浅谈沥青路面的温度分布规律

2019-10-23 版权声明 举报文章

摘要:本文从沥青路面温度场研究的方法出发,分析比较了两种研究方法的优缺点,得到了沥青路面大致的分布规律,并从自然环境和路面自身分析了影响沥青路面温度分布的因素。

关键词:沥青路面 温度场 理论方法 统计方法 影响因素

前言

沥青路面暴露在自然环境中使用,受到自然环境条件和持续变化的温度作用,而沥青混合料作为一种感温性材料,温度对沥青路面的承载能力和使用性能有很大的影响,无论是高温车辙还是低温开裂,都与沥青路面的温度变化和沥青感温的性质有着密切的联系,所以对沥青路面温度场变化的研究,有利于工程技术人员更清楚的了解沥青路面的使用条件和特性,为防止沥青路面病害的产生和发展提供依据。目前,国内外对沥青路面温度场的研究已取得了一定的成果,并形成以Barber、Straub和吴赣昌为代表的理论分析法和以美国SHRP、C-SHRP、LTPP为代表的统计分析法[1]。试验证明,通过不同的方法对沥青路面温度场进行研究,得到了大致相同的温度分布规律,不同的方法仍存在其优劣性,值得进一步思考和研究。

1. 现有沥青路面温度分布规律的研究方法

由于温度对沥青路面的影响较明显,国内外对沥青路面的温度分布变化做了大量研究,研究方法主要是利用数学理论进行模拟分析的理论方法和利用实测数据进行线性回归的统计分析法。尽管研究方法不同,但是得到了大致相同的沥青路面温度分布和变化规律。

1.1 理论方法研究

将沥青路面看做均质体,利用有限元分析软件建立路面温度场的有限元模型,根据气象学和传热学的基本理论,模拟出沥青路面的温度分布规律。如:杨咏梅、庄月明,根据多年统计平均气象条件,借助大型有限元软件ABAQUS自编用户子程序,建立连续变温条件下的沥青路面温度场有限元模型[2]。付凯敏、徐立红、陈京钰通过借助有限元软件ABAQUS对浙江杭千高速桐庐试验段组合式沥青路面结构进行了温度分析,并与现场路面实测温度场进行对比,发现采用有限元数值方法模拟沥青路面结构温度场是可行的[1]。此外,罗桑等人以沪宁高速公路实体工程为例,基于热传学原理,建立了沥青路面结构体系的非线性瞬态3D温度场计算模型。并采用ADINA通用有限元软件尽享分析求解,和实测值对比发现该模型有很高的预测精度[3]。

通过大量的有限元分析方法对沥青路面的温度分析发现,利用理论方法模拟出的温度分布模型能够展现出沥青路面温度分布的大致规律。

1.2 统计方法研究

统计方法就是利用温度传感器实测沥青路面不同深度处的实时温度,并由得到的实测数据利用数理统计学的理论方法回归出路面温度变化的曲线。如:路畅、黄晓明等人通过现场埋设温度传感器,对沥青路面结构的温度变化情况进行了连续的现场观测,并分析了温度变化对沥青混合料动态模量的影响[4]。另外,李浩天等人[5]在已有的的实测数据基础上,采用分层统计的方法,克服了预估模型在路面较深处精度降低的困难,在模型中引入了温度随深度增加的衰减因子,使得通过分层统计方法建立的各层温度场模型均呈现较高的精度。

1.3 两种方法的比较

现阶段,采用两种方法对沥青路面温度场的研究都取得了一定成果。

统计分析法作为最基础的分析方法,以其实际测量的数据作为理论依据具有较高的可信度,完全可以作为该地沥青路面研究的依据指标。但是,统计的方法,需要大量的人力、物力,并且要投入相当长的时间进行观测,适用性仅仅局限于实测路段和类似路段,通用性较差。

理论分析法利用成熟的计算机技术和有限元数值分析原理,将影响沥青路面温度分布的因素综合考虑在内,进行建模处理,计算快速,无需大量人力和长时间的观测,而且理论分析法不受地区的限制,只是由于分析中假设条件较多使得建模过程过于繁琐。而且模型试验和实际状况有一定的差异。

随着计算机时代的技术发展,相信理论分析法还是有一定的发展优势,在逐渐完善的分析建模体系下,降低建模难度并提高模型的精度。

2. 沥青路面温度分布规律

路畅等在对沥青路面的温度场现场实测和分析中,得到如图1示,路面结构不同深度处温度昼夜变化情况。

图1[4] 图2[2]

如图1可以看出沥青路面不同层位一天内的温度变化规律:0-6时内路面各层温度逐渐下降,其中由于大气温度变化快于路面,最顶面的温度最先随着气温变化,也和气温最接近,最低面的温度变化受气温影响较小;6-15时,路面各层出现较大温差,随着气温升温,路面表面吸收热量温度升高,并将热量传递到下一层使下层路面也逐渐升温,此时,路面由上而下温度递减;15-24时,随着气温下降,路表面最先降温并带动下层降温。

由此可见,沥青路面在一天内经历了一次升温和降温过程,表面层最先受到气温的影响,变化最快且变化幅度较大,因此在沥青路面的设计中,对路表面层的要求比较高。

此外,如图2杨咏梅等人利用有限元分析法进行建模,得到沥青路面温度变化的曲线,其形式与图1的统计实测曲线具有相似的升降趋势,由此可以确定建模的理论分析法能够反映出温度变化趋势,在合理的条件下可以替代实测结果模拟沥青路面温度分布。

两种方法的结果均表现出了沥青路面温度场的变化趋势:阳光照射下,沥青路面结构上部温度随路面深度变化明显,随着深度增加变化趋势减弱。沥青面层在环境条件作用下温度呈现周期性变化,并且随深度的增加呈现滞后性。这是进一步分析路面应力及变形破坏的依据。

3. 影响沥青路面分布的因素

在随着气温的变化中,沥青路面不同层位表现出不同速率的变化趋势,主要由沥青路面所处的自然环境以及自身的结构特性决定。

3.1、自然环境因素

秦健、孙立军[6]通过对沥青路面的温度场研究发现,气温和太阳辐射是影响路面温度的主要环境因素,二者与路面温度的影响具有滞后性和累积性的特点。另外,降水也对路面温度场的变化有着很大影响。

3.1.1、太阳辐射

沥青路面表面直接受到太阳辐射的直接影响,辐射的热能被沥青路面吸收使得路面温度升高,并在路面结构内部向下传递热量形成路面不同温度的分布,又由于沥青受温度影响较为明显,这对沥青路面结构的承载能力造成很大影响。

3.1.2、表面热交换

路表面暴露在大气中,直接与大气接触,当气温与路面温度存在温差时,就会在两者之间发生热交换,空气的流动更促进了其温度交换的程度,尤其表现在路面散热时,空气的流动加快了沥青路面温度的下降。

3.1.3、降水影响

水作为良好的导热材料,较大的比热容为路面带走或带来更多的热量,水的蒸发吸热也很大程度上影响着路面的温度,另外水能够进入路面的空隙中,使得热交换面积增大,对温度的影响也随之增大。

3.2、路面结构影响

热量在路面内部传递,一定会受到路面材料导热系数的影响,由傅里叶定律:

K=Q*h/(Δt*s)

K为导热系数;Δt为传热时间;Q为传递热量;h为材料厚度;s为传热面积。

材料的导热系数受到路面厚度的影响,除此之外,路面内部存在的空隙和孔隙对热量的传递产生很大影响。付凯敏等人对不同沥青路面结构的温度场研究也表明基层的结构形式也对沥青路面温度场的有一定影响。

3.2.1、材料的热物理参数

不同的材料有着不同热传导能力,尤其是材料内的孔隙,沥青路面材料的传热能力对路面结构内部温度的变化产生很大影响。根据导热学原理,气体导热系数最低,液体其次,固体的导热系数最高,所以材料内部的孔隙率直接影响着材料的导热性能。

3.2.2、路面的厚度

由于温度的传递在均匀介质中是一定的,性质不同的面层传递热量的速率不同,根据傅里叶定律,其传热量与材料厚度有着直接影响,所以各层的厚度对沥青路面温度的分布有很大的影响。

3.2.3、基层的结构形式

不同的基层机构形式由于采用的不同材料和结构,对路面吸收的热量传导速率不同。由于柔性基层和组合式基层沥青路面结构中采用了级配碎石基层,其良好的热传导性能使得沥青面层温度能较快向下传递。在相同边界条件下,半刚性基层沥青路面结构内部温度最高,组合式基层沥青路面结构内部温度次之,柔性基层沥青路面内部温度最低。

4. 结束语

本文介绍了沥青路面温度场研究现状,并对其研究方法进行了比较,采用两种试验方法得到了相似的沥青路面温度分布规律,进一步证明了理论分析的可靠性,最后从自然因素和路面结构自身两方面分析了影响沥青路面温度分布的影响因素。

参考文献:

[1]付凯敏,徐立红,陈京钰.不同沥青路面结构温度场研究[J].公路工程,2009(2):53-59.

[2]杨咏梅,庄月明.沥青路面连续变温温度场模拟分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010(5):710-713.

[3]罗桑,钱振东,白琦峰.沥青路面结构非线性瞬态三维温度场模型研究[J].交通运输工程与信息学报,2009(3):33-38+56.

[4]路畅,黄晓明,张志祥.沥青路面温度场的现场观测与分析[J].公路工程,2009(6):34-37+67.

[5]李浩天,贾渝,白琦峰.柔性基层沥青路面温度场的预估模型[J].武汉理工大学学报,2010(24):84-89.

[6]秦健,孙立军.沥青路面温度场的分布规律[J].公路交通科技,2006(8):22-25.

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