納米高嶺土對瀝青路面溫敏性的影響實驗

陳昊，旺久，王亞萍

西藏大學 工學院，西藏拉薩，850000

0 引言

凍土是高原地區(qū)特有的一種生態(tài)資源，但凍土循環(huán)凍融導致的路基病害卻是西藏等高原地區(qū)道路的主要病害，高原地區(qū)日暖夜寒的天氣特點極易造成凍土層的熱脹冷縮，從而造成路基嚴重傾斜，形成“起伏”的道路路況以及路面開裂，嚴重影響交通通行及行車安全。通過大量的實踐經(jīng)驗總結(jié)和理論分析，公路工程人員采用了多種工程措施以維持凍土的穩(wěn)定性，如通風管、熱棒、柔性路面等，保證路基不會發(fā)生較大變形，以期從本質(zhì)上解決西藏地區(qū)道路存在的凍土循環(huán)凍融問題，然而效果并不理想。而隨著西藏地區(qū)地高速發(fā)展，對于道路設施的相關(guān)要求也越來越高，因此解決凍土循環(huán)凍融已迫在眉睫。長期以來，為了保護凍土的這種循環(huán)凍融，人們從材料、施工、結(jié)構(gòu)等各方面入手，應用了大量富有創(chuàng)新且卓有成效的舉措，本文就面層基質(zhì)材料的溫敏性改性進行探究，以期在保護凍土這一特有生態(tài)資源的前提下，尋找解決凍土循環(huán)病害的新方向。

1 材料

1.1 實驗材料

本實驗的基質(zhì)瀝青是由G109安多段養(yǎng)護站提供的AC-13基質(zhì)瀝青，改性劑采用10000目納米級高嶺土將基質(zhì)瀝青與不同摻量的納米高嶺土混合并制成瀝青膠漿[1]。

1.2 試樣制備

將納米高嶺土放置在烘箱中做干燥處理，然后稱取6組適量的基質(zhì)瀝青于盛樣容器中，將瀝青緩慢加熱至140℃，恒溫約1h，直至瀝青成流動狀態(tài)后，立即加入瀝青質(zhì)量的3%、5%、7%、9%、11%高嶺土于相應的基質(zhì)瀝青盛樣容器中，機械攪拌15~20min，使納米高嶺土分散溶解。利用上述的納米高嶺土改性瀝青分別制作出AC-13混合料的標準馬歇爾試件，采用鉆孔埋植溫度傳感器獲取試件不同深度處的溫度并對其導熱性能進行實驗分析[2]。

1.3 制作隔熱罩

用紙盒圍成一上下中空、四面圍繞的正方體，用隔熱石棉布進行覆蓋，當實驗時用該立方體包圍加熱或降溫實驗臺的實驗塊，形成隔熱罩，排除溫度逸散及風力的影響，且將實驗儀器置于室內(nèi)，避免太陽光照射等外部溫度影響，見圖1。

2 納米高嶺土改性瀝青導熱性實驗

2.1 恒溫加熱臺加熱實驗

將實驗環(huán)境置于室內(nèi)，量取外界環(huán)境溫濕度數(shù)值，選擇溫濕度無變化或變化較小的時間段開展實驗，避免太陽光照射、空氣溫濕度變化等外部影響因素，設置15℃、20℃、25℃、30℃、35℃的加溫間隔區(qū)間，將恒溫加熱臺調(diào)至區(qū)間起始溫度15℃并待設備達到并維持所需溫度后將5種不同摻量的改性瀝青混合料塊及對照組基質(zhì)瀝青料擊實塊放于表面加熱，用模擬的隔溫室圍繞恒溫加熱臺，排除溫度逸散及風力的影響，每2min讀取一次溫度傳感器數(shù)據(jù)，分別記錄2cm、4cm處的溫度變化，在15℃下重復實驗3次，將所得數(shù)據(jù)求取平均值并進行記錄，重復該步驟，分別實驗并得出2cm、4cm處其他設定溫度區(qū)間內(nèi)各種溫度下的變化[3]，實驗裝置如圖2。

本實驗分別選取納米高嶺土摻量為0%、3%、5%、7%、9%、11%的瀝青混合料，探究它們的加熱傳導性能，得出2cm與4cm處15℃、20℃、25℃、30℃、35℃等溫度下實驗塊隨時間的溫度變化，以25℃為例，見表1。

表1 納米高嶺土改性瀝青混合料加熱傳導實驗結(jié)果

2.2 炒酸奶機恒溫冷卻實驗

將實驗環(huán)境置于室內(nèi)，量取外界環(huán)境溫濕度數(shù)值，選擇溫濕度無變化或變化較小的時間段開展實驗，避免太陽光照射、空氣溫濕度變化等外部影響因素，設置0℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃降溫間隔區(qū)間，將炒酸奶機調(diào)至區(qū)間起始溫度0℃并待設備達到并維持所需溫度后將5種不同摻量的改性瀝青混合料塊及對照組基質(zhì)瀝青料擊實塊放于表面降溫[4]，用模擬的隔溫室圍繞恒溫加熱臺，排除溫度逸散及風力的影響，每2min讀取一次溫度傳感器數(shù)據(jù)，分別記錄2cm、4cm處的溫度變化，在0℃下重復3次實驗，將所得數(shù)據(jù)求取平均值并進行記錄，重復該步驟，分別實驗并得出2cm、4cm處其他設定溫度區(qū)間內(nèi)各種溫度下的溫度變化，實驗裝置如圖3。

本實驗分別選取納米高嶺土摻量為0%、3%、5%、7%、9%、11%的瀝青混合料，探究它們的降溫傳導性能，得出2cm與4cm處-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃等溫度下實驗塊隨時間的溫度變化，以-5℃為例，見表2。

表2 納米高嶺土改性瀝青混合料降溫傳導實驗結(jié)果

3 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗分別選取納米高嶺土摻量為0%、3%、5%、7%、9%、11%的瀝青混合料進行恒溫加熱臺加熱實驗與炒酸奶機低溫冷卻實驗，通過實驗得出2cm與4cm處各實驗溫度下的溫度曲線，通過曲線的橫向?qū)Ρ龋笾碌贸?cm與4cm處不同溫度下改變?yōu)r青溫敏性較好的納米高嶺土摻量，進行概率統(tǒng)計[5]，如圖4所示。

4 結(jié)語

①由熱傳導實驗可知納米高嶺土對于瀝青熱傳導性能具有影響，說明將納米高嶺土作為改性劑加入，使得瀝青混合料的溫度敏感性發(fā)生了變化。②由概率統(tǒng)計結(jié)果可知納米高嶺土摻量為7%時納米高嶺土改性瀝青的溫敏性相對較優(yōu)。③納米高嶺土改性劑的加入提高了瀝青在高寒高海拔路段的路用性能，為該方面的研究提供了一個新的方向。