浅谈大气温度对沥青路面的影响

2019-08-14 版权声明 举报文章

摘要:沥青路面的破坏是多种因素造成的,主要为大气温度和水的破坏。研究表明,用于铺筑沥青路面的沥青混合料是一种感温性材料,温度的变化会导致其性能有较大的差异。具体表现为:不同温度条件下路面会产生不同的损坏形式,如低温开裂、高温车辙、拥包等,其疲劳寿命也受温度影响。本文就此问题,浅谈一下大气温度对沥青路面的影响。

关键词:大气温度沥青路面温度场

气温是引起路面裂缝的一个重要原因。根据观测资料可知,由于路面对太阳辐射热的吸收作用,沥青路面的最高温度可比气温高出23℃,阳光、温度、空气等大气因素可以引起沥青路面的老化,使沥青丧失黏塑性。路面变得脆硬、干涩、暗淡而无光泽,抗磨性能降低,在行车荷载作用下相继出现松散、裂缝以至大片龟裂。日照愈强烈、气温愈高、空气愈是干燥和流通,则路面老化速度愈快。

气温昼夜温差大,会使路面长期经受反复的膨胀和收缩,使物质内部的组织结构发生变化。随着气温的降低,沥青的黏滞度增高,强度增大,变形能力降低,此时易出现脆性破坏。气温下降,特别是急骤降温时,沥青层受基层的约束而不能迅速收缩就会生产很大的温度应力,若累计温度应力超过沥青混合料的极限抗拉强度时路面便会开裂。在高温条件或荷载作用下,沥青路面会产生变形,其中不能恢复的部分形成车辙病害。如果得不到及时、恰当的维修,路面车辙病害将加剧路况的恶化,直接威胁行车安全,也会大大缩短沥青路面使用寿命。

如果路面的基层为半刚性基层,由于其自身刚度大,抗变形能力较差,在温度骤然下降时会产生收缩变形,而其下卧层(土基或底基层)与该层之间的摩阻作用抑制了其收缩,从而在该层内部产生拉应力,当此应力超过其抗拉强度时基层就会产生裂缝。半刚性基层开裂以后,在沥青面层与半刚性基层间的裂缝处会形成一个“薄弱点”,该点在荷载应力与温度应力的共同作用下会使沥青面层底面产生应力集中。如果沥青面层较薄,则会引起开裂,随之在行车和大气因素的反复作用下,裂缝逐渐向上扩展。直至沥青层表面。这种裂缝称为反射裂缝,它一般为横向裂缝。

年温差太大容易引起沥青路面裂缝。因冬季气温下降引起沥青路面或基层收缩而产生的裂缝,其路面裂缝的原理与上述相同,一般为与道路垂直的横缝。基层干缩或冻缩产生裂缝以横缝居多。另外,沥青混合料碾压温度太高或速度太快也会产生横向裂缝。

对于已出现的裂缝,应采取以下措施:对较小的纵缝和横缝,一般用灌注热沥青材料加以封闭处理。对于较大的裂缝。则用填塞沥青石屑混合料处理。对于大面积的龟裂、网裂,通常采用加铺封层或沥青表面处置的方法进行处理。网裂、龟裂严重的路段在补强基层后重新翻修,沥青面层常有因基层施工质量不高而引起的反射裂缝。因此,在基层施工中,及时的养护、良好的接头处理及整体强度是有效防治沥青面层反射裂缝的有效方法之一。为了延缓和减少反射裂缝的发生,可采取以下几种措施:①选用符合“重交通道路石油沥青技术要求”的沥青,或采用实践证明行之有效的改性沥青;②采用适当的沥青面层厚度,或在沥青面层与半刚性基层之间设12cm~15cm的碎石过渡层;③当采用二灰稳定粒料或灰土稳定粒料时,集料含量应控制在75%-85%,以增强抗裂性能;④在半刚性基层顶面或沥青层之间设置各种土工合成材料,或者提高沥青混合料的抗拉强度和抗变形能力。

炎热的夏天,沥青路面在太阳辐射的影响下,路面结构内会产生不稳定热流,构成了路面的温度场,使路面体内产生温度应力,当温度应力超过路面结构材料的抗拉强度时,沥青路面就会受到损伤;在寒冷的冬季,路面还要经受低温的考验. 笔者针对这种温度变化产生的温度应力对沥青路面开裂、破坏的影响,采用有限单元法,根据我国北方地区典型的气候条件,选择北京市7 月份、1 月份的温度,对沥青路面的温度场进行了定性的分析。

沥青路面温度和气温的变化曲线

沥青路面温度和气温的变化速率

气温日变化过程是有一定规律的,日最高气温一般在12:00 至14:00 达到,日最低气温一般在凌晨04:00 至06:00. 从最低气温上升到最高气温一般在10 h 左右,从最高气温降至最低气温却需要14 h 以上。在进行有限元计算时,以06:00作为时间起点,对24 h 内道路各结构层的温度变化进行计算分析。

A.冬季温度场分析:

首先对冬季情况进行了有限元计算分析,通过计算得到道路各结构层24 h 内温度变化情况。沥青路面面层温度的日最高温度为- 9 ℃,最低温度为- 22 ℃. 日波动幅度为12 ℃。 面层底部的温度的日波动量约为3 ℃。在基层底部,其温度日波动量约为1 ℃。 在底基层底部,温度日波动量。

温度梯度是衡量结构内部温度不均匀性的指标,在很小的范围里,温度梯度过大,就会产生明显的温度应力。道路表面温度梯度正负变化点分别07:00 和17:00,沥青路面的表面层的温度梯度变化最为明显,14:00出现最大正温度梯度,04:00 出现最大负温度梯度。表面层的温度梯度波幅约为75 ℃ /m,面层的厚度是15 cm,面层上下的温度差为1. 125 ℃。随着深度增加,温度梯度的波将会越来越小,对于土基,其温度梯度波幅约为13 ℃ /m。 在1 d中,白天正温度梯度和夜间负温度梯度在小范围内变化,由此可以看出面层是最容易出生应力集中的地方,道路的破坏也是从面层开始的。

B.夏季的温度场分析:

在对道路在冬季时结构内部温度的变化以及温度应力变化计算的基础上,对夏季时1 天内道路结构内部温度以及温度应力的变化情况进行了计算。从计算结果可以看出,沥青路面表面的温度日波动幅度最为明显,约为26 ℃。 在表面层底部温度的日波动量约为8 ℃。 在基层底部,其温度日波动量最大约为3 ℃。 在底基层底部,温度日波动量仅仅只有0. 5℃。对于土基,温度变化很小。夏季与冬季路面温度变化虽然不同,但其他层与面层的相位差却不随季节变化,保持稳定。 夏季路面的温度变化幅度明显大于冬季路面温度变化幅度。

在夏季沥青表面层温度梯度波幅最大,最大正温度梯度出现在14:00,最大负温度梯度出现在02:00。 路表温度梯度正负变化点分别在05:00 和18:30,同样和华北地区日出日落的时间重合。随着深度增加温度梯度的波幅越来越小,沥青面层中部温度梯度波幅约为101 ℃ /m,基层底部温度梯度的波幅约为90 ℃ /m,底基层底部的温度梯度波幅约为21 ℃ /m,土基的温度梯度波幅约为14 ℃ /m。夏季炎热季节较大反复的压应力对路面结构是一个比较严重的破坏过程,工程实际中表现出沥青路面出现拥包现象。

夏季和冬季比较,夏季炎热的时间段对路面更容易产生破坏,适当的采取保护措施( 比如给路面降温) 是非常必要的。

结束语:大量工程实践表明,沥青路面温度状况对沥青路面结构的承载能力和使用性能将产生重大影响。若能根据气象资料准确地预估夏季高温季节沥青路面在不同深度处的温度状况,则可以大大地提高沥青路面结构设计的针对性,并实现不同路面层次使用不同等级的沥青结合料。在工程施工中有针对性地采取一系列预防大气温度的破坏和改善措施,才能减少大气温度对沥青路面的损坏,从而提高沥青路面的建设质量。

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