大气混合层（共7篇）
大气混合层 篇1
随着工业化、城市化的迅速发展，人为排放到大气中的气溶胶粒子含量不断增加，大量气溶胶粒子在近地面聚集，当遇到静稳的天气条件时，常形成灰霾。目前，每年出现霾的天数日益增多，程度日趋严重。霾的频发对人类的身体健康、气候变化和生态、环境都造成了很大影响。由于污染物的远程传输，我国已经出现了四个灰霾严重的区域:华北平原、华东区域、华南区域和西南区域。这四大区域人口密集、经济发达，霾天气的频发对这些区域的经济、环境造成了严重影响[1,2,3]。
经过近10年对灰霾的研究，对其发生机制、污染源等已经有了较深入的了解。目前对灰霾的观测方式主要为地面观测，研究大多集中在诸如对霾的化学成分、粒子总量、粒径及其与气象要素的分析上。风速、相对湿度、能见度、逆温层等气象因素和灰霾的关系已有了较深的认识[4,5,6,7,8,9]。然而因早期技术限制，对于灰霾期间大气垂直方向上污染特征的研究较少。已有研究表明，除上述要素外，当污染源排放确定后，大气混合层的高度对灰霾是否发生及轻重有重大影响。混合层是行星边界层的一个重要的特征量，同时也是白天大气边界层中最常见的情况。它是大气与地表直接进行物质和能量交换的界面[3]，其高度就是大气边界层的高度。混合层高度决定了污染物扩散的高度及速度，它对气溶胶的垂直输送、光化学反应等过程非常重要。对它进行研究对于大气环境质量预报乃至采取改善城市大气环境质量都有重要意义[4,5]。大气混合层的特征早期主要由探空实验获得，而传统探空观测一天只有早晚两次，大气混合层的特征只能靠有限的加密观测得到零星的资料，限制了混合层对灰霾影响的研究。
激光雷达可以进行连续不间断的观测弥补了探空等技术手段的缺陷，它可通过探测不同高度大气气溶胶粒子浓度差异，能够提供大气混合层垂直方向上的特征。目前国内外已有许多学者利用激光雷达对混合层特征及光学特性进行了研究。如王珍珠等[6]利用激光雷达在北京城区研究了夏季大气边界层高度的结构变化特征及垂直光学特性;毛敏娟等[7]利用激光雷达确定了南京城市边界层高度逐时变化，初步探讨了地面气象环境对边界层日变化的影响;李成才等[8]利用MODIS卫星和微脉冲激光雷达分析了北京一次污染的气溶胶光学厚度分布特征和消光系数廓线的演变;贺千山等[9]于2002年3月～10月在北京大学利用微脉冲激光雷达分析了混合层高度及结构的演化，并提出了一种新的反演混合层的方法;王雁鹏等[10]研究了霾天气和沙尘天气气溶胶的垂直分布;张婉春等[11]研究了北京一次灰霾天气大气边界层高度特征及其与PM2.5的关系。上述研究虽然获得了大气混合层高度的一些基本特征，但由于时间非常短，是否具有普遍性仍需要更长的资料去验证。现结合气象资料，对2006年9月～2007年11月期间河北香河地区混合层垂直方向的特征进行了分析，它将有助于对大气混合层及其对灰霾的可能影响的理解。
1 数据来源与处理方法
根据气象行业标准《灰霾的观测和预报等级》[12]的定义，在排除其他如沙尘、烟雾、吹雪等天气现象造成的视程障碍后，能见度低于10 km，相对湿度小于95%时，就可判断为灰霾。由于此激光雷达在湿度较大的情况下信号有一定衰减，对判断混合层高度的准确性方面有一定影响。选取能见度小于10 km，相对湿度小于80%的灰霾天和无云无其他天气现象的非灰霾天气。
使用的数据来自中国科学院大气物理所香河大气综合观测试验站2006年8月～2007年11月ALS-300型Mie散射激光雷达EZLidar观测资料及香河站的自动观测站气象资料。EZLidar安装在一部专用雷达车内。观测期间除降水、闪电、低云天气以及必要的维护以外，雷达处于24 h连续运行状态，每隔5 min会自动工作1 min，获取一条廓线资料。垂直分辨率为15 m，探测高度下限为200 m，上限15 km。因雷达维护或天气原因致使有些观测数据缺失。表1列出了观测期间实际各月可用的天数，共计110 d，其中2007年7月只有3 d数据，8月、9月没有数据。夏季因湿度太大，激光不能完全穿透大气，所得的混合层高度偏低，在季节分析时将其剔除。每日的资料从8:00～17:00，激光雷达数据每半小时读取一次并进行处理。
1.1 混合层高度反演方法
雷达原始回波信号经过残留脉冲校正、背景校正、距离校正和重叠区校正后，可获得激光雷达距离平方校正回波信号PR2。在混合层和自由大气的分界处，气溶胶粒子浓度梯度变化最明显。此处PR2信号振幅会急剧增大，存在跃变。信号跃变处所在的高度即为混合层高度。所采用的对混合层高度的反演方法为小波协方差变换法[13]，它是一种基于复合阶跃函数(哈尔函数)，是用于探测信号阶跃变的方法。
小波协方差变换函数fW的定义为
式中，a=nΔz,n=2,4,6,8，……。Δz=15 m，为激光雷达系统的空间分辨率。X(z)为z高度处的PR2信号，zb为雷达探测高度下限，zt为上限。小波协方差变换法反演混合层高度一个关键步骤是a值的选取。当a值太小时，噪音信号会干扰fW最大值的确定，随着a值的增大，fW的峰会变宽，a值过大时会忽略信号的变化，从而无法得到混合层高度。研究显示，n=2时效果较好[14]。现取n=2。
1.2 算法验证
激光雷达可获得回波信号PR2，理论上PR2信号廓线最剧烈变化的高度为混合层顶，但实际应用中只能估计出混合层的大概范围且主观性很大。尤其在颜色对比不强烈的区域，仅由图像很难得出正确的结果(图1)。小波协变换方差法所得到的fW最大值对应的高度为混合层高度，研究认为它能批量地对数据进行处理，得到更为准确、直观的混合层高度[7]。图1为2006年10月23号11:00～17:00PR2信号时序图和fW所确定的混合层高度，两者匹配较好。因此，现采用小波协变换方差法来辨别混合层高度，后文简称MLH。
2 结果分析
2.1 MLH日变化特征
利用小波协变换方差法将观测期间共计110 d的每日MLH进行平均，风速、温度也进行平均，得出了MLH、风速和温度的日变化特征(图2)。从图中可以看到，MLH在早晨8:00～10:00增长缓慢，11:00后MLH迅速增大并在13:00达到峰值，然后逐渐下降。MLH的日变化同温度、风速的变化密切相关，其相关系数分别达0.968和0.58，均通过了0.01的置信度检验。MLH与温度的相关实际反映的是太阳辐射对它的影响。风速则对混合层内湿度、热量、动量和污染物等各种量的输送起了很重要的作用，这些量的输送影响着MLH的发展。由图可以看出，温度和MLH的变化较风速滞后约1 h。早晨随着太阳辐射的逐渐增强，下垫面随之增温，进而加热大气;同时风速增大，湍流动能和热量输送增强，引起了大气湍流作用增强。至中午13:00左右，大气湍流运动达到峰值，MLH也相应达到峰值。随着地面温度的降低，大气湍流运动逐渐减弱，MLH也相应逐渐减弱。
各个季节的MLH日变化特征(图3)同图2的变化特征一样，但春季的MLH明显高于秋、冬两个季节，秋季的MLH在13:30之前明显高于冬季，但在13:30之后却低于冬季的MLH。其原因可能与冬季灰霾日较多有关，灰霾的存在使大气的保温效应增强，使冬季MLH的降幅变得缓慢。
2.2 灰霾天与非霾天大气混合层高度日变化特征
2006年8月～2007年11月，除去降水、闪电、低云天气、夏季以及必要的维护日外，激光雷达实际观测到灰霾天气共计56 d、非灰霾天气54 d。现选取了各季有激光雷达观测的灰霾与非灰霾日数(表2)，由表2可以看出，各个季节均有灰霾天气发生，由于观测资料不完整，表中所列灰霾日数与真实发生的灰霾日数有一定差别。图4清楚地显示出灰霾天与非灰霾天平均的MLH日变化趋势大体相同。8:00～8:30、16:00～17:00这两个时间段灰霾天的MLH略大于非灰霾天，其他时间前者均大于后者，且非灰霾天MLH在中13:00～15:00出现明显峰值，而灰霾天则较为平缓。
将灰霾天的MLH减去非灰霾天的MLH，得到两种天气MLH差值日变化[图5(b)]。各季灰霾天与非灰霾天的MLH日变化趋势也大体相同，均呈现出8:00～13:00或8:00～14:00的快速上升，然后逐渐缓慢波动下降[图5(a)]。但各季的MLH具体的日变化却有相当大的差别:无论有霾还是无霾，春季的MLH总体上高于秋冬两季;秋冬两季混合层的发展相似，MLH较低，大体上秋季的MLH高于冬季。另外，通常认为非灰霾天的MLH要高于灰霾天的MLH，但图5(b)却清楚地显示:(1)春季8:00～16:00，非灰霾天的MLH始终大于灰霾天，最大值出现在9:30～10:30，非灰霾天的MLH较灰霾天最高可达250 m左右，16时以后，灰霾天的MLH却开始大于非灰霾天;(2)秋季8:00～11:00，非灰霾天的MLH却较灰霾天低近0～50 m，只有在11:00～13:30期间，非灰霾天的MLH高于灰霾天0～50 m，其后再次低于灰霾天，最低值达150 m左右，出现在16:30;(3)冬季8:00～10:00，灰霾天的MLH一直高于无霾天，在10时以后，尽管其中有所波动，但非灰霾天的MLH一直高于灰霾天。
2.3 气象条件对MLH的影响
大气湍流的能量主要来源于热力对流和机械剪切，它们对混合层高度的发展有很大的影响。热力对流来自太阳辐射，太阳辐射加热下垫面，大气温度上升，大气向上运动形成不稳定对流，带动物质及能量由下往上的输送，抬升MLH。所以本文用大气温度的变化来代表热力对流的变化。机械剪切能增大湍流动能，促进混合层内动量传递，它常通过风切变来体现。风速大时有利于湍流的发展，能量和物质随着湍流作用向上传输，使混合层的高度升高[12]，所以用风速来代表机械剪切作用的大小。
灰霾天与非灰霾天的温度日变化如图6(a)所示，无论春、秋还是冬季，灰霾天的大气温度均大于非灰霾天，且随着时间而增加。同种天气下，大气温度春季大于秋季，秋季次之，冬季最小。图6(b)为用各个时刻灰霾天减去非灰霾天温度所得到的温度差日变化图。从图6(b)可看出，两种天气的温度差也随时间而增大，除去8:00～9:00这段时间，秋季温度差最大，春季次之，冬季最小。且13:30后冬季温度差有变小的趋势。通常情况下气溶胶会阻挡太阳的短波辐射，使得地面温度降低。同时，又能阻挡地面长波辐射向外发射，使得地面热量向高空扩散减少，地面温度升高。随着时间的增长，地面吸收的太阳辐射加热了大气，温度不断升高。但因为灰霾天气溶胶含量比非灰霾天高，阻挡地面长波辐射向外发射，形成了类似的保温效应，导致了灰霾天大气温度要高于非灰霾天的温度，温度差也随大气温度的升高而增加。但在13:00后，随着太阳辐射的减弱，温度差变化趋缓。灰霾天的温度高于非灰霾天，在理论上大气灰霾天MLH应该高于非灰霾天的MLH，但因灰霾天属于静稳天气，热力引起的湍流非常弱，用温度差很难解释图4的结果。
与温度的日变化相比，风速日变化波动幅度较大，但同温度一样具有近乎相同的日变化规律(图7)。早晨8:00风速小，然后波动上升在中午12:00或13:00左右到达顶峰，然后逐渐缓慢波动下降。三个季节中冬季的风速最大，秋季最小，且三个季节灰霾天风速始终小于非灰霾天。图7(b)则显示了灰霾天与非灰霾天的风速差随时间的变化情况。从图中可以看出，风速差随时间波动较大，基本随时间而增大，其中春季的风速差最小。
因风速代表机械剪切作用的大小，它是湍流的一个重要的组成部分，与温度共同决定了混合层的发展情况。由于灰霾天热力引起的湍流作用较弱，因此机械剪切引起的湍流变化对灰霾天混合层发展过程中的发生的波动影响更为明显，但MLH变化有一定滞后性。图5(b)中，春季8:00～16:00非灰霾天气MLH始终大于灰霾天气，这与图7(b)中风速差相同。图7(b)为各时刻灰霾天风速减去非灰霾天风速得到。灰霾天与非灰霾天MLH的最大差值(250 m)出现时间刚好与这两者最大风速差出现时间相对应，即9:00～10:30。16:00以后，灰霾天的MLH却开始大于非灰霾天，也同样与图7(b)中16:00后灰霾天风速大于非灰霾天相对应。虽然秋季灰霾天风速较小，但与春、冬两季灰霾天和非灰霾天的温度差相比，秋季温度差非常大[图6(b)]，温度成了秋季灰霾天和非灰霾天MLH发展差异的主要因素。尤其早上温度差的快速升高，表明灰霾天获得的湍流热能较非灰霾天高很多，风速差不是很大，于是8:00～11:00出现了灰霾天MLH更高的情况。11:00后，温度变化趋于平缓，而10:00～13:00风速差增大，非灰霾天较大的风速给MLH的发展提供了更多的机械剪切力，由于MLH变化的滞后性，故而在11:00～13:30非灰霾天的MLH略高。之后随着太阳辐射的减小，MLH开始下降。而灰霾天较高的温度有利于MLH的维持，灰霾天与非灰霾天之间逐渐减小的风速差也意味着非灰霾天的机械剪切力优势不再，于是出现了灰霾天MLH高于非灰霾天的情形。冬季8:00～10:30这一时段灰霾天较高的温度利于夜间边界层的维持，因此早上刚开始大气刚开始混合时，灰霾天的MLH一直高于无霾天，随着温度的升高和风速的增大，非灰霾天的MLH增幅变大，直至在10:30以后，尽管其中有所波动，但非灰霾天的MLH一直高于灰霾天。
根据图4，灰霾天MLH在8:00～8:30和16:00～17:00这两天时段比非灰霾天高。从图8可知，8:00～8:30这个时段两种天气MLH差值非常小，这可能是因为夜间大气逆温造成的。早上随着温度和风速的增大，湍流能量增强，MLH开始发展。静稳天气下，灰霾天较小的风速不利于MLH的发展，于是非灰霾天的MLH逐渐超过灰霾天，因此在8:30～16:00这个阶段非灰霾天MLH较高。13:00后，风速开始下降，对灰霾天影响较大。从图中可看出此时灰霾天MLH开始下降，而非灰霾天MLH仍呈上升趋势。但15:00后风速的急剧下降致使两种天气风速几乎无太大差别。灰霾天较高的温度有利于维持MLH,MLH下降更缓慢，所以16:00后灰霾天MLH反而高于非灰霾天。
3 结论
(1)MLH的日变化同温度、风速的变化密切相关，相关系数分别为0.968、0.580，通过了0.01的置信度检验。
(2)春季的MLH明显高于秋、冬两个季节。秋冬两季混合层的发展相似，MLH较低，大体上秋季的MLH高于冬季。
(3)灰霾天气溶胶含量高，阻挡地面长波辐射向外发射，形成了类似的保温效应，灰霾天大气温度要高于非霾天的温度，且随着时间的增加而增加，春季>秋季>冬季。
(4)灰霾天属于静稳天气，热力引起的湍流非常弱，风速对灰霾天MLH发展的影响更明显。热力和机械剪切作用共同影响了灰霾天和非灰霾天MLH的日变化。
摘要：利用Mie散射激光雷达EZLidar和自动观测站气象资料对河北香河站2006年8月2007年11月大气混合层高度(MLH)进行了观测研究,得出了灰霾和非灰霾两种天气大气混合层的日变化特征:1 MLH的日变化同温度、风速的变化密切相关,相关系数分别为0.968、0.580,通过了0.01的置信度检验;2春季的MLH明显高于秋、冬两个季节,秋冬两季混合层的发展相似,MLH较低,大体上秋季的MLH高于冬季;3灰霾天气溶胶含量高,阻挡地面长波辐射向外发射,形成了类似的保温效应,灰霾天大气温度要高于非霾天的温度,且随着时间的增加而增加;4灰霾天属于静稳天气,热力引起的湍流非常弱,风速变化对它的影响更大。热力和机械剪切作用共同影响了灰霾天和非灰霾天MLH的日变化。
关键词：激光雷达,混合层,灰霾
大气混合层 篇2
关键词：大气光学,激光传输,透过率,混合编程
1 引言
大气的动态和静态物理特性对光电成像系统性能的影响是重要问题。大气仿真深入研究大气特征及其模型, 对于系统环境适应性能是非常必要的。目标的照度、辐射亮度等经过大气传输到达探测器, 主要影响为透过率, 利用MODTRAN大气模型计算软件可计算出大气透过率[1]。利用MODTRAN大气模型计算软件完成大气环境仿真与建模。其总体设计示意图如图1所示。
2 传输原理
光波通过大气时, 大气分子在电场作用下产生极化作受迫振动, 光波为克服大气分子内部阻力要消耗能量, 这个能量的一部分转化为热能等其他形势的能量, 就表现为大气分子对光波能量的吸收。吸收作用比较显著的气体成分是水汽、二氧化碳和臭氧等。大气分子对光波的吸收和分子内部从低能态到高能态的跃迁相联系, 分子的能态取决于分子内部的电子的运动、原子核在平衡位置附近的振动和整个分子绕特定对称轴的旋转。这三种运动同时发生, 从而导致分子能态跃迁变得比较复杂, 所以大气分子对光波的吸收谱线是错综复杂的。分子对光波的吸收谱线的自然宽度很小, 但由于分子间的碰撞和分子热运动的多普勒效应会使谱线增宽, 比自然线宽要大好几个量级。
定义吸收截面σa来度量大气分子或粒子对光波的吸收能力, 吸收效率为Qa=σa/πr2。大气吸收系数ka为:
式中σa (2πr/λ) 表示尺度数为2πr/λ的粒子的吸收截面。大气吸收光学厚度τa可定义为
当入射光的频率等于大气分子固有频率时, 发生共振吸收, 出现极大值。因此分子的吸收特性强烈地依赖于光波的频率。对可见光和红外光来说, 分子的散射作用很小。
图2是地球表面大气对太阳辐射的吸收情况, 由图可知, 气体分子对光辐射产生连续的吸收, 仅在少数几个波长区吸收较弱, 形成所谓的“大气窗口”。大气分子对特定波长的激光表现出较好的透过率, 因此可以选择光波波长处在“大气窗口”的激光进行传输。
3 大气辐射传输计算软件
MODTRAN是目前最公认的大气辐射传输计算软件。由美国空军地球物理实验室 (AFGL) 用FORTRAN语言编写, 其主要用途是军事和遥感的工程应用。这是一个单参数带模式的中分辨率大气透过率和背景辐射计算软件包。它以2 CM-1的光谱分辨率计算0CM-1到50000 CM-1 (0.2微米到无穷) 的大气透过率、大气背景辐射、阳光和月光辐射亮度、太阳直射辐照度[2]。利用Modtran计算出全波段大气透过率如图3所示。
4 混合编程的方法研究
应用FORTRAN语言编写的MODTRAN源代码集成MODTR AN计算软件。设计MODTRAN软件图形界面, 用VC和FORTRAN2种语言混合编程, 实现FORTRAN计算程序资源的再利用。利用Microsoft FORTRAN Power Station 4.0将FORTRAN源程序编译成VC的动态链接库 (DLL) , 用DLL实现VC和FORTRAN之间的数据传递, FORTRAN的计算结果在VC窗体上显示并进行作图处理, 从而实现MODTRAN计算程序的图形界而及计算结果的可视化[3,4] (如图4所示) 。
大气传输环境模型计算大气透过率时, 需要输入的参数有:传输距离, 观察高度, 起始波长, 截止波长, 大气模式, 大气路径类型, 计算类型, 气溶胶模式, 气溶胶的季节性修正, 雨/云气溶胶扩展等主要参数, 用户界面如图5所示。
5 结语
大气传输环境软件计算后输出的结果如图6所示, 原Modtran大气模型计算软件计算的结果如图7所示。
利用VC++和Modtran编写大气透过率计算软件完成大气透过率计算, 输出的结果与Modtran大气软件计算的结果相似。结果说明:利用MODTRAN大气模型计算软件完成大气环境仿真与建模, 同时应用VC和FORTRAN 2种语言混合编程——大气透过率计算软件是可行的和可信的。
参考文献
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超薄磨耗层混合料的使用性能 篇3
关键词：超薄磨耗层,高温稳定性,水稳定性,低温性能
超薄磨耗层作为一种沥青混凝土路面表层, 厚度在1.5~2.5 cm之间, 它在耐久性、抗滑性、降噪性、减少水雾、抗车辙以及耐磨性方面都具有非常良好的性能。使用超薄罩面层的沥青路面, 一般具有较好的抗滑性能, 对比较轻微的车辙和裂缝等也能起到一定的修复作用。超薄罩面层常被用来作为旧路改善, 如旧公路的预防性养护以及旧公路的功能性恢复, 也可以作为新建公路的表面功能层。
1 高温稳定性
研究沥青混合料的稳定性主要是研究在高温下抗流动变形的能力。影响高温稳定性的因素有多种, 其中包括集料的组成级配、集料的形状、沥青的品种、空隙率等。人们普遍认为, 集料的组成级配对沥青混合料的高温稳定性影响较大。由于本文选取的三种沥青混合料的集料都是相同的, 所以矿料的级配不同导致了混合料高温性能的不同。本文选取三种混合料在工地上广泛采用的矿料级配, 采用马歇尔试验及车辙试验来评价不同混合料的高温稳定性。
1.1 车辙试验
车辙试验利用轮碾机上成型尺寸为30 cm×30cm×5 cm的试件。试验结果表示为动稳定度DS, 图1为三种混合料的动稳定度对比。
从图中可以看出, 三种混合料动稳定度均可以较好的满足规范要求, 由此可见这三种混合料的高温稳定性都较好, 其中, Novachip Type C>OG-FC-13>AC-13C。
图1的试验结果可以看出, 不同沥青混合料的结构类型不同, 其动稳定度也不同。AC-13C中含细集料较多, 所以动稳定性能最差。而另外两种混合料粗骨料较多, 抵抗剪切破坏的能力较强, 所以动稳定度较大。高温稳定性更强。
1.2 马歇尔稳定度试验
马歇尔试验是对直径101.6 mm, 高度为63.5±1.2 cm的圆柱体进行试验。模拟的是夏季最不利气候的情况下, 试件的高温稳定性。
从图2中的数据可以得出, 三种混合料中, 马歇尔稳定度最大的是AC-13C, 最小的是OGFC-13。除了AC-13C型混合料以外, 另外两种混合料虽然成型试验的时候, 采用的是马歇尔方法, 但并不能用同样的方法来定最佳油石比, 原因在于侧限条件在力学性能的大小中起着非常重要的作用, 马歇尔强度所采用的无测限几乎难以体现结构稳定性, 也难以获得马歇尔稳定度的最大值。
2 水稳定性
超薄磨耗层沥青混合料的水稳定性, 是指超薄磨耗层能够抵抗水损害的能力。沥青混合料路面上的谁损害, 一般是指因为雨水等水分的作用, 加上沥青路面在反复的温度胀缩及交通荷载的双重作用下, 水分会逐渐进去到沥青混合料里面, 存在于集料和沥青的界面中, 这就形成集料与沥青的“隔离水膜”。再加上水动力自身的运动, 沥青膜与集料会逐渐分离, 从而导致集料之间的粘结力消失, 导致路面产生了破坏。本文采用进水马歇尔及冻融劈裂两种试验来评价沥青混合料的水稳定性。
2.1 浸水马歇尔试验
AC-13C为双面击实75次成型马歇尔试件, 而另外两种混合料均采用双面击实50次成型试件。
图3反映了三种混合料马歇尔试验的残留稳定度, 从图3中可以看出来, 密级配AC-13C的残留稳定度最好, 其次是半开级配Novachip Type C型, 最后是开级配OGFC-13。而这三种混合料的残留稳定度均可以较好的满足规范要求。可知AC-13C的水稳定性能最好, 抵抗水损害的能力最强。
2.2 冻融劈裂试验
沥青混合料冻融劈裂的试验环境是模拟寒冷地区条件下, 混合料的性能。三种混合料均为双面击实50次成型马歇尔试件。
三种混合料冻融劈裂的实验结果见图4。密级配AC-13C的冻融劈裂强度比最大, 半开级配Novachip Type C型次之, 开级配OGFC-13型再次。但三种混合料均可以较好的完成规范中对超薄罩面层沥青混合料的, 冻融劈裂强度比的要求。同时, 从三组沥青混合料的实验结果可以得出, 冻融劈裂强度的下降速度, 会因为空隙率的提高而变大。与前文的试验数据结合可以看出, 这与三种混合料的水稳定性的规律相同, 说明级配及空隙率确实对水稳定性的起着比较明显的作用, 空隙率越大, 水会比较容易进入到了混合料的空隙里面, 水稳定性就会变差。
3 低温性能
路面的开裂有很多因素, 本文采用低温弯曲试验评价文中三种超薄罩面层的沥青混合料的低温抗裂性能。试验结果见图5~图6, 可以看出, 三种类型沥青混合料破坏弯拉应变均满足规范对破坏应变的要求 (>2 500με) 。Novachip Type C型有着比较良好的低温抗裂性。而密级配AC-13C的最大弯拉应变最大, 但与另外两种超薄罩面层的混合料的最大弯拉应变相比, 没有太大的差异, 也与前文的研究相符, 三种沥青混合料的低温抗裂性能, 随着空隙率增大, 而缓慢的变低了。
4 结语
(1) 这三种沥青混合料中, Novachip Type C型的高温稳定性最好, OGFC-13型次之, AC-13C型最次, 但其动稳定度均能较好的满足规范要求, 三种混合料都能够在夏季高温不利气候条件下, 抵抗车辙等变形破坏。
(2) 三种混合料的抗水损害的能力相较而言, 密级配AC-13C最强, 开级配OGFC-13最弱, 分析得出, 不同混合料的级配不同, 空隙率不同, 其水稳定性也有着显著的不同, 空隙率小则抗水损害的能力较强。
(3) 三种混合料的最大弯拉应变均能满足规范要求, 且三种混合料的最大弯拉应变之间的差异并不大。随着空隙率的显著增大, 沥青混合料的低温抗拉性能降低。
参考文献
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[2]曹卫东, 等.超薄沥青混凝土面层技术研究及应用简介[J].石油沥青, 2005, 19 (4) :56-58.
大气混合层 篇4
位于内蒙古自治区呼伦贝尔盟西南部的海拉尔盆地是一个中新生代断陷—坳陷型盆地。面积仅379.72 km2 的贝中次凹处于贝尔凹陷南部(图1),主力产油层为下白垩统南屯组一段储层,该产油层深度从1 500 m至3 400 m,平均2 200 m,其叠合含油面积为50.12 km2,石油探明储量为6 591.15×104 t,单井平均日产量为3.7 t/d,单井最高日产量达31.48 t/d,是一个“小而肥”的富油次凹。
1 岩石学特征分析
贝中次凹碎屑岩储集层岩性以长石岩屑砂岩为主,岩屑砂岩次之,成分、结构成熟度总体较低(图2),为次生孔隙的形成提供了丰富的物质基础。碎屑颗粒中石英平均含量16.23%,长石23.99%,岩屑46.03%。碎屑结构以粉砂岩为主,细砂岩和砂砾岩次之,少量中砂和粗砂,分选中等,磨圆次棱角状—次圆状,长石风化程度中等,结构成熟度差。胶结物主要为碳酸盐、高岭石,一般含量为(3～36)%,最大为45%,平均含量为15%,基质主要为泥质,少量为硅质,多以石英次生加大边的形式出现,胶结类型以孔隙式和薄膜式接触为主,基底式、再生式、混合式次之。颗粒间以点状、点线状接触为主,线接触和线点接触次之。
2 淋滤作用对储层物性的影响
贝尔凹陷是一个构造复杂的海塔盆地中的二级构造单元,多期构造活动形成了多个不整合面,在贝中次凹南屯组一段存在的典型不整合面为T23-2(图3)。在古曝露时期,大气水对淋滤作用加上溶解作用使不整合面以下地层中的易溶性矿物发生溶蚀,从而该处原本储集性能较差的储层的物性大大改善。贝中次凹的希60—58～希47—61井剖面就具有这样的典型古大气水淋滤特征(图4)。从剖面上各井不整合面上下孔隙度变化情况可以明显看出,位于古构造高部位的希60—58井表现为在该不整合面处孔隙度突然增大,随着距离不整合面距离的增大,物性逐渐趋于减小;横向上到古低洼部位的井不整合面或相当于该面的整合面上下孔隙度是渐变关系,可能是由于古暴露时期该区域由于地势较低淋滤作用不强造成的,但该区不整合面以下120 m左右也存在一孔隙度高值带,这可能是由于在古低洼区沉积的泥岩中排出的有机酸溶蚀造成的。
3 古大气水的淋滤作用机制
淋滤作用表现为大气水在自地表向下渗滤的过程中缓慢地、不断地作用于其流经的矿床和围岩,使其中的矿物成分发生不同程度的变化和元素的迁移的过程。在地质历史演化的过程中,先沉积的地层因受地壳运动影响而升出水面,沉积作用发生中断,并在或长或短的时间内遭受剥蚀,由于大气水淋滤作用,老地层顶部即不整合以下地层会发生物理的和化学的变化,由于地表的弱酸性流体在重力驱动下沿着渗透层和断层流动,易溶矿物的溶解作用产生了次生孔隙。通常溶解的矿物包括长石、黑云母、黏土矿物、碳酸盐胶结物等。大气水成岩体系中最具特征的溶解-沉淀矿物组合为长石的高岭石化。水岩相互作用可以改变储层的孔渗性,进而影响储层的质量。
4 结论
(1) 贝尔凹陷贝中次凹南屯组一段储集层岩性以长石岩屑砂岩为主,岩屑砂岩次之;储层的粒度主要以粉砂岩为主,成分成熟度和结构成熟度较低,这对次生孔隙的形成十分有利。
(2) 大气水淋滤作用改善了贝中次凹南屯组一段顶部不整合面下部地层的储层物性;由古隆起到洼陷中心,随着不整合面的消失,界面附近的储层物性也逐渐变差。
摘要：古大气水淋滤作用是改善不整合面附近储层物性的重要因素。贝中次凹南屯组一段岩性以长石岩屑砂岩和岩屑砂岩为主,成分成熟度和结构成熟度均较低,储层的储集空间主要为次生孔隙。由于南屯组顶部不整合面的存在,大气水下渗使得易溶矿物发生溶蚀,淋滤作用大大的改善了储层物性,这对于优质储层的形成十分有利。
关键词：贝中次凹,优质储层,淋滤作用,古大气水,不整合
参考文献
[1]王多云,郑希民,李风杰,等.低孔渗油气富集区优质储层形成条件及相关问题.天然气地球科学,2003;14(2):87—91
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稀浆封层混合料配合比设计与施工 篇5
关键词：稀浆封层,配合比设计,施工
1 概述
沥青稀浆封层混合料简称沥青稀浆封层,是由乳化沥青、石屑、填料和水等拌制而成的一种具有一定流动性的沥青混合料。将沥青稀浆封层混合料摊铺在路面上(厚度约为3 mm～10 mm),经破乳、析水、蒸发、固化等过程,形成密实、坚固而耐磨的表面处治薄层,可以防治路面早期病害,延长路面使用寿命。
2 沥青稀浆封层的作用
1)防水性能。
稀浆封层混合料是由一定级配的集料与乳化沥青拌和而成,摊铺后与下承层牢固粘附,形成良好的防水封层,从而使上面下渗的雨水阻隔于防水层之上,保证了下承层的整体稳定性及刚度。
2)防止沥青层滑动的性能。
稀浆封层混合料摊铺厚度薄,混合料中的集料细且分布均匀,有较明显的粗糙面,在合理沥青用量的基础上,起到阻止上承层沥青混合料的滑移作用。
3)填充作用。
稀浆封层拌和后以稀浆状态存在,具有很好的流动性,在沥青层表面可以很好的填补原路面的不平整及粘结表面的松散粒料,改善路表的行驶质量。
4)较强的耐磨性能。
选用坚硬的抗磨集料后,可以修复有较强耐磨要求的沥青路面面层,延长路面的寿命。
但稀浆封层有其很大的缺点,只能作为表面磨耗层及封水层,其较薄结构不具有结构补强的功能。
3 稀浆封层混合料的材料组成
1)乳化沥青。
常采用阳离子慢凝乳液,为提高稀浆封层的效果,可采用改性乳化沥青,如丁苯橡胶乳化沥青,氯丁胶乳改性沥青。
2)集料。
采用级配石屑(或砂)组成矿质混合料,集料应坚硬、粗糙、耐磨、洁净,稀浆封层用通过4.75 mm筛的合成矿料的砂当量不得低于50%。细集料采用碱性石料生产的机制砂或洁净的石屑。对集料中超粒径必须筛除。
根据设计厚度、处治目的及公路等级,按照表1选用合适的矿料级配。
3)填料。
为提高集料的密实度,需掺加水泥、石灰、粉煤灰、石粉等填料。掺入的填料应干燥、无结团、不含杂质。
4)水。
为湿润集料,使稀浆封层混合料具有要求的流动性,需掺加适量的水。水应采用饮用水,一般可采用自来水。
5)添加剂。
为调节稀浆封层混合料的和易性和凝结时间,需添加各种助剂,如氯化铵、氯化钠、硫酸铝等。
4 沥青稀浆封层混合料的配合比设计
沥青稀浆封层混合料的配合比设计,可根据理论的矿料表面吸收法,即按单位质量的矿料表面积裹覆8 μm厚的沥青膜,计算出最佳沥青用量。但该方法并不能反映稀浆混合料的工作特性、旧路面的情况和施工要求。为满足上述特性、情况和要求,目前通常采用试验法来确定配合比,其主要内容包括下列各项:
1)稠度试验。
该实验是为了确定稀浆混合料的加水量。它类似于水泥混凝土的坍落度试验。稀浆混合料的含水量既要满足施工和易性的要求,又要保证所摊铺的稀浆能形成稳定坚固的封层。一般要求总的含水量在12%～20%范围内。
2)初凝时间试验。
稀浆混合料的初凝时间不能太长也不能太短,初凝时间太长,就会延长交通开放时间,给施工管理带来困难;初凝时间太短,会给搅拌和摊铺带来困难,保证不了质量。稀浆混合料的初凝时间可用斑点法测定,其是指混合料拌合以后至乳液完全破乳,用滤纸检验已无沥青斑点的时间。
3)固化时间试验。
稀浆混合料的固化时间,也就是其摊铺后开放交通的时间。稀浆混合料摊铺后开放交通的时间不能太长,太长了会对施工和管理带来很大困难,否则得考虑用助剂来调节。稀浆混合料的固化时间,是初凝后的混合料在粘结力试验中达到最大粘结力的时间。
4)湿轮磨耗试验。
稀浆混合料的沥青用量是配合比设计中最重要的参数。沥青用量太少,稀浆封层就会松散;沥青用量太多,路面就会出现壅包,并且也浪费沥青材料。用来确定稀浆混合料的最小沥青用量,同时也用于检验稀浆混合料成型后的耐磨耗性能。湿轮磨耗试验是按规定的成型方法,将成型后的稀浆混合料试件放入水中,用湿轮磨耗仪磨头磨5 min,测定磨耗损失的试验。
5)乳化沥青稀浆混合料碾压试验。
乳化沥青稀浆混合料碾压试验是用来测定混合料中是否有过量的沥青,也就是确定稀浆混合料的最大沥青用量。可与湿轮磨耗试验一起确定稀浆混合料的最佳沥青用量。碾压试验是稀浆混合料成型后,在57 kg负荷下碾压1 000次,模拟车辆行驶碾压;然后在试件上撒定量的热砂,再碾压100次,以每平方米吸收的砂量来表示。
经配合比设计,稀浆封层混合料的性能应符合表2的要求。
5沥青稀浆封层混合料的应用
在沥青路面出现病害的征兆时,为了减小沥青路面的进一步破坏,对原路面进行沥青稀浆封层处理,不但可以阻止原沥青路面的裂缝等病害的继续发展,还可以提高原路面的抗水破坏,抗滑的性能,从而延长了原路面的服务质量。
运用稀浆封层技术处理三级及四级公路路面,可以起到整平、防尘及抗滑的作用,改善原路面的行驶舒适性。
6结语
沥青稀浆封层混合料作为冷拌沥青混合料的一种,不仅适用于沥青路面预防性养护,水泥混凝土路面封层、砂石路面的处理,而且还有节省能源、保护环境、节约沥青、延长施工季节等优势。
参考文献
[1]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范[S].
[2]JTG F40-2004,公路沥青路面施工规范[S].
大气混合层 篇6
1 橡胶沥青混合料设计
1.1 基质沥青
基质沥青采用与沥青面层相同标号的沥青,即A级-70号道路石油沥青,福建省公路项目改性沥青采购招标文件以及《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的要求。
1.2 橡胶粉
本项目橡胶粉采用30目(注:目数越大,表示颗粒越细)的常温法研磨粉碎的斜交胎胶粉,胶粉掺量为17.6%~30%(外掺)。外掺19%左右的橡胶粉通常可以满足橡胶沥青的技术指标,具体掺量应以满足橡胶沥青技术指标为目标,根据试验确定。正式实施前,应考察橡胶粉厂家,尽可能选择具有高速公路橡胶沥青供货经验的,而且胎源稳定、可靠的供应商。废胎胶粉应满足以下技术要求:(1)外观。废胎胶粉应质地均匀,不应含有目测可见的木屑、砂砾、玻璃和污染物等杂质。废胎胶粉中的纤维不应结团,且不应有呈编织状的纤维颗粒。(2)物理性能。(3)筛分规格。(4)化学性能。
橡胶沥青所用废胎胶粉尚应满足《路用废胎硫化橡胶粉》JTT 797-2011的要求。
1.3 橡胶沥青
橡胶沥青的技术指标要求详见《公路工程废胎胶粉橡胶沥青》JT/T798-2011。
2 橡胶沥青应力吸收层施工工艺
2.1 橡胶沥青混合料拌合
拌合机产能应不小于80t/h,生产前施工单位应对其进行调试,保证设备的正常运转和计量系统的准确。
反应罐应尽量接近搅拌站,以减少连接管道的长度,并采用较大功率的沥青泵或采用较粗管道。生产前应提前30~60分钟预热连接管道。
温拌剂及沥青加入后,先湿拌35~40s,使橡胶沥青温度控制在185~195℃。由于不添加矿粉,故石料温度不可太高,需控制在180~190℃之间,并保证出厂混合料温度控制在175~185℃。超过195℃的混合料应废弃。
2.2 储存和运输
橡胶沥青应力吸收层的混合料在储存和运输过程中,其稳定性甚至要好于一般沥青混合料。这主要是由于橡胶沥青混合料在储存和运输过程中的浸润作用使其性能可进一步提高,故从储存和运输方面看,橡胶沥青应力吸收层混合料的施工性能较好,不存在问题。
2.3 摊铺和碾压
橡胶沥青混合料对摊铺温度要求较严,不应低于160℃,并且要求碾压开始后的温度不应低于150℃,复压时不应低于135℃,终压时不应低于90℃。
橡胶沥青混合料极易粘在橡胶轮胎压路机轮胎上,故不应采用橡胶轮胎压路机,应采用钢轮压路机,并且全过程都不应开振动。初压时,首先采用2台钢轮压路机紧随摊铺机静压1遍,复压4遍,随后碾压1~2遍以消除轮迹,使混合料的压实度大于98%。
橡胶沥青比普通沥青的粘度来得大,必须采取隔离措施,禁止人员踩踏,封闭交通。摊铺和碾压的过程中,严格控制摊铺机和压路机的行驶速度。应力吸收层表面应做到质地均匀。
3 结语
橡胶沥青应力吸收层具有抗反射裂缝、抗水损坏、粘结作用,被广泛运用于“白改黑”等公路和市政项目中。本文通过总结国内外施工经验和现有规范、技术规程,提出了原材料及混合料的技术要求和施工工艺,可为橡胶沥青应力吸收层的设计和施工提供参考和借鉴。
参考文献
[1]JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].2005.
[2]JT/T 798-2011公路工程废胎胶粉橡胶沥青[S].2011.
大气混合层 篇7
1 无碴轨道的优点
无碴轨道结构的出现,解决了有碴轨道存在的稳定性差,维修工作量大的问题,为高速度、高密度的铁路运输提供了有利条件。因而,它相对于有碴轨道结构而言,具有以下特点:
1)轨道稳定性好,几何形位能持久保持,线路养护维修工作量显著减少;
2)长波不平顺性好,轨道弹性均衡稳定;
3)耐久性好,轨道使用寿命长(60年以上);
4)横向阻力提高;
5)结构高度低,自重轻,可降低隧道净空,减少桥梁二期恒载;
6)寿命周期成本低;
7)通过少维修,提高线路使用率,减少对运输的干扰,从而减少事故隐患;
8)道床整洁美观,无道碴飞散带来的一系列问题。
2 无碴轨道的基本构成
无碴轨道有很多形式。国外代表性的有日本新干线的板式轨道,德国铁路板式无碴轨道,德国铁路枕式无碴轨道,以及英国铁路板式无碴轨道,英国铁路弹性支撑块式无碴轨道。
为适应我国铁路的高速行车,发展高速铁路的需求,我国提出了刚性支撑块式整体道床轨道以及弹性支撑块式无碴轨道等。
其中,弹性支撑块式无碴轨道是由钢轨及其扣件、橡胶靴套、块下垫胶、混凝土道床以及混凝土底座等组成。为了取得低振动的效果,在支撑块底部设有弹性胶垫,在其周围设有橡胶靴套。从而,轨下胶垫与块下胶垫为无碴轨道提供垂向弹性,靴套提供横向弹性,又由于弹性垫层具有材料均匀、弹性一致等性能,使钢轨支承划一,受力均衡,轨道几何形位易于保持,达到少维修的目的。
3 无碴轨道路基的防护问题
有碴轨道路基,轨道的不平顺可以通过整道来减小或消除。无碴轨道路基可以通过调整钢轨扣件减小或消除,但钢轨扣件调高量十分有限。因此,无碴轨道铁路对路基工后沉降(无碴轨道施工后路基本体的残余压缩变形及地基的沉降)提出了严格的要求。一般要求出现的路基工后沉降可以通过轨道系统的调整加以克服。
无碴轨道铁路对路基工后沉降提出了严格的要求。一般要求铺设无碴轨道后的路基面工后沉降量不超过轨道扣件调整的范围(一般不大于20)。无碴轨道的路基沉降有很多影响因素:列车行驶时路基面的弹性变形;运营阶段由行车引起的基床累计下沉以及路基填土的压密下沉等因素。
对于直接在土路基上铺设无碴轨道这种类型,路基的沉降就更加需要关注,因为这种类型的沉降会受到更多因素的影响。路基湿度状况的变化是影响其强度的重要因素之一,有许多因素直接影响路基湿度的变化。如:地面水的渗入,地下水的影响等等。例如,在北方季节性冰冻地区,在冰冻开始时,路基水分向冰冻线积聚形成冻胀的现象较为普遍。而在南方非冰冻地区,当雨季来临时,没有很好的封闭措施,也会导致地面水渗入路基。
对于地下水的影响。通常认为受地下水影响的高度对黏土为6 m,砂质粉土或粉土一般约为3 m,砂土为0.9 m。在这个深度范围内,路基湿度受地下水位控制,其影响程度随土质而异。在铁路建设中,考虑到列车动静荷载的作用,所以,路基厚度足以防止地下水的影响。
国内外无碴轨道铁路均十分重视内路基工程防排水,除对路基填筑材料的水稳性有严格要求、加强路基基床底部排水措施外,对路基面采取了全封闭的措施。常用工程防渗防水材料有以下几种:
1)黏土衬层;
2)土工合成材料;
3)水泥混合料;
4)沥青混合料。
沥青混合料由于结构性强、粘弹性好、污染性少和经久耐用等特点成为很多土木、水利、环境等工程的防水层材料的首选,国外无碴轨道铁路基本上都选择沥青混合料作为轨道基础板外缘至路肩之间防水封闭层。我国客运专线无碴轨道基础板外缘至路肩之间也采用沥青混凝土层作为防水封闭层。
4 无碴轨道路基防水封闭层渗透系数的检测
检验沥青混凝土防水封闭层性能的主要指标为防渗系数。渗透系数的测定分为现场测定和实验室制模测定以及简化试验。
4.1 实验室制模测定
通常采用渗水试验来测得其渗透系数。渗透系数是以达西定理为依据,在实验室内测得饱和状态下沥青混凝土试件的渗透系数。渗水试验具体流程如下:
1)仪器与材料制备。
该试验采用路面渗水仪为主要试验仪器。路面渗水仪构造如图1所示。
采用轮碾法制备沥青混合料试件,试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm,脱模,试件成型时揭去垫在表面的纸。
2)试验流程。
a.将试件放置在坚实平面上,在试件表面上沿渗水仪底座圆圈位置抹一薄层密封材料,边涂边用手压紧,使密封材料嵌满试件表面混合料的缝隙,且牢固地粘结在试件上,密封料圈的内径与底座内径相同,约150 mm。将渗水试验仪器底座用力压在试件密封材料圈上,再加上铁圈压重压住仪器底座,以防压力水从底座与试件表面间流出。
b.用适当的垫块如混凝土试件或木块在左右两侧架起试件,试件下方放置一个接水容器。关闭渗水仪器细管下方的开关,向仪器的上方量筒中注入淡红色的水(水中滴加红墨水)至满,总量为600 mL。
c.迅速将开关全部打开,水开始从细管下部流出,待水面下降至100 mL时,立即开动秒表,每间隔60 s,读记仪器管的刻度一次,至水面下降500 mL时为止。测试过程中,应观察渗水的情况,正常情况下水应该通过混合料内部空隙从试件的反面及四周渗出,如果水从底座与密封材料间渗出,说明底座与试件密封不好,应另采用干燥试件重新开始。如水面下降速度很慢,从水面下降至100 mL开始,测得3 min的渗水量即可停止。若试验时水面下降至一定程度后基本保持不动,说明试件基本不透水或根本不透水,则在报告中注明。
d.按以上步骤对同一材料制作3块试件测定渗水系数,取其平均值作为检测结果。
3)计算。
沥青混合料试件的渗水系数按下式计算,计算时以水面从100 mL下降至500 mL所需的时间为标准,若渗水时间过长,亦可采用3 min通过的水量计算:
其中,Cw为沥青混合料试件的渗水系数,mL/min;V1为第一次读数时的水量(通常为100 mL),mL;V2为第二次读数时的水量(通常为500 mL),mL;t1为第一次读数时的时间,s;t2为第二次读数时的时间,s。
最终,取3个试件的平均值。
4.2 现场测定渗透系数
1)准备工作。
a.在测试路段的行车道路面上,按随机取样方法选择测试位置,每一个检测路段应测定5个测点,用扫帚清扫表面,并用粉笔划上测试标记(一般200 m取一个点)。
b.在洁净的水桶内滴入几滴红墨水,使水呈淡红色。
c.装妥路面渗水仪。
2)试验步骤。
a.将清扫后的路面用粉笔按测试仪器底座大小划好圆圈记号。
b.在路面上沿底座圆圈涂一薄层密封材料,边涂边用手压紧,使密封材料嵌满缝隙且牢固地粘在路面上,密封料圈的内径与底座内径相同,约150 mm,将组合好的渗水试验仪底座用力压在路面密封材料上,再加上压重铁圈压住仪器底座,以防压力水从底座与路面间流出。
c.关闭细管下方的形状,向仪器的上方量筒中流入淡红色的水至满,总量为600 mL。
d.迅速将开关全部打开,水开始从细管下部流出,待水面下降100 mL时,立即开启秒表,每间隔60 s,读记仪器管的刻度一次,至水面下降500 mL时为止,测试过程中,如水从底座与密封材料间渗出,说明底座与路面密封不好,应移至附近干燥路面处重新操作。如水面下降速度很慢,从水面下降至100 mL开始,测试得3 min的渗水量即可停止。若试验时下降至一定程度后基本保持不动,说明路面基本不透水或根本不透水,则在报告中注明。
e.按以上步骤在同一个检测路段选择5个测点测定渗水系数,取其平均值作为检测结果。
3)计算。
沥青混合料试件的渗水系数按下式计算,计算时以水面从100 mL下降至500 mL所需的时间为标准,若渗水时间过长,亦可采用3 min通过的水量计算:
其中,Cw为沥青混合料试件的渗水系数,mL/min;V1为第一次读数时的水量(通常为100 mL),mL;V2为第二次读数时的水量(通常为500 mL),mL;t1为第一次读数时的时间,s;t2为第二次读数时的时间,s。
列表逐点报告每个检测路段各个测点的渗水系数,以及5个测点的平均值、标准差、变异系数。若路面不透水,在报告中注明为0。
当测试路面或试件的表面孔隙率较小时,经常出现液面在0 mL～100 mL范围内变化缓慢,这并不是因为不渗水,而是底座空间内的气体未能排出来,试验时可用细铁丝进行疏通透气,使其在尽量短的时间范围内迅速使水充满渗水仪底座空间。密封材料涂层若超厚,会产生较大误差。
其中密封材料的选择对测量结果有很大影响。
1)黄油。
黄油作为一种密封材料,密封效果好,但对沥青路面污染严重,特别对于新铺路面应禁止使用,宜用于室内试验。
2)玻璃腻子。
玻璃腻子的密封效果比较好,其对路面的腻子要使用新鲜的,较干的腻子操作困难,密封效果差不能再使用。
3)橡皮泥。
橡皮泥的密封效果也比较好,其对路面的污染程度轻,容易清
除并且可重复使用,但较干的橡皮泥操作困难,密封效果差。
4)面团。
面团(将食用面粉和水以大约2∶1 的比例搅拌成较软面团,放置2 h～5 h后使用最好,若旋转久了面团发酵就不能用了)作为一种特别的密封材料,密封效果好,且不污染沥青路面,容易清洗干净,对于新铺路面推荐使用,污染较黄油轻,但是清洗干净也不容易,且留有痕迹。
4.3 简化试验方法
将沥青混合料的标准击实试件制成后不脱模,去掉试件两面的滤纸。待试件冷却后,连同试模浸入水中1 h以上,使试件吸水饱和。试验时将试模支放在容器中,试模底部脱模架空。另取100 mL水倒入试模内,同时启动秒表计时,水从试件的孔隙中渗出,当试件表面水全部渗入试件内,停止秒表记录时间,计算试件透水系数K:
其中,Q为注入的水量,取100 mL;A为试件面积,取81 cm2;t为渗透时间,s;h为试件高,cm。
5 三种渗透系数检测方法的比较
5.1 实验室制模测定与现场测定的比较
实验室制模测定(轮碾法)是参照沥青路面现场测定渗透系数的方法而制定的,这两种方法所采用的试验仪器也是一样的。
实验室测定是采用轮碾法制备沥青混合料试件,试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm,脱模,然后揭去成型试件时垫在表面的纸,利用路面渗水仪进行测量。而现场测定是在测试路段的行车道路面上,采用随机选择试件位置,每一个检测路段应测定5个测点,清扫表面后并做好测试标记,其后也是利用路面渗水仪进行试验。
二者仅在试验的准备阶段有所差异,其试验过程以及最后的渗透系数计算公式均一样。
5.2 现场测定与简化试验的比较
1)两种试验方法的比较。
简化试验方法仅适用于室内试验,相对于渗透仪试验方法,操作要简单得多。在试件方面,简化试验试件就是马歇尔试件,而渗透仪试件是轮碾法制作的300 mm×300 mm×50 mm板块状试件。渗透仪试验的目的是检测沥青混合料的配合比设计,所以简化试验方法更简单,如果渗透系数过大,就调整配合比设计,重做马歇尔试件继续试验,就不需要再做300 mm×300 mm×50 mm板块状试件。
2)两种试验结果的转化。
假设:由于水平方向的渗透系数比垂直方向约大2倍～3倍,故假设水平方向的渗水能力是垂直方向的3倍～4倍;渗水量与渗水面积成正比,“由现场测定的计算公式
Sc=a×Sd。
其中,Sc为侧面积,cm2;Sd为等价底面积,cm2;a为等价系数,取3～4。渗透仪试验试件尺寸300 mm×300 mm×50 mm,渗透仪的内径为150 mm,计算得底面积为176.625 cm2,侧面积为235.5 cm2,等价底面积为471 cm2～706.5 cm2,那么总底面积A=8 831 125 cm2～1 118.625 cm2,高h=5 cm,把高和面积代入式
K=(1.173～1.486)×10-5Cw,经试验结果分析,其结果较为满意。
6 渗透系数的影响因素
在列车荷载的作用下,路基的变形既有弹性变形,同时又有塑性变形。弹性变形是列车通过时列车荷载的短时作用而产生的,主要发生在路基的基床部位,尤其是基床表层。路基的弹性变形最终反映在轨道的弹性变形之中,如果弹性变形大,车速就不可能提高。当上部结构和道床的技术确定后,影响轨面弹性的因素就只有路基了。而路表水的渗入量又直接关系着路基的强度。
国外对不同渗水分析渗透系数的比较结果表明:水平方向的渗透系数比垂直方向约大2倍～3倍,这说明由垂直方向渗透下落的水在水平方向是能很快排走的,故关键在于垂直方向的渗透能力。
沥青路面的渗水性测试的结果表明,沥青混合料在沥青用量相同的情况下,空隙率越大,其渗透的时间越短。如果空隙率过大,则其流通的空间就大。在同样的降水情况下,单位时间内流量越大,渗透速度越快,渗透系数就越大。而沥青混合料在沥青用量不相同的情况下,其渗透系数有所不同,且空隙率伴随沥青用量的增大而减小。据国内有关资料表明,沥青路面的空隙率小于4%时,基本上是不透水的;当空隙率大于15%时(即接近于常见的渗水性沥青路面),其渗水性非常好,但对沥青路面不会造成太大的危害;而当空隙率处于4%～15%之间时,存在着透水现象,且易造成水破坏,特别是空隙率为8%时,这种破坏更为严重。国外的研究资料也表明热拌青沥混凝土的空隙率小于8%时,混合料的渗水性很小;空隙率大于8%时,混合料的渗水性增加很快。同时,由试验可知:空隙率越大,渗水性就越好;沥青用量越大,渗水性也就越差。当沥青用量由3.7%提高到5.0%时,渗水系数会有所下降。我们在检测同一沥青混合料的渗水性时得知,在不同的压实度条件下,沥青混合料的空隙率有明显的差异。当压实度达到96%时,实际相当于空隙率约8%;当压实度达到98%时,实际相当于空隙率约6%。显然,前者的渗透系数大于后者。也就是说,如果压实度不够,空隙率变大,水就容易渗入结构层,应该说,现场压实度偏小是渗水性严重的关键因素。
所以,级配类型的不同,碾压成型后压实度及材料离析情况各异,材料的非均匀性以及形成空隙的状况不同,渗水试验结果离散性比较大。并且室内沥青混合料渗水试验数据比较接近新建路面现场渗水试验测定结果。
为了保证材料的防渗效果,建议沥青混合料空隙率应控制在4%以下。
本文所采用的渗透系数测量方法,除了针对无碴轨道路基面的沥青混合料防水层,同样适用于其他沥青混合料铺筑的结构,如沥青路面、沥青混凝土桥面铺装等。
7 渗透系数的标准
公路行业对渗水系数的要求如下:
1)SMA(沥青玛脂)路面的渗透系数要求为200 mL/min;
2)其他沥青路面的渗透系数要求为300 mL/min。
作为客运专线无碴轨道防水封闭层,其主要功能为防止地表水的下渗。所以,该防水封闭层的渗透系数可按照SMA的要求,即200 mL/min。
参考文献
[1]王其昌.高速铁路土木工程[M].成都:西南交通大学出版社,1999.
[2]何华武.无碴轨道技术[M].北京:中国铁道出版社,2005.
[3]JTJ 052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].
[4]JTJ 059-95,公路路基路面现场测试规程[S].