CN114086441A - 一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，通过以路面的大空隙沥青混合料作为骨架，以不同热导率的水泥基材料作为骨架空隙的填充物，对骨架分层灌注自上而下热导率依次减小的水泥基材料，使得路面内的热量在梯度热导率的驱动下趋向于从下至上传递至外界环境中。该结构利用了大空隙沥青混合料骨架的结构特点和水泥基材料的流动性，发挥梯度热导率的热诱导作用，既能在满足路面基本使用要求的前提下，减少夏季经路面吸收并传递至路基的太阳辐射热量，又能加速冬季路基内部的热量向外界环境释放，赋予路面在冷季疏导冷量的能力，解决高原冻土区宽幅路面吸热强和散热慢的问题，缓解路面结构对冻土的热扰动，提高冻土稳定性。

Description

一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构

技术领域

本发明涉及道路建设领域，具体涉及一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构。

背景技术

在高原冻土区，高海拔、中低纬度和强太阳辐射是导致永久冻土严重退化并引发一系列路面损坏的主要原因。特别是，在多年冻土地区修建沥青路面扰乱了地表和大气之间的热平衡。在这种情况下，沥青路面的吸热量大于热损失。路堤和永久冻土中大量热量的积累导致这些区域频繁冻融。这些断层破坏了路堤稳定性，降低了路面的使用寿命，甚至对交通安全构成了严重威胁。对青藏公路的统计调查表明，大约85％的路堤破坏是由永久冻土融化引起的。正是多年冻土和沥青路面之间的不利相互作用使得这些问题在世界范围内难以解决。恢复地表和大气之间的热平衡可能是解决这些问题的关键因素。

为了减少路堤中的热量积累，进而减少永久冻土融化和其他由永久冻土融化引起的路面病害，目前国内外已经展开了许多冻土保护的技术研究，主要包括：1)被动方法，通过提高路堤高度和使用保温材料来增加热阻以降低路堤温度并保护多年冻土；2)主动路堤降温方法，通过块碎石路基技术、通风管道或热虹吸管技术对热对流进行控制，从而在夏季带走路基内部的热量，在冬季增加路基内部的冷量；3)热反射技术，通过红外反射涂层或遮阳板路堤减少路面对太阳辐射的吸收；4)热诱导沥青路面技术，通过在沥青混合料中掺加具有高热导率/低热导率的材料，改变多层沥青路面结构的层间热导率的相对关系诱导沥青路面吸收的热量更趋于向上传导，向外界环境释放。

目前的研究和应用显示，上述冻土保护技术均取得了理想的实际效果，但是也存在许多缺陷，例如：(1)保温技术在阻止上部热量向下传输的同时也阻止了冷季多年冻土向外散热。虽然改变了进入多年冻土的热周转量，但是不能改变进出多年冻土热量平衡的趋势，所以增加热阻只是减弱热积累的发展，延缓多年冻土的升温，而不能扭转这种热积累的趋势；(2)路堤降温技术主要应用于路堤防护，工程量大，施工复杂，随之而来的建设成本也很高；(3)红外反射涂层和遮阳板路堤耐久性差，需要的铺设面积大，工程成本高；(4)热诱导沥青路面技术一方面由于混合料级配的限制，导热填料在混合料中的比例通常很小，这使得导热系数的改变范围有限，导致沥青路面层之间的导热系数的梯度差异过小，另一方面在沥青混合料中掺加不同热导率的材料也会改变沥青混合料的级配，进而影响沥青混合料的力学性能和路用性能。

综上所述，这些技术在高原冻土区的公路建设上存在一定局限性。因此如何克服现有技术的不足，在不影响道路基本使用的前提下，实现更稳定、更经济、更有效的高速宽幅公路上的冻土保护效果，从而减少因冻土融沉导致的路面病害，这在高原冻土区公路建设技术领域将是重要突破。

发明内容

本发明要解决的技术问题正是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，通过以路面的大空隙沥青混合料作为骨架，以不同热导率的水泥基材料作为骨架空隙的填充物，对骨架分层灌注自上而下热导率依次减小的水泥基材料，使得路面内的热量在梯度热导率的驱动下趋向于从下至上传递至外界环境中。该结构利用了大空隙沥青混合料骨架的结构特点和水泥基材料的流动性，发挥梯度热导率的热诱导作用，既能在满足路面基本使用要求的前提下，减少夏季经路面吸收并传递至路基的太阳辐射热量，又能加速冬季路基内部的热量向外界环境释放，赋予路面在冷季疏导冷量的能力，有助于解决高原冻土区宽幅路面吸热强和散热慢的问题，缓解路面结构对冻土的热扰动，提高冻土稳定性，对高原冻土区的公路建设具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，所述路面结构是利用大空隙沥青混合料骨架，依次分层地灌注具有不同热导率的水泥基材料至沥青混合料骨架空隙中，在骨架内形成两到多层水泥基材料固化层的面层，其中水泥基材料固化层的热导率从上至下依次减小。

作为本发明的一种改进，所述大空隙沥青混合料骨架的空隙率为20％～40％。

作为本发明的一种改进，所述水泥基材料的主要成分至少为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥或氟铝酸盐水泥中的一种，初始流动度为9～18s。

作为本发明的另一种改进，所述两到多层水泥基材料固化层的热导率从上至下依次增加是通过将不同种类、不同用量的高/低导热粉体掺加至水泥基材料中实现的。

作为本发明的又一种改进，所述面层是通过第一次用由热导率为0.01～0.1W/m·K的第一类粉体改性的水泥基材料，第二次用由热导率为0.1～60W/m·K的第二类粉体改性的水泥基材料，第三次用由热导率为80-130W/m·K的第三类粉体改性的水泥基材料，对大空隙沥青混合料骨架依次灌注后形成的热导率呈三层梯度分布的复合结构。

作为本发明的更进一步改进，所述的第一类粉体，所用粉体材料至少为漂珠、云母粉、玻璃微珠、炉渣或粉煤灰中的一种，其掺加量为第一次灌注时水泥基材料用量的10％～20％。

作为本发明的更进一步改进，所述的第二类粉体，所用粉体材料至少为漂珠、云母粉、玻璃微珠、炉渣、粉煤灰、碳化硅或石墨中的一种，其掺加量为第二次灌注时水泥基材料用量的1％～10％。

作为本发明的更进一步改进，所述的第三类粉体，所用粉体材料至少为碳化硅或石墨中的一种，其掺加量为第三次灌注时水泥基材料用量的10％～20％。

作为本发明的更进一步改进，所述的由第一类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为10-20cm，由第二类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为5-15cm，由第三类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为0-10cm。

相比于现有的技术，本发明具有如下特点和优势：

(1)通过借助路面中大空隙沥青混合料骨架结构，依次分层灌注不同热导率的灌浆填充骨架空隙，并在面层内部形成“上大下小”的梯度热导率的灌浆固化层，使得路面内的热量趋于沿着热导率增大的方向传导，因而在夏季由于梯度导热路面结构所具有的梯度热导率，热量下传困难，在达到平衡后，热量会更倾向于向路表面传导，从而减少了夏季路面吸热；在冬季，冻土路基的温度高于环境温度，热量从路基穿过路面向环境传导，路面所具有的梯度热导率结构会加速热量向外释放。

(2)在该结构中，通过降低下层灌浆的导热性，减少夏季经面层向路基和冻土层传递的热量；又通过提高上层灌浆的导热性，促进冬季路面内部热量向外界环境释放，减少路面积累的热量；再通过改变中层灌浆的导热系数使其与上层和下层形成“上大下小”的梯度热导率结构，诱导热量向上快速传递，有效维护冻土热量平衡，提高冻土稳定性。

(3)本发明以大空隙沥青混合料为骨架，以水泥基材料为载体，在灌注时借助灌浆的高流动性运输高比例含量的高/低导热粉体材料进入路面内部，并填充面层骨架的空隙，既能提高的面层导热性的改变上限，又能借助灌浆料的良好性能避免掺加粉体材料对路面力学结构的不良影响。

(4)本发明能通过灌浆自然流动运输导热粉体进入沥青混合料骨架的空隙中，而不是直接掺加至沥青混合料中，避免在路面施工搅拌或碾压时发生粉体结构破坏，最大程度的提高导热粉体的改性效果和路面的热诱导作用，有效调节路面热量收支。

(5)该结构是通过采用高强灌浆料依次分层灌注大空隙沥青混合料骨架而形成，结构具有很强的高温稳定性，能够更好的适应大温差下的路面内热传导。

(6)本发明所使用的粉体均为交通公路领域的常见材料，材料来源广，价格成本低，且对灌浆料以及路面使用性能无不良影响，结构更加经济实用，在公路建设中适用性广。

(7)本发明既能减少夏季进入路面并下传至路基和冻土层的热量，又能在冬季加速路基内热量向外界环境释放，赋予路面层阻热导冷的功能，有效缓解冻土融沉，保护冻土稳定性，提高高原冻土区公路建设的安全性。

附图说明

图1为本发明的路面结构示意图；

图2为本发明实施例2室内模拟光照实验的示意图；

图3为本发明实施例2在对比实验中温度随时间变化的曲线图；

图4为本发明实施例3在对比实验中温度随时间变化的曲线图。

图中：1.第一类粉体改性的水泥基材料、2.第二类粉体改性的水泥基材料、3.第三类粉体改性的水泥基材料、4.基体沥青混合料、5.路基、6.支架、7.碘钨灯、8.实验样本、9.保温箱、10.温度巡检仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，如图1所示，该路面结构是利用大空隙沥青混合料骨架4，依次分层地灌注具有不同热导率的水泥基材料1-3至沥青混合料骨架空隙中，在骨架内形成两到多层水泥基材料固化层的面层，其中水泥基材料固化层的热导率从上至下依次减小。大空隙沥青混合料骨架4矿料的级配为GCA-13、GCA-16、GCA-20、SFAC-13、SFAC-16、SFAC-20或SFAC-25中的一种，骨架空隙率为20％～40％，沥青含量为2％～6％的改性沥青；水泥基材料1-3为专用灌浆材料，初始流动度为9～18s，水灰比为0.25～0.35，主要成分至少为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥或氟铝酸盐水泥中的一种，另外包括其他无机胶结料、有机胶结料、强度提升剂及抗收缩剂等。所述面层是通过第一次用由热导率为0.01～0.1W/m·K的第一类粉体改性的水泥基材料1，第二次用由热导率为0.1～60W/m·K的第二类粉体改性的水泥基材料2，第三次用由热导率为80-130W/m·K的第三类粉体改性的水泥基材料3，对大空隙沥青混合料骨架4依次灌注后形成的热导率呈三层梯度分布的复合结构。其中，所述的第一类粉体，所用粉体材料至少为漂珠、云母粉、玻璃微珠、炉渣或粉煤灰中的一种，其掺加量为第一次灌注时水泥基材料用量的10％～20％。所述的第二类粉体，所用粉体材料至少为漂珠、云母粉、玻璃微珠、炉渣、粉煤灰、碳化硅或石墨中的一种，其掺加量为第二次灌注时水泥基材料用量的1％～10％。所述的第三类粉体，所用粉体材料至少为碳化硅或石墨中的一种，其掺加量为第三次灌注时水泥基材料用量的10％～20％。所述的由第一类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为10-20cm，由第二类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为5-15cm，由第三类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为0-10cm。所使用的粉体均为交通公路领域的常见材料，材料来源广，价格成本低，且对灌浆料以及路面使用性能无不良影响，结构更加经济实用，在公路建设中适用性广。

在该结构中，不同热导率的水泥基材料被依次灌注至同一个大空隙沥青混合料骨架中，在面层内部形成“上大下小”的梯度热导率的灌浆固化层，使得路面内的热量趋于沿着热导率增大的方向传导，因而在夏季由于梯度导热路面结构所具有的梯度热导率，热量下传困难，在达到平衡后，热量会更倾向于向路表面传导，从而减少了夏季路面吸热；在冬季，冻土路基的温度高于环境温度，热量从路基穿过路面向环境传导，路面所具有的梯度热导率结构会加速热量向外释放，从而实现该结构“阻热导冷”的功能，减小路面结构对冻土的热扰动，维护冻土稳定性。

实施例2

一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，该路面结构是利用大空隙沥青混合料骨架4，依次分层地灌注具有不同热导率的水泥基材料1-3至沥青混合料骨架空隙中，在骨架内形成两到多层水泥基材料固化层的面层，其中水泥基材料固化层的热导率从上至下依次减小。大空隙沥青混合料骨架4矿料的级配为GCA-16，骨架空隙率为27％，沥青含量为3％的SBS改性沥青；水泥基材料1-3为南京兴佑交通科技有限公司GR300型专用灌浆料，初始流动度分为12s、11s、14s，水灰比为0.35，主要成分为硅酸盐水泥，另外包括其他无机胶结料、有机胶结料、强度提升剂及抗收缩剂。所述面层是通过第一次用由热导率为0.05W/m·K的第一类粉体改性的水泥基材料1，第二次用由热导率为60W/m·K的第二类粉体改性的水泥基材料2，第三次用由热导率为130W/m·K的第三类粉体改性的水泥基材料3，对大空隙沥青混合料骨架4依次灌注后形成的热导率呈三层梯度分布的复合结构。其中，所述的第一类粉体，所用粉体材料为漂珠，其掺加量为第一次灌注时水泥基材料用量的15％。所述的第二类粉体，所用粉体材料为碳化硅，其掺加量为第二次灌注时水泥基材料用量的5％。所述的第三类粉体，所用粉体材料为石墨，其掺加量为第三次灌注时水泥基材料用量的10％。所述的由第一类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为10cm，由第二类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为5cm，由第三类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为2cm。在该结构中，由于第一类粉体改性的水泥基材料1的热导率小于大空隙沥青混合料骨架4，使得面层下部的导热性降低，进而减少在夏季由路面吸收并传递至路基和冻土层的太阳辐射热量；由于第三类粉体改性的水泥基材料3的热导率大于大空隙沥青混合料骨架4，因此提高了面层上部的导热性，促进冬季路面内部热量向外界环境释放，减少路面积累的热量；再通过改变面层中部灌浆的导热系数使面层形成“上大下小”的梯度热导率结构。由于热量趋于沿着热导率增大的方向即热阻较小的方向传导，本发明既能减少夏季进入路面并下传至路基和冻土层的热量，又能在冬季加速路基内热量向外界环境释放，赋予路面层阻热导冷的功能，有效缓解冻土融沉，保护冻土稳定性，减少高原冻土区因冻土融沉导致的路面病害。

为了验证该路面结构的有效性，在室内进行了模拟太阳光照的实验，对比该结构与普通路面的温度变化。试验系统见图2，采用500W的碘钨灯7放置于支架6上模拟太阳辐射，将实验样本8放置在保温箱9中隔热。为了分别模拟路面白天吸热和夜晚放热的状态，将实验样本8在模拟光源下照射6小时，然后关闭碘钨灯放热6小时，使用温度巡检仪10测量和记录灌注式梯度导热路面结构和普通灌注式路面的温度变化情况。

附图3为实验记录的温度变化结果。从图中可以看出，在模拟夏季太阳光照下路面吸热的时期，即0～360min，梯度导热路面结构在距离路基较近的深度位置，内部温度始终低于普通路面，说明在吸热期灌注式梯度导热路面结构能够减少经面层吸收并向下传递至路基及冻土层的热量，降低热量向结构更深处的下传效率，反映为面层上部温度高于普通路面，而面层下部的温度则相对更低。一方面，梯度导热结构的下部导热性弱，面层向路基以下结构的传热量少，能够有效降低冻土层的热量吸收。另一方面，由于结构中的灌浆固化层呈现导热系数为“上大下小”的布置，使得进入路面的热量在下传的过程中进一步受到梯度热导率的抑制作用，进一步缓解了夏季冻土层受到的热扰动。而在360～720min的放热阶段，梯度导热结构的内部温度降低速率大于普通路面，说明更多的热量经过梯度导热路面结构释放至外部环境中。在冬季，具有“上大下小”梯度热导率的灌注式梯度导热路面结构会促进热量向上传递并释放至外部环境的趋势，加速疏导冻土向环境的冷量输出，有效减少结构积累的热量，维护冻土热平衡状态。

实施例3

为了验证本发明由两次灌注形成的灌注式梯度导热路面结构的有效性，与通过将粉体直接加入沥青混合料中形成的普通梯度导热路面结构的传热效果对比，进行了室内照射实验。

制作一个大空隙沥青混合料骨架4车辙板试件，尺寸为300×300×100mm，依次分层地灌注具有不同热导率的水泥基材料2-3至大空隙沥青混合料骨架4空隙中，在骨架内形成两层水泥基材料固化层，其中水泥基材料固化层的热导率从上至下依次减小。大空隙沥青混合料骨架4矿料的级配为GCA-13，骨架空隙率为23％，沥青含量为4.5％的SBS改性沥青；水泥基材料2-3为南京兴佑交通科技有限公司GR300型专用灌浆料，初始流动度分为12s和14s，水灰比为0.35，主要成分为硅酸盐水泥，另外包括其他无机胶结料、有机胶结料、强度提升剂及抗收缩剂。灌注式梯度导热路面结构的制作是第一次用由热导率为60W/m·K的第二类粉体改性的水泥基材料2，第二次用由热导率为130W/m·K的第三类粉体改性的水泥基材料3，对大空隙沥青混合料骨架4依次灌注，形成热导率呈两层梯度分布。其中，所述的第二类粉体，所用粉体材料为碳化硅，其掺加量为第一次灌注时水泥基材料用量的5％。所述的第三类粉体，所用粉体材料为石墨，其掺加量为第二次灌注时水泥基材料用量的10％。所述的由第二类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为10cm，由第三类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为5cm。再采用分别将粉体直接掺加至沥青混合料中的方法，分别制作两个大空隙沥青混合料骨架4车辙板试件，试件成分组成与上述试件相同，尺寸均为300×300×50mm，并将两个试件垂直叠加为300×300×100mm的两层，其中第一层骨架中掺加粉体材料的类别和用量与上述灌注式梯度导热路面结构中第一层水泥基材料固化层中的相同，第二层骨架中掺加粉体材料的类别和用量与上述灌注式梯度导热路面结构中第二层水泥基材料固化层中的相同。使用无粉体改性的普通GR300型专用灌浆料对两层骨架灌注制作形成普通梯度导热路面结构。

实验结果见附图4，该图给出了灌注式梯度导热路面结构(实验组)和普通梯度导热路面结构(对照组)的表面和10cm深度的温度随时间变化。两种结构掺加的粉体材料类型和用量相同，但不同的温度变化表现为：在0～360min的向下传热期，灌注式梯度导热路面结构表面升温率高于普通梯度导热路面结构，而10cm深度的升温率低于普通梯度导热路面结构，在360～720min的向上传热期，实验组结构在表面和10cm深度处的降温速率均高于对照组。由于灌注式梯度导热路面结构的制作是通过灌浆自然流动运输导热粉体进入沥青混合料骨架的空隙中，而不是直接掺加至沥青混合料中，避免在路面施工搅拌或碾压时发生粉体结构破坏，最大程度的提高了导热粉体的改性效果和路面的热诱导作用，有效调节路面热量收支。相对于普通梯度导热路面结构，灌注式梯度导热路面结构形成的梯度热导率在向下传热期有更强的阻热效应，能够更好的抑制结构上部的热量向下传递，而在向上传热期也能发挥更强的梯度导热效果，加速结构下部热量向上传递并释放至环境中，使得结构温度下降更快。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：该路面结构是利用大空隙沥青混合料骨架，依次分层地灌注具有不同热导率的水泥基材料至沥青混合料骨架空隙中，在骨架内形成两到多层水泥基材料固化层的面层，其中水泥基材料固化层的热导率从上至下依次减小。

2.根据权利要求1所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述大空隙沥青混合料骨架的空隙率为20％～40％。

3.根据权利要求1所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述水泥基材料的主要成分至少为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥或氟铝酸盐水泥中的一种，初始流动度为9～18s。

4.根据权利要求1所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述两到多层水泥基材料固化层的热导率从上至下依次减小是通过将不同种类、不同用量的高/低导热粉体掺加至水泥基材料中实现的。

5.根据权利要求1所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述面层是通过第一次用由热导率为0.01～0.1W/m·K的第一类粉体改性的水泥基材料，第二次用由热导率为0.1～60W/m·K的第二类粉体改性的水泥基材料，第三次用由热导率为80-130W/m·K的第三类粉体改性的水泥基材料，对大空隙沥青混合料骨架依次灌注后形成的热导率呈三层梯度分布的复合结构。

6.根据权利要求5所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述的第一类粉体，所用粉体材料至少为漂珠、云母粉、玻璃微珠、炉渣或粉煤灰中的一种，其掺加量为第一次灌注时水泥基材料用量的10％～20％。

7.根据权利要求5所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述的第二类粉体，所用粉体材料至少为漂珠、云母粉、玻璃微珠、炉渣、粉煤灰、碳化硅或石墨中的一种，其掺加量为第二次灌注时水泥基材料用量的1％～10％。

8.根据权利要求5所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述的第三类粉体，所用粉体材料至少为碳化硅或石墨中的一种，其掺加量为第三次灌注时水泥基材料用量的10％～20％。

9.根据权利要求5所述的一种基于大空隙沥青混合料骨架的灌注式梯度导热路面结构，其特征在于：所述的由第一类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为10-20cm，由第二类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为5-15cm，由第三类粉体改性的水泥基材料的灌注深度为0-10cm。

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