混合瀝青路面結構溫度耦合演變與仿真模擬研究

張巧慧 崔 凱

1(陜西鐵路工程職業技術學院鐵道工程系 陜西 渭南 714000)2(武漢科技大學資源與環境工程學院 湖北 武漢 430081)

0 引 言

隨著我國“一帶一路”戰略的提出，大量的道路工程建設迫在眉睫。瀝青混合料以其優良的減震、著力等性能而備受關注。同時，瀝青混合料作為一種半剛性基層材料，其抗壓、抗彎拉、抗劈裂強度和模量等參數，都無一例外地隨溫度的變化而變化，其溫度裂縫以及高溫抗車轍性能的好壞直接關系到行車安全和工程使用壽命。因此，大量學者針對這一現象進行了廣泛的研究。

康海貴等[1]給出了不同溫變階段下任意深度處瀝青溫度的預估模型。艾長發等[2]模擬計算了在不同溫度場狀況下瀝青路面力學響應。李雪毅等[3]得出路面各層溫度隨加熱時間的增加而升高。韋璐等[4]預估并分析行車荷載與溫度綜合作用下瀝青路面的疲勞損傷。馬翔等[5]對不同環境溫度條件下瀝青混合料進行強度實驗。顧海榮等[6]建立瀝青路面溫度場的三維模型。趙毅等[7]采用BISAR軟件計算分析瀝青路面不同溫度區間偏應力的分布規律。宋小金等[8]建立了路面結構溫度與路表溫度等因素的預測模型。郭學東等[9]采取回歸分析的方法，建立路表的計算模型。李強等[10]通過多元線性回歸分析不同地形氣候條件下的瀝青路面內部溫度計算方程。上述研究人員均取得了優秀的研究成果，但瀝青路面的溫度場往往是由多種因素共同累加而成。因此，僅僅考慮瀝青表面溫度或瀝青層厚度對傳熱的影響是不準確的。

本文將影響瀝青路面安全的不利因素(太陽輻射、高溫環境和風速)進行耦合，即熱輻射、熱傳導和熱對流的耦合過程，以此分析瀝青路面的溫度場。結合現場實測數據對建立的多場耦合模型進行對比與驗證，進一步探究自然環境下瀝青混合料路面結構溫度演變過程，拓展路面結構溫度演變規律的研究思路和方法。

1 瀝青路面結構溫度影響因素

瀝青混合料路面結構在服役周期及服役環境中，時時刻刻經受著不同自然環境的周期性影響，這些影響因素中對瀝青混合料路面結構溫度演變過程影響較大的有太陽輻射、氣溫、風速、降雨、降雪等[11]。對于太陽輻射、氣溫和風速這三種影響因素，均可以通過傳熱過程進行仿真模擬，如：太陽輻射-熱輻射，氣溫-熱傳導，風速-熱對流。而降雨和降雪這兩個隨機不確定因素，對傳熱過程會有著較大的影響：熱濕耦合傳遞，但從道路結構安全上分析，降雨和降雪可以減緩傳熱過程[12]，防止瀝青材料受溫度應力被拉壞。

1) 熱輻射。瀝青混合料路面結構服役過程中，其溫度變化的最主要的熱量來源因素為太陽輻射所產生的熱量[13]。

2) 熱對流。根據傳熱學基本原理，流體(風)在與固體直接接觸時所發生的熱量傳遞過程，稱為對流換熱[14]。本文中對流傳熱的基體為空氣，其相應傳熱屬性均可容易查得。

3) 熱傳導。熱傳導實質是由物質中大量的分子熱運動互相撞擊。當瀝青混合料路面結構作為研究對象時，其熱傳導現象主要為兩部分[14]：(1) 瀝青混合料路面結構內部中能量由高到低傳導；(2) 瀝青混合料路面結構中能量向自然環境或者道路結構基層傳導。

2 瀝青混合料路面結構溫度模擬

科學研究過程中，傳統的物理模擬實驗是廣大科研人員所能接受的最為準確的研究手段。但是其弊端也同樣困擾著科研人員：一方面，傳統物理實驗往往需要成熟可靠的實驗儀器提供較為準確的外部試驗環境；另一方面，由于瀝青混合料的特殊性，其成型周期較長，同樣需要提供較多的人力和時間成本。得益于計算機技術的飛速發展，有限元仿真技術的出現彌補了傳統物理實驗的局限性[15]。本文基于ANSYS有限元軟件，針對瀝青混合料路面結構中熱輻射、熱對流和熱傳導三種傳熱模塊進行耦合模擬，探究其溫度演變規律。

2.1 模擬邊界條件的設定

為保證仿真模擬結果的準確性，需要將仿真模擬過程的邊界條件盡可能地與結構真實外部服役環境保持一致。本文邊界條件及網格劃分如圖1所示。

圖1 邊界條件設定和網格劃分結果

路面底部為道路結構基層，假定基層材料已經澆筑養護完成，即基層材料溫度已經與外界環境達到平衡，因此假定瀝青路面底部邊界為自由邊界。

2.2 模擬參數設定

(1) 氣溫和輻射。氣溫與輻射是瀝青路溫度場的主要影響因素，瀝青路面各深度的溫度狀況也同氣溫一樣呈周期性變化。實驗測得某地夏季氣溫和輻射變化如圖2所示。

(a)

(b)圖2 氣溫和日輻射隨時間變化圖

(2) 熱物理參數。設定瀝青及混合料中粗骨料的相關熱物理參數，如表1所示。

表1 熱物理參數

3 仿真模擬

3.1 溫度隨時間演變規律

利用本文建立的多物理場仿真模型(熱輻照、熱對流和熱傳導)，模擬瀝青混合料路面結構在一定邊界條件下，其內部溫度隨時間變化的演變規律，結果如圖3所示。

(a)

(b)

(c)

(d)圖3 瀝青混合料面層溫度云圖

由圖3可以清晰地看出，瀝青混合料路面結構表層溫度隨時間變化最為明顯，這是由于表層結構所接受的熱輻射最為直接，其溫度變化的主要影響因素來自太陽的輻射強度，且溫度變化速率較快，這一現象隨著結構層深度的增加而逐漸衰減。

同時，由于瀝青混合料中石子的熱傳導性能遠高于瀝青，石子在混合料中的熱橋作用較為明顯，具體體現在圖3中等溫線在粗骨料周圍出現下凸形式。

3.2 溫度隨深度演變規律

為探究瀝青混合料路面結構溫度隨深度的演變規律，分別選取距瀝青混合料路面結構表面20 mm和100 mm處作為研究觀測點，并每隔半小時進行數據采集。在ANSYS軟件中可通過在上述兩個深度預置探針，以達到實時觀測該深度溫度變化的目的。模擬過程結束后，可將模擬結果以數據表格的形式導出并繪圖，結果如圖4所示。

圖4 瀝青路面結構溫度隨深度演變規律

由圖4可以清晰地看出，瀝青路面結構溫度隨時間變化而呈現出明顯的周期性趨勢，其溫度在13：00左右達到最高值，隨后其溫度隨著熱輻射和環境氣溫的降低而逐漸減弱，并在5：00左右達到一天的最低值。出現這一變化規律的原因是外界環境溫度和輻射對路面溫度分布影響較大，如從圖2中可以看出外界溫度從7：00開始逐漸升高，且瀝青路面溫度也從7：00開始升高。

從瀝青埋入深度的角度分析，可以發現結構內部溫度隨著測量深度的變化而變化，20 mm和100 mm兩種深度的最大溫差出現時間與路面結構最高溫度出現時間一致。這與本文所采用的仿真模擬方法具有較高的一致性，也證明了本文方法的準確性和可靠性。

4 結 語

本文采用多物理場仿真模擬與實驗相結合的方法，探究了瀝青混合料路面結構的溫度演變規律，得到了如下主要結論：

(1) 隨著深度的增加，路面結構溫度逐漸下降，并且其最大溫差與結構最大溫差在相同時間出現。

(2) 瀝青混合料路面結構溫度變化具有明顯的周期性，隨著時間的增加，瀝青路面結構溫度先增加后降低。結構最高溫度出現在13：00左右，最低溫度出現在5：00左右，且同一時間條件下不同結構深度的最大溫度差與結構最高溫度同時出現。

本文建立的ANSYS模型與實測數據較為吻合，可靠性較高。今后瀝青路面運營使用過程中，為避免較大的溫度差破壞瀝青結構，可利用該模型進行分析預警，提前對結構薄弱處采取灑水降溫等措施。