關于瀝青路面混凝土表層溫度應力的探討

賀志良

（宣廣高速公路有限責任公司）

關于瀝青路面混凝土表層溫度應力的探討

賀志良

（宣廣高速公路有限責任公司）

為分析各參數對耐久性瀝青路面混凝土基層溫度應力的影響，分析了路面結構溫度場，計算混凝土基層的溫度應力，并對計算結果進行極差與方差分析。此外，利用均勻設計表安排參數組合求解混凝土基層溫度應力，對計算結果進行回歸，得出瀝青路面混凝土基層的溫度應力實用計算公式，以指導路面結構設計。

路面工程；耐久性瀝青路面；混凝土基層

引言

實踐證明，缺乏基層強度和衰減過快的主要原因是瀝青路面的早期破壞。瀝青路面的耐久性是指影響路面結構耐久性內部和外部的因素，在設計時期使用瀝青路面，不需要花很多錢修理和維護就可以滿足道路使用功能。瀝青路面的耐久性壽命的設計可以根據需求，如30年，50年甚至更長的生命。減少瀝青路面的損壞，只要定期對路面銑和表面修補就可以確保功能的正常使用。因為瀝青路面的耐久性，瀝青路面可以制成如國外的一個完整深度，也可以使用貧混凝土、水泥混凝土或鋼筋混凝土剛性材料作為底物。由于相似性貧混凝土的力學性能和普通水泥混凝土基礎很相似，所以貧混凝土基礎課程和普通水泥混凝土基礎稱為混凝土基礎。

1 溫度應力概述

溫度應力，也被稱為熱應力，通常認為產生的原因有兩個：①結構加熱或冷卻時，由于熱膨脹和收縮變形，如果變形受到一定的限制，如位移約束或相反的力，結構中就會產生熱應力；②由于不同的材料和不均勻變形的形成（如不同的熱膨脹系數）。求熱應力，有必要確定溫度場，還要確定位移、應變、應力場，解決步驟：①通過熱傳導方程和邊界條件（對于非穩定溫度場必須初始條件）求溫度分布；②由熱彈性力學求位移和應力。

路面結構的溫度應力與變溫速率和溫度梯度沿深度的變化有關。路面結構溫度場的差異前后不同時間溫度直接決定了溫度應力的大小，表征溫度變化特征的大小是表面溫度的變化率，稱為溫度的變化率。溫度的變化率越大，此之前和之后的溫差大，因此溫度應力也大，反之亦然。通常在一天內路面結構經歷的加熱和冷卻過程中，溫度變化速率將從正到負。路面溫度上升，當溫度變化速率是正的，反之是負的，正變溫速率使路面有一個壓應力，負變溫速率率使路面產生拉應力，當溫度變化速度是0，相應時間路面溫度應力為零。同時在路面不同深度的溫度差異稱為溫度梯度，一般當上面溫度大于下面溫度時，稱為正溫度梯度，反之亦然稱為負溫度梯度。由于白天路面最高溫度和其下某一深處溫度差遠遠大于深夜路面最低溫度和其下某一深處溫度。因此最大的正溫度梯度一般比最大負溫度梯度絕對值大。

2 溫度梯度

在瀝青混凝土路面的水泥基地建設，溫度條件和表層變化。長安大學使用溫度場的有限元方法求有瀝青加鋪層的混凝土面層的溫度場，瀝青層每增加4cm，混凝土表面的最大溫度梯度層降低約30%，最高表面溫度發生延遲1h后的結果。通過使用有限元方法在空間上求解，采用時間差分法獲得溫度場，和最大溫度梯度不同的自然分工建議值，結果為現行規范（由長安大學。此外，結合混凝土強度和混凝土基礎瀝青路面結構特點、計算了混凝土基礎瀝青路面溫度梯度（見表1）。其中包括瀝青層的厚度是0～20cm，基礎厚度h2是22cm時，最大的自然分工溫度梯度變化范圍。在計算時采用瀝青層的太陽輻射吸收率0.85，導熱系數為0.0018；0.63的太陽輻射吸收率，導熱系數為0.00312。

表1 不同自然區劃的最大溫度梯度推薦值表

當基層厚度h2不等于22cm時，可按表2進行修正。

3 路面結構溫度狀況概述

在一年和一天，大氣的溫度是有周期性改變的，與大氣直接接觸的道路表面溫度也是有周期性改變的。調查結果顯示：路面溫度周期性起伏和大氣溫度的變化幾乎同時。由于地表吸收太陽輻射熱量，路面溫度高；路面結構內的溫度在不同深度也會顯示周期性變化，但波動的振幅隨深度的增加而減小，峰值也隨深度增加越來越多的延遲發生在路面溫度的狀況受內部和外部因素影響。外部因素主要包括氣候條件，如太陽輻射、陽光和云層覆蓋），空氣溫度、風速、降水、蒸發等。其中，太陽輻射和空氣溫度是來確定表面溫度的主要因素。內部因素是熱導率、熱容比熱和輻射熱量的吸收能力。

表2 不同h2的最大溫度梯度修正系數表

有兩種方法來估計路面結構的溫度，包括統計方法和理論方法。所謂的統計方法是在路面結構層不同深度嵌入式溫度測量元件，前提是在年度周期的連續觀察不同時間的溫度變化，并收集當地的氣象數據（溫度和熱輻射），然后逐步回歸分析對路面溫度的觀測和氣象因素，建立表面溫度指數回歸方程，也稱為實證方法，適用于特定區域和路面，這并不一定適用于其它地區或路面結構。理論法是基于氣象數據依據熱傳導方程推導來的。

4 瀝青加鋪層的溫度應力分析

因為瀝青材料高溫敏感性（即在不同溫度下有不同的強度和軟化特征）在夏季高溫的作用下強度降低，如果不控制路面就會發生發軟泛油或推移剪裂破壞的問題；冬天在低溫的條件下瀝青材料具有脆性，可能引起路面開裂。

瀝青材料是一種典型的粘彈性材料，粘彈性性質主要體現在以下方面：其力學特性和加載速率，速度越大，材料破壞的極限強度和剛度將增加，其力學性能對溫度非常敏感，溫度高，材料的物理特性變軟，強度和剛度退化，非常明顯的蠕變和松弛現象以及應力硬化特征。由于其高溫敏感，溫度變化在瀝青混凝土路面產生溫度應力，積累的一部分，另一部分會由于松弛效應被釋放了。因此，工程學者使用流變學理論分析瀝青路面。

基于上述理論，國內外學者已經在瀝青路面溫度應力的效果上做了很多工作。華中科技大學的羅輝等利用熱粘彈性性質，對不同冷卻條件下的瀝青路面溫度應力使用有限元程序進行了響應和分析，并研究了初始溫度，降溫幅度，表層厚度、基礎模量和溫度收縮系數對溫度應力的影響，并得出結論：初始溫度和冷卻速度對瀝青路面溫度應該有顯著影響；薄瀝青表層很容易出現反射裂縫，厚的瀝青表層可能從表面瀝青表層的基礎裂縫發展相應的裂縫。同濟大學的錢國平等使用熱粘彈性力學理論和有限元方法，以廣義Maxwell模型模擬瀝青混合料的粘彈特性，通過實驗研究和理論分析得到增量型熱粘彈性本構關系，對環境條件下瀝青路面的溫度應力場有限元計算方法進行了建立。

5 溫度應力實用計算公式

為方便結構設計，需要研究混凝土基層溫度應力的實用計算公式。為了確保溫度應力的實用計算公式的準確性，必須進行大量的計算。回歸公式，考慮到面層厚度h1，基層厚度h2，基礎模量E2，地基模量E0和溫度梯度Tg5因素，選擇的因素水平見表3。同樣，為了減少計算的數量，而不是失去的表示結果的前提下，利用均勻設計表安排參數。根據U19*（197）和它的使用表，選擇3，4，5，6，7列計算設計，計算結果如表4所示。

對表4所示的溫度應力計算結果，采用二次多項式模型進行公式回歸，并運用篩選變量的回歸技術，回歸得出置信水平為0.05時混凝土板底的溫度應力如式（1）所示。

式（1）表明，主要影響因素的主要壓力溫度的溫度梯度，基基體的模量和厚度，和正交設計找出的因素影響的大小相同。和正交設計基礎厚度效應主要是由于溫度梯度值，因為一個巨大的影響和實際使用是由于表層厚度和基層的厚度，基層的溫度梯度一般介于0.2～0.7℃·cm-1。

需要指出的是，混凝土基礎包括普通混凝土基礎和貧混凝土基礎和廣泛的模量、和實際應用過程中貧混凝土基礎和普通混凝土基底剪力聯合間距存在差異，不同模量對應的有限元分析過程可以采用不同的模型尺寸，這是今后需要進一步研究的內容。

6 結束語

對瀝青路面溫度應力分析，跟板塊結構的水泥混凝土路面不同（主要研究在一定溫度梯度下水泥混凝土板翹曲和收縮應力），這是主要研究溫度變化產生的溫度拉應力，以及在此情況下是否路面開裂和開裂規律。

表3 因素水平表

表4 根據U19*（197）表安排參數組合

[1]崔鵬，孫立軍，胡曉.高等級公路長壽命路面研究綜述[J].公路交通科技，2005（10）：14.

[2]鄭木蓮，王松根，陳拴發，等.耐久性瀝青路面混凝土基層荷載應力數值計算[J].中國公路學報，2008，21（2）：28.

[3]張起森，李雪蓮，周志剛.永久性路面綜述[J].中外公路，2006，26（3）：75.

U416.217

A

1004-7344（2016）20-0138-02

2016-7-3

賀志良（1990-），男，助理工程師，本科，主要從事高速公路養護工作。