濕熱地區瀝青加鋪層溫度分布影響因素與最高溫度擬合研究

陳全

摘要：受濕熱地區氣候環境的影響，水泥混凝土路面瀝青加鋪層溫度場備受關注。文章選取濕熱地區典型路段觀測點，設計瀝青加鋪層結構溫度場測試方案，實測瀝青加鋪層溫度場，灰關聯分析加鋪層溫度場影響因素，并采用Matlab軟件，對加鋪結構中的最高溫度進行回歸擬合研究。結果表明：路面結構內溫度隨太陽輻射和氣溫的晝夜變化而呈現出周期性變化，隨著路面深度的增加，溫度的變化幅度減少，路表2 cm處溫度為極端高溫和極端低溫區;各因素對路面結構溫度場影響顯著性排序為：日太陽總輻射>日最高氣溫>日平均相對濕度>日平均風速，并得到路表2 cm處最高溫度線性回歸分析方程。

關鍵詞：道路工程;濕熱地區;瀝青加鋪層;溫度場;影響因素;回歸分析

0 引言

濕熱地區氣候以氣溫高、濕度高、雨量大、日溫差小、無風或少風為特點，多分布在廣東、廣西、福建等南方地區。自20世紀90年代以來，濕熱地區建有大量的水泥混凝土路面，受重載交通、路面結構設計、施工及養護等多種因素的影響，水泥混凝土路面常出現裂縫、錯臺、破碎、唧泥等病害，嚴重影響車輛通行安全和路面服務質量，亟待維修改造[1-2]。加鋪瀝青混凝土罩面層是一種較理想的改造方案[3]，但因瀝青加鋪層結構的特殊性，濕熱地區瀝青加鋪層易出現車轍、水損害等早期破損，加鋪層溫度場催生了車轍病害的發育。盡管國內外對瀝青路面溫度場已有較多研究[4-9]，但針對濕熱地區瀝青加鋪層溫度場研究尚未有報道。因此，對濕熱地區水泥路面瀝青加鋪層結構溫度場及影響因素進行研究顯得尤為必要，可為瀝青加鋪層材料選擇、結構設計及溫度應力分析奠定基礎。

1 溫度場實測方案

1.1 儀器選擇及布置方案

1.1.1 儀器選擇

選用Cu50溫度傳感器，量程在-80 ℃～400 ℃，精度為0.1 ℃，WST-XSL智能巡回檢測報警儀自動讀取并打印溫度數據。

1.1.2 布置方案

為掌握濕熱地區典型路段瀝青加鋪結構的溫度變化情況，考慮到加鋪結構、地理位置等多種因素的影響，選取多處觀測點，分層埋設溫度傳感器。對于舊混凝土路面和基層，采用鉆芯機鉆孔到一定深度，埋設傳感器后立即澆筑水泥混凝土固定。為確保溫度傳感器的有效性，在舊水泥路面和基層中同一位置布置2根傳感器，面層中同一位置布置多根傳感器。代表性的觀測點溫度傳感器埋設及布置方案如圖1所示。

1.1.3 觀測周期、頻率

觀測周期為3年，每月3次，分別是每月上旬、中旬和下旬，每次觀測時間為1 d（共24 h）。在氣溫最高的7月、8月及溫度最低的12月、1月，選擇連續高溫及連續低溫的時間各加密觀測一次。智能溫度巡檢儀WST-XSL可任意設置檢測時間間隔，設定為每小時記錄一次數據，并自動打印。

2 溫度場測試與結果分析

溫度對瀝青加鋪層最不利的影響常發生在夏季高溫期和冬季低溫期，本文著重分析其溫度場。

2.1 夏季高溫期濕熱地區瀝青加鋪層溫度場

濕熱地區典型路段水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構內溫度變化代表性曲線見圖2、圖3。由圖可知，路面結構層內溫度因太陽輻射和氣溫的晝夜變化而呈現出周期性變化，并隨著路面結構深度增加，溫度變化幅度逐漸減少，路表晝夜溫差高達22.5 ℃，距路表63 cm處的路基溫度變化幅度卻僅有2 ℃。整個路面結構層內最高溫度出現在距路表2 cm左右的SMA層內，出現時間在14∶00左右。由于濕熱地區典型的氣候特征，路面結構層內溫度在夜間比路表和大氣溫度更高，這是由于濕熱地區夏天溫度高，太陽輻射強，白天路面及整個路基吸收太陽輻射熱量，雖然夜間氣溫有所下降，但導熱慢使路面結構層內部熱量無法快速傳導，當溫度還沒來得及下降時氣溫又往上升了。路面結構層內升溫和降溫速度最快的都出現在距路表2 cm處的SMA層內，升溫速度最快的時刻在10∶00左右，降溫速度最快的時刻在下午日落18∶00左右。結構層內最低溫度出現在距路表2 cm左右的SMA層內，出現時間在日出前6∶00左右。路表溫度的波動與大氣溫度波動較為相似，并且隨路面結構深度的增加，溫度波動滯后時間逐漸增加。

2.2 冬季低溫期濕熱地區瀝青加鋪層溫度場

由圖4可知，在冬季低溫期，瀝青路面加鋪層路表下2 cm處溫度最低，最低溫度達0 ℃，各時刻溫度都比路表及路面各結構層溫度低。路面結構層內各點溫度最低時刻大約在6[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00-8[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00，溫度最高時刻大約在12[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00-14[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00。路面結構層內各點溫度變化規律比較相近，升溫速度快，降溫速度相對比較緩慢。

從圖5、圖6可以看出，冬季寒冷時節，濕熱地區水泥混凝土路面瀝青加鋪結構層內距路表2 cm處的SMA中溫度最低，在10 cm以內的結構層溫度都比路表溫度低。加鋪層內溫度隨路面結構深度變化先降低，而后逐漸升高。溫度梯度隨路面結構深度增加而減小，到舊路基中已經趨于零。

2.3 不同季節瀝青加鋪層溫度分布

由圖7可知，不同季節、月份的路面結構層內溫度隨大氣溫度和太陽輻射量的變化而波動，夏季路面結構層內溫度普遍比冬季溫度高。而且，無論夏季還是冬季，路面結構層內溫度最高處在距路表2 cm處，這是因為距路表一定深度內輻射吸收的熱量比對流換熱而散失的熱量多。但隨路面結構深度的增加，溫度逐漸趨于穩定常態，路面結構層內的溫度梯度隨深度的增加而呈現衰減的趨勢。

因此，無論是夏季高溫期還是冬季寒冷期，路表2 cm處溫度都是極端高溫和極端低溫區，瀝青加鋪層的高溫車轍、低溫開裂等病害都與其有關。

灰色關聯分析是一種分析系統影響因素主次的方法，作為一種系統分析技術，可分析系統中各因素的關聯程度[10]。根據濕熱地區水泥混凝土路面瀝青加鋪層現場溫度場測試數據，選取2008年4月到10月的20組現場測試結果，對路表下2 cm處最高溫度的影響因素進行灰關聯度分析，影響因素選取日最高氣溫（℃）、日太陽總輻射量（MJ/m2）、風速（m/s）和空氣相對濕度（%）。數據統計見表1。

利用表1中的數據，計算各影響因素與路表下2 cm處最高溫度之間的灰關聯度為：E1=0.996 443（路表下2 cm處最高溫度與日最高氣溫的灰關聯度），E2=0.999 024（路表下2 cm處最高溫度與日太陽總輻射量的灰關聯度），E3=0.978 148（路表下2 cm處最高溫度與日平均風速的灰關聯度），E4=0.990 902（路表下2 cm處最高溫度與日平均空氣相對濕度的灰關聯度）。灰關聯度順序為：E2>E1>E4>E3（見圖8）。

由此可見，對于濕熱地區瀝青加鋪層溫度場影響最大的因素是日太陽總輻射量，其次是日最高氣溫、相對濕度、風速。濕熱地區大多在赤道附近，太陽輻射強度大，日最高氣溫高，空氣濕度大，從而引起瀝青加鋪層車轍病害。

濕熱地區瀝青加鋪層溫度場測試結果表明：同一時刻下瀝青加鋪層內溫度最高出現在瀝青路面面層下2 cm處。以瀝青加鋪層路表下2 cm處最高溫度為因變量，利用表1中數據，選取日最高氣溫、日太陽輻射總量、日平均風速、日平均相對濕度為自變量，采用Matlab軟件對現場測試結果進行擬合回歸分析，進一步研究濕熱地區瀝青加鋪層溫度場的影響因素。回歸分析結果見表2。

從一次、二次線性擬合結果可知，在瀝青加鋪層路表下2 cm處最高溫度與日最高氣溫、日太陽輻射總量、日平均風速、日平均相對濕度具有較好的線性關系，一次、二次線性擬合絕對誤差均值分別為0.77 ℃、0.29 ℃，相對誤差均值分別為1.79%、0.69%，計算誤差很小。因此，選用一次或二次線性擬合方程均可作為濕熱地區加鋪層層內最高溫度（路表下2 cm處）的預測方程，二次線性擬合方程計算精度較高，計算誤差相對較小。實測加鋪層層內最高溫度與一次、二次線性擬合方程計算結果見圖9。

5 結語

（1）瀝青加鋪層路面結構內溫度因太陽輻射和氣溫的晝夜變化而呈現出周期性變化，并隨著路面結構深度增加，溫度變化幅度逐漸減少。無論是夏季高溫期還是冬季寒冷期，路表2 cm處溫度都是極端高溫和極端低溫區。

（2）根據瀝青加鋪層溫度場測試數據，灰色關聯分析路表下2 cm處最高溫度的影響因素，對于濕熱地區瀝青加鋪層溫度場影響最大的因素是日太陽總輻射量，其次是日最高氣溫、相對濕度、風速。

（3）應用Matlab軟件，得出基于多影響因素的路表下2 cm處最高溫度線性回歸方程，計算的絕對誤差<1 ℃，相對誤差<2%，為進一步預測瀝青加鋪層溫度場打下基礎。

參考文獻：

[1]王松根，陳拴發.水泥混凝土路面維修與改造[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]陳拴發，楊 斌，馬慶雷，等.水泥混凝土路面瀝青加鋪層設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]楊 斌.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構研究[D].西安：長安大學，2005.

[4]劉榮輝，錢國平，鄭健龍.周期性氣候條件下瀝青路面溫度場計算方法研究[J].長沙交通學院學報，2002，18（2）：71-74.

[5]孫立軍，秦 健.瀝青路面溫度場的預估模型[J].同濟大學學報（自然科學版），2006，34（4）：480-483.

[6]賈 璐，孫立軍，黃立葵，等.瀝青路面溫度場數值預估模型[J].同濟大學學報（自然科學版），2007，35（8）：1 039-1 043.

[7]康海貴，鄭元勛，蔡迎春，等.實測瀝青路面溫度場分布規律的回歸分析[J].中國公路學報，2007，20（6）：13-18.

[8]胡小圓.瀝青路面溫度場的測試與分析[D].西安：長安大學，2011.

[9]張乃計，梁乃興，朱亞平.影響瀝青路面溫度場的氣象要素分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版）， 2011，30（6）：1 327-1 330.

[10]張岐山，郭喜江，鄧聚龍.灰關聯度分析方法[J].系統工程理論與實踐，1996，8（8）：7-11.

[11]李祖仲，王伯禹，陳拴發.路表軸載對復合式路面應力吸收層結構內力的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2012，32（1）：20-25.

作者簡介：陳 全（1974—），碩士，高級工程師，研究方向：高速公路運營管理。