具体改善方法包括以下步骤：
S6-1、针对Ga1，改变沥青混合料中集料的导热系数，在其它组成成分保持不变的前提下，沥青混合料导热系数伴随着集料导热系数增大而增大，故进行沥青混合料摊铺时，选择导热系数较大的石料作为沥青混合料集料；
S6-2、针对Ga2，改变沥青混合料中各物质配比，加入大导热系数的高导热材料，形成导热能力更强的改性沥青，提高沥青混合料整体的导热系数，在保证磁场可以穿透至钢板的前提下，使用高导热材料可以有效的将热量传递至上层，从而改善梯度愈合现象。
本实施例中，所述步骤S6-1中，由于沥青混合料中集料所占体积一般超过80％，故在其它组成成分保持不变的前提下，沥青混合料导热系数伴随着集料导热系数增大而增大，故进行沥青混合料摊铺时，选择导热系数较大的石料作为沥青混合料集料，利用导热系数较大的石灰岩和玄武岩代替辉绿岩和大理石。
本实施例中，所述步骤S6-2中，大导热系数的高导热材料可为导热填充胶、氧化铝或者SBS改性剂，形成导热能力更强的改性沥青，提高沥青混合料整体的导热系数，在保证磁场可以穿透至钢板的前提下，使用高导热材料可以有效的将热量传递至上层，从而改善梯度愈合现象。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、简化钢桥面沥青摊铺层结构，计算摊铺层材料使用量，通过轮碾法形成多组车辙板试件，并将车辙板切成小梁试件；
S2、将小梁试件在-10℃以下的环境中冷冻4小时以上，随后通过三点弯曲实验测定小梁试件的第一次断裂强度f；
S3、将断裂之后的小梁试件恢复至室温，并将断裂的小梁试件分别拼接，记录小梁试件的上下表面温度，选取n个小梁试件叠加并放置于钢板上，用紧固带绑紧，通过加热设备进行感应加热自愈合，加热完成后立即记录各层小梁试件和钢板的上下表面温度；
S4、将自愈合后的小梁试件冷却至室温后，再将试件在-10℃以下的环境中冷冻4小时以上，重复步骤S2的三点弯曲实验，获得第二次的断裂强度F，并且根据实验数据推导公式计算各层小梁试件的自愈合率和梯度愈合率；
S5、将公式计算出的结果，给出评价指标，用以衡量小梁试件的梯度愈合率大小，小于评价指标说明愈合现象良好，大于评价指标则说明梯度愈合率过大，需要修正改善；
S6、针对梯度愈合率大于给出评价指标的每组小梁试件进行分级，并对分级后的不同级别给出相应的改善方法。
2.如权利要求1所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，小梁试件成型的具体方法包括以下步骤：
S1-1、将与钢桥面铺装层配合比一致的沥青混合料内倒入模具，形成下层沥青混合料，厚度与钢桥面铺装层下层厚度相同，冷却24小时，再在模具中倒入相同沥青混合料，碾压2～4次，厚度与钢桥面铺装层上层厚度一致，冷却24小时，形成上层沥青混合料，成型300×300×50mm的车辙板；
S1-2、将车辙板切块，形成尺寸为250×30×30mm的小梁试件；
S1-3、控制断裂试验期间的失效位置，将小梁试件的中心切出一个宽度为6mm，深度为3mm的预锯缝。
3.如权利要求1所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，三点弯曲实验的加载速度保持在40-60mm/min。
4.如权利要求1所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，通过红外摄像仪记录小梁试件的上下表面初始温度，以及感应加热处理结束后各层小梁试件的上下表面温度。
5.如权利要求1所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过前后两次的断裂强度f与F，各层小梁试件的自愈合率(H)和梯度愈合率(G)分别表示为：
同时进一步的将能量作为参数引入评价公式，n层试件在加热过程中符合可以通过平壁传热模型中多面平面壁模型，第n层传热速率计算公式为：
其中，V为传热速率，T为每层试件的上表面温度，b为试件厚度，K为导热系数，A为试件面积；
同时每层吸收的能量通过公式Q＝Vt计算得出，
通过实验得到自愈合率与能量之间符合关系式H＝aQ2+bQ+c，
结合自愈合率与传热速率推导梯度愈合率公式，最终给出梯度愈合率G的公式：
6.如权利要求1所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤5中，按照公式
计算出每一组数据的均值，n≥2,通过求和取均值，即
大于此值即表示梯度愈合现象严重，需要修正，小于此值说明愈合现象良好。
7.如权利要求1所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤6中，根据评价指标Ga，首先将梯度愈合率过大的组按照梯度愈合率递增的顺序进行分级，具体分级情况如下：
通过测试公式计算第一层与最后一层之间的梯度愈合率，即
式中n取最大，取为Gmax，再计算
则第一级：
第二级：
8.如权利要求7所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤6中，具体分级和改善方法包括以下步骤：
S6-1、针对Ga1，改变沥青混合料中集料的导热系数，在其它组成成分保持不变的前提下，沥青混合料导热系数伴随着集料导热系数增大而增大，故进行沥青混合料摊铺时，选择导热系数较大的石料作为沥青混合料集料；
S6-2、针对Ga2，改变沥青混合料中各物质配比，加入大导热系数的高导热材料，形成导热能力更强的改性沥青，提高沥青混合料整体的导热系数，在保证磁场可以穿透至钢板的前提下，使用高导热材料可以有效的将热量传递至上层，从而改善梯度愈合现象。
9.如权利要求8所述的感应加热钢桥面摊铺层梯度自愈合率评级和控制方法，其特征在于：所述步骤S6-1中，利用导热系数较大的石灰岩和玄武岩代替辉绿岩和大理石作为沥青混合料集料。
10.如权利要求8所述的改性沥青路面的自愈合梯度愈合率测试和改善方法，其特征在于：所述步骤S6-3中，大导热系数的高导热材料可为，导热填充胶、氧化铝或者SBS改性剂。
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|---|---|---|---|---|
| WO2017193629A1 (zh) * | 2014-06-30 | 2017-11-16 | 上海浦东路桥建设股份有限公司 | 特种级配改性沥青混合料面层及其铺装方法 |
| CN108613993A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-02 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种沥青混合料的自愈合能力评价方法及系统 |
| CN110453562A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-15 | 南京林业大学 | 基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 何亮;赵龙;凌天清;马育;刘全涛;: "密实型沥青混合料裂缝感应热自愈合性能研究", 中国公路学报, no. 01 * |
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