CN105088912A - 一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构及铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，由反射涂层、阻热面层以及碎石路基组成，分别从控制热辐射、热传导和热对流三种形式来降低冻土路基温度。本发明提供的“阻-通”耦合型降温结构，与现有的冻土路基降温技术比较有以下不同点：1)既有路基降温措施(碎石路基的通风散热作用)，又有路面降温措施(反射涂层和阻热面层的阻热作用)，实现路面路基一体化降温；2)已有的技术往往只在某一种形式上起到降温作用(即控制热辐射、热传导和热对流其中的一种)，而阻-通”耦合结构实现三种形式降温作用的耦合。本发明既适用于窄幅路基，又可以适用于宽幅路基，对提高冻土路基的热稳定性以及缓解融沉效应对路面结构的不利影响效果显著。

Description

一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构及铺设方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，能够用于降低多年冻土区高等级公路宽幅路基温度，提高冻土路基的热稳定性以及缓解融沉效应对路面结构的不利影响。

背景技术

青藏高速公路全长约1100公里，是国家“71118”高速公路网中京藏高速尚未建设的最后一段，也是西藏自治区唯一一条纳入国家高速公路网的公路项目。西藏自治区是我国目前唯一没有高速公路通达内地的省(区)，被称为高速公路的“拉萨孤岛”，严重制约着西藏地区社会经济的发展。建设青藏高速公路对西藏地区的经济发展、全面建设小康社会意义重大。然而建设青藏高速最大的技术难题在于多年冻土的保护。

冻土是一种温度敏感性极强且热稳定性很差的土类，其物理力学性质随外界环境的热扰动而产生剧烈变化。受全球气候变暖的影响，青藏高原多年冻土处于退化过程，使得该地区冻土上限不断降低、冻土层厚度逐渐减小，加剧了融沉变形的产生和路面结构的破坏。此外，我国公路主要采用沥青路面结构，与俄罗斯以及北美等地区普遍采用的砂石路面相比，路基表面吸收的辐射量急剧增加，反射率大大减小，进一步加剧了冻土的退化。

为了降低冻土温度和提高冻土路基的热稳定性，国内外学者提出了一系列多年冻土路基工程稳定技术，绝大多集中在路基方面，采取的措施主要包括设置片块石层、铺设保温隔热材料、布设热棒和通风管等，少数研究通过改变路面结构热参数来降低冻土路基温度，如采用硅藻土沥青混凝土以及单方向热传导路面结构等。

已有的冻土路基降温技术大多是基于铁路或二级及以下较低等级公路的窄幅路基(路基宽度≤10m)所开展的，这些措施虽然在窄幅路基中的应用效果较好，但是不一定适用于高等级公路宽幅路基(路基宽度≥24.5m)，其主要原因如下所述：

(1)就块(碎)石路基而言，当窄幅路基变为宽幅路基后，一方面沥青路面宽度大幅增加，使得路基吸收的热量增大。另一方面在保持块石层合理厚度的前提下，路堤中间区域将很难出现自然对流，对土体发挥降温作用也将减弱。

(2)保温隔热层在暖季虽然可以起到很好的隔热作用，但在冷季也阻断了外界冷量进入路基。从长远效果来看，保温隔热层不能改变路基吸热的趋势，在宽幅路基条件下，单一保温板措施无法减少冻土路基内部长期热量的积累。

(3)热棒路基。热棒可以主动冷却冻土路基，但限于热棒的制冷功率，一般热棒冷却土体的有效作用半径为2m左右，路基宽度增大后，热棒的埋设密度、布设形式等都要发生改变。同时，热棒路基仅能在冷季发挥作用，在暖季无法起到保护冻土的作用，因此采用单一的热棒措施，对宽幅路基的适用性尚需进一步的研究。

(4)通风管路基。采用高速公路后，由于路基宽度大幅度增加，使得路基内通风管长度增加，管内空气的对流作用将减弱，通风管的主动降温功能将受到影响。且在暖季由于热空气进入后很难排除，造成路基吸热量增加。

(5)改变路面结构热参数的降温措施，其作用原理类似于隔热层，对于宽幅路基的降温效果同样有待研究。

总之，现有的多年冻土区路基降温技术均具有各自的局限性，无法满足青藏高速公路宽幅路基的需要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构及铺设方法，以解决多年冻土区高等级公路采用宽幅路基后吸热量增加、融沉效应加剧等问题，从而提高冻土路基热稳定性，缓解由于融沉附加变形导致的路面结构破坏。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，包括由上至下设置的反射涂层、阻热面层和碎石路基。分别从控制热辐射、热传导和热对流三种形式来降低冻土路基温度：①通过路表反射涂层来减小进入路基路面结构的太阳辐射热；②通过热导系数较小的阻热面层来控制热量向冻土路基的热传导过程；③通过设置碎石层，加强了路基与外界环境的热对流过程，从而将路基路面吸收的热量及时散出。上述降温作用中，①、②为路面降温措施，反应了“阻”的功能；③为路基降温措施，反应了“通”的作用。

进一步的，反射涂层位是一种涂布于沥青层表面的功能性材料，可以改善沥青路面的黑色特性，通过提高太阳辐射反射率来减少路面结构的吸热量，其反射率为0.3。

进一步的，所述阻热面层采用SBS改性沥青，油石比为5.5％，包括集料、填料和生蛭石粉，所述生蛭石粉质量占集料的质量10％，通过在集料中添加生蛭石粉来降低沥青混凝土的导热系数。

进一步的，所述集料为玄武岩，填料为石灰岩矿粉。

进一步的，所述阻热面层厚度为4cm，热传导系数为0.570W/(m·K)，比热容为613.24J/(Kg·K)。

进一步的，所述阻热面层的矿料级配为AC-13C。

进一步的，所述阻热面层的矿料级配为：尺寸为16mm的方孔筛，矿料通过率为100％；尺寸为13.2mm的方孔筛，矿料通过率为96％；尺寸为9.5mm的方孔筛，矿料通过率为70％；尺寸为4.75mm的方孔筛，矿料通过率为43％；尺寸为2.36mm的方孔筛，矿料通过率为32％；尺寸为1.18mm的方孔筛，矿料通过率为23％；尺寸为0.6mm的方孔筛，矿料通过率为17％；尺寸为0.3mm的方孔筛，矿料通过率为12％；尺寸为0.15mm的方孔筛，矿料通过率为8％；尺寸为0.075mm的方孔筛，矿料通过率为6％。

进一步的，所述碎石路基层底距离天然地面以上0.5m，厚度为1.5m，且其粒径范围为6～8cm。

进一步的，所述碎石路基的比热容约为839J/(Kg·K)，热传导系数约为0.396W/(m·K)。

一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构的铺设方法：

步骤一：距离天然地面以上0.5m设置碎石路基，碎石路基的厚度设置成1.5m厚；

步骤二：在碎石路基上面设置厚度为4cm的阻热面层；

步骤三：在阻热面层上设置反射率为0.3的反射涂层。

有益效果：本发明提供的一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，首先通过涂布于路表的反射涂层反射一部分太阳辐射热，减小了沥青路面吸收的热量，而后由于阻热面层的阻热作用，进一步阻碍了热量向下部路面结构以及冻土路基的传递，最后在碎石路基通风散热的作用下，将进入冻土路基的热量散出。在三者耦合作用下，使得冻土路基内部积累的热量降到最低值，最大限度地提高了冻土路基的热稳定性，有效延缓了多年冻土的退化，缓解了融沉效应带来的不利影响。本发明提供的“阻-通”耦合型降温结构克服了现有冻土路基稳定技术中存在的不足，不仅适用于窄幅路基，对高等级公路宽幅路基的处治效果同样很好，可以考虑在青藏高速公路建设中使用。

附图说明

图1为“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构示意图；

图2为本“阻-通”耦合结构中反射涂层示意图；

图3为本“阻-通”耦合结构中用于改变阻热面层导热性能的生蛭石粉示意图；

图4为不同工程措施条件下5～20年温度变化曲线图；

图5为不同工程措施条件下融深与路基宽度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

1)降温作用的改进

已有的冻土路基降温技术要么仅在路基方面采取措施，要么只针对路面结构，并没有实现路面路基一体化降温；此外，已有的技术往往只在某一种形式上起到降温作用(即控制热辐射、热传导和热对流其中的一种)，并没有实现各种降温作用的耦合。

本发明提供的“阻-通”耦合型结构有效地解决了上述问题，在通风散热路基基础上，通过改变路面结构的反热辐射性能和导温性能，从而实现路面路基一体化降温的结构。如图1所示，“阻-通”耦合型结构由反射涂层1、阻热面层2以及碎石路基3组成，其降温作用包括三部分：

(1)通过在沥青路面表面设置反射涂层来提高沥青路面对太阳辐射的反射率，减小进入路基路面结构的热流量；

(2)通过设计热导系数较小的沥青面层来阻碍热量向冻土路基的传递；

(3)通过碎石路基的通风散热作用将路基路面吸收的热量及时散出，从而降低冻土路基温度。

2)“阻-通”耦合型结构的设计

(1)反射涂层。反射涂层是一种涂布于沥青层表面的功能性材料，可以改善沥青路面的黑色特性，通过提高太阳辐射反射率来减少路面结构的吸热量，目前常用于缓解城市热岛效应和减轻沥青路面高温车辙病害。选取日本白色纳米高反射涂层材料(如图2所示)，课题组通过对含有反射涂层的沥青路面进行温度测试和参数反算，得到反射涂层的反射率约为0.5。然而已有的研究成果表明，反射涂层太阳辐射反射率通常在0.4～0.8之间，且随着使用年限的增加，反射率会大幅度下降。因此，为了考虑反射涂层的长期降温作用，“阻-通”耦合型结构降温效果验证时(见下文)选取反射涂层反射率为0.3。

(2)阻热面层。阻热面层所用生蛭石粉(如图3所示)是一种热导系数小、耐火性好以及抗化学腐蚀能力强的材料，具有很好的保温隔热性能，常用于房屋保温材料、防火填充料等，其物理参数如表1所示。通过在集料中添加生蛭石粉来降低沥青混合料的导热系数，并通过试验测量不同掺量沥青混合料的热参数，考虑到生蛭石粉对沥青混合料力学性能的影响，试验时最大掺量定为10％(占集料总质量的百分比)。

表1生蛭石粉物理参数表

表2AC-13目标配合比

成型马歇尔试件时集料采用玄武岩，填料为石灰岩矿粉，矿料级配为AC-13，目标配合比例如表2所示。采用SBS改性沥青，油石比为5.5％。对5种生蛭石粉掺量(0％、4％、6％、8％和10％)的沥青混合料进行试验，每一掺量制作5个马歇尔试件，共25组试验。采用Mathistci热分析仪对这25个试件的热传导系数和比热容进行测试，试验结果如表3所示。

可以看出，随着生蛭石粉掺量的增加，沥青混合料的热传导系数和比热容均减小。为了最大程度上减少进入冻土路基的热量，所述“阻-通”耦合型结构选用生蛭石粉掺量为10％的沥青混合料作为阻热面层材料。

表3沥青混合料热参数试验结果

(3)碎石路基。已有的研究成果表明，碎石路基的降温效果和碎石的粒径大小以及碎石层的厚度密切相关，碎石的粒径为6～8cm时，其通风散热效果最优，且碎石层存在一个最佳厚度，当厚度太大或太小时均会降低碎石路基的降温效果，其最佳厚度应根据现场实际条件确定。本文选用1.5m厚，粒径为6～8cm的碎石路基作为耦合结构的通风散热层，其物理参数如表4所示。

表4碎石层物理参数表

3)“阻-通”耦合型结构降温效果验证

为了验证“阻-通”耦合型结构优异的降温效果以及对宽幅路基的适用性，利用有限元方法对普通路基、碎石路基以及“阻-通”耦合型路基温度场进行对比分析，同时，对三种路基融深变化规律进行研究，结果如下所述：

(1)不同工程措施条件下路基温度对比。以路基中心线5m深度处作为温度考查点，不同工程措施条件下路基5～20年温度变化如图4所示，可以看出，在相同的时间条件下，阻通耦合路基温度最低，碎石路基其次，普通路基温度最高；随着时间增加，三种路基温度均呈升高趋势，普通路基温度升高幅度最大，阻通耦合路基温度升高幅度最小；相比于其它两种路基，阻通耦合路基温度升高最慢、热稳定性最好，对天然冻土的扰动最小。

(2)不同工程措施条件下融深随路基宽度变化规律对比。不同工程措施路基不同年份中心线处最大融深随宽度的变化如图5所示，可知，在选取的宽度范围内，融深由小到大依次为阻通耦合路基<碎石路基<无工程措施路基；随着路基宽度的增加，碎石路基最大融深与无工程措施最大融深之差大体呈减小趋势，这是由于路基宽度的增加抑制了碎石层中自然对流的形成，从而减弱了碎石路基对流散热的作用，对土体的降温作用也将减弱，所以在多年冻土区宽度较大的路基中不宜使用单一的碎石路基措施；随着路基宽度的增加，阻通耦合路基与普通路基融深之差、阻通耦合路基与碎石路基融深之差均逐渐增加，这是由于阻通耦合路基不仅可以通过碎石层散热，而且可以通过反射涂层、阻热面层阻断外界热量传入路基，虽然碎石层的通风散热作用随着路基宽度的增加有所减弱，但是反射涂层、阻热面层的阻热作用随路基宽度的增加而增强，在三者的综合作用下，阻通耦合路基的降温效果总体随路基宽度的增加而增强；故阻通耦合路基对于宽幅路基的处治效果最优，可以考虑在青藏高速公路建设中使用。

本发明“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构的铺设方法：

步骤一：距离天然地面以上0.5m设置碎石路基，碎石路基的厚度设置成1.5m厚；

步骤二：在碎石路基上面设置厚度为4cm的阻热面层；

步骤三：在阻热面层上设置反射率为0.3的反射涂层。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：包括由上至下设置的反射涂层(1)、阻热面层(2)和碎石路基(3)。

2.根据权利要求1所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述反射涂层(1)的反射率为0.3。

3.根据权利要求1所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述阻热面层(2)采用SBS改性沥青，油石比为5.5％，包括集料、填料和生蛭石粉，所述生蛭石粉质量占集料的质量10％。

4.根据权利要求3所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述集料为玄武岩，填料为石灰岩矿粉。

5.根据权利要求3所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述阻热面层(2)厚度为4cm，热传导系数为0.570W/(m·K)，比热容为613.24J/(Kg·K)。

6.根据权利要求4所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述阻热面层(2)的矿料级配为AC-13C。

7.根据权利要求6所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述阻热面层(2)的矿料级配为：尺寸为16mm的方孔筛，矿料通过率为100％；尺寸为13.2mm的方孔筛，矿料通过率为96％；尺寸为9.5mm的方孔筛，矿料通过率为70％；尺寸为4.75mm的方孔筛，矿料通过率为43％；尺寸为2.36mm的方孔筛，矿料通过率为32％；尺寸为1.18mm的方孔筛，矿料通过率为23％；尺寸为0.6mm的方孔筛，矿料通过率为17％；尺寸为0.3mm的方孔筛，矿料通过率为12％；尺寸为0.15mm的方孔筛，矿料通过率为8％；尺寸为0.075mm的方孔筛，矿料通过率为6％。

8.根据权利要求1所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述碎石路基(3)层底距离天然地面以上0.5m，厚度为1.5m，且其粒径范围为6～8cm。

9.根据权利要求8所述一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构，其特征在于：所述碎石路基(3)的比热容约为839J/(Kg·K)，热传导系数约为0.396W/(m·K)。

10.一种“阻-通”耦合型路基路面一体化降温结构的铺设方法，其特征在于：

步骤一：距离天然地面以上0.5m设置碎石路基(3)，碎石路基(3)的厚度设置成1.5m厚；

步骤二：在碎石路基(3)上面设置厚度为4cm的阻热面层(2)；

步骤三：在阻热面层(2)上设置反射率为0.3的反射涂层(1)。