三種典型瀝青路面形式的溫度適應(yīng)性分析

王孔睿，溫樹旺，趙學(xué)穎

青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島，266520

0 引言

瀝青路面作為高等級路面的主要形式，受溫度影響，車轍、推移和擁包等高溫變形類病害頻發(fā)，部分路段車轍深度可達(dá)17mm。瀝青材料具有黏彈塑性，當(dāng)溫度高于20℃時(shí)，黏性突出，在車輛荷載循環(huán)激勵(lì)作用下產(chǎn)生應(yīng)變累計(jì)，形成一定車轍變形，長此以往，高溫變形類病害發(fā)展迅速[1]。為了確保瀝青路面使用性能，指導(dǎo)瀝青路面設(shè)計(jì)，研究復(fù)雜高溫條件下的瀝青路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性是當(dāng)前公路建設(shè)的重要方面之一。

縱觀國內(nèi)外研究，溫度對瀝青路面的影響已有較多成果，主要集中于不同溫度下瀝青混合料的力學(xué)特性研究[2]。然而，這些研究對高溫環(huán)境的模擬存在不足，其研究采用特定溫度下試件的破壞性試驗(yàn)來表征瀝青混合料的力學(xué)性能，然而工程實(shí)際中，路面溫度實(shí)時(shí)變化，難以用單一溫度表征。

因此，本研究使用ANSYS有限元分析軟件，模擬我國常用的半剛性基層瀝青路面、柔性基層瀝青路面與復(fù)合式基層瀝青路面，三種路面結(jié)構(gòu)形式溫度場，深入開展路面結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性研究，從而有效提升瀝青路面的耐久性[3]。

1 路面結(jié)構(gòu)形式

選取國內(nèi)常用的半剛性基層瀝青路面、柔性基層瀝青路面與復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，如表1所示。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)

2 有限元模型的建立

2.1 路面結(jié)構(gòu)模型

本研究采用ANSYS有限元軟件，溫度場模型采用SOLID70單元，x、y、z方向的長度分別為5m、6m、6m，如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2 邊界條件

影響路表熱通量的因素復(fù)雜，包括氣溫、風(fēng)速、云層覆蓋情況等[4]。為了便于建模，本文僅考慮太陽輻射、路表輻射與對流換熱。

太陽輻射的日過程函數(shù)如式（1）和（2）所示：

式中，q0為中午最大太陽輻射（MJ/m2）；qd為一天中的太陽總輻射（MJ/m2），本文中取31MJ/m2；T為一天中日照時(shí)間（h），本文中取15h；ω為角頻率（1/小時(shí)），ω=2π/24。

路表輻射遵從Stefan-Boltzmann定律，可用式（3）表示：

式中，Ts u r為路表溫度（℃）；Ta i r為氣溫（℃）；σ為S t e f a n-Bol t zma n n常數(shù)，取5.669×10-8W/（m2℃4）；ε為路表放射率，本文中取0.7（晴朗日）。

對流換熱可用式（4）表示：

式中，qcomv是對流換熱強(qiáng)度（W/m2）；Ts是路表面溫度（℃）；Tair是氣溫（℃）；h是換熱系數(shù)（W/m2℃），受到風(fēng)速影響，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，本文中取20.6 W/m2℃。

路表的熱通量為上述三項(xiàng)之和，可表示為：

由于隨著路基深度的增加，環(huán)境因素的影響逐漸減弱[5]。因此，本文中將路基深1.5m以下設(shè)為恒溫20℃。

3 瀝青路面材料參數(shù)

本文中路面材料的熱物性參數(shù)取值見表2。

表2 瀝青路面材料的熱物性參數(shù)取值[7]

4 模擬結(jié)果與分析

以氣溫較高的8-20時(shí)為研究對象，不同瀝青路面形式的溫度場變化如圖2-4所示。

圖2 上面層層底溫度變化

圖3 下面層層底溫度變化

圖4 上基層層底溫度變化

通過圖2-4可以看出，路面結(jié)構(gòu)溫度場變化相對于氣溫存在滯后，而且隨著深度的增加，時(shí)間滯后性趨于明顯[6]。以柔性基層瀝青路面為例，上面層最高溫度較最高氣溫滯后1小時(shí)，而對于下面層層底最高溫度滯后5小時(shí)，基層滯后7小時(shí)左右。

同時(shí)，結(jié)構(gòu)溫度會(huì)隨著深度的增大而變化趨于不明顯，就半剛性基層瀝青路面一天變化而言，上面層層底最低溫度和最高溫度相差10℃，而基層層底溫度相差不超過3℃。

此外，不同結(jié)構(gòu)形式受溫度影響存在差別，對比三者可以發(fā)現(xiàn)，半剛性基層瀝青路面中下面層層底溫度變化最大，而基層層底已經(jīng)幾乎沒有溫度變化，可知在該種類型瀝青路面結(jié)構(gòu)中太陽輻射的熱量并不很好地向下傳遞，而主要滯留于瀝青面層中，造成面層車轍等高溫病害頻發(fā)[7]。進(jìn)一步觀察其他兩種路面結(jié)構(gòu)形式，可知溫度能夠較好地向下傳遞，減少面層的熱量滯留，避免高溫變形病害的產(chǎn)生，有利于延長高溫地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)的使用壽命[8]。

5 結(jié)語

瀝青路面的溫度敏感性較高。為合理選擇瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，本文建立有限元溫度場模型，分析半剛性基層瀝青路面、柔性基層瀝青路面與復(fù)合式基層瀝青路面的溫度適應(yīng)性。研究發(fā)現(xiàn)隨著深度增大，氣溫的影響明顯減弱，并且結(jié)構(gòu)溫度的變化與氣溫變化相比有一定程度的滯后性；此外，溫度場模擬結(jié)果顯示，半剛性基層瀝青路面不能較好地將太陽輻射能量向路面結(jié)構(gòu)深處傳遞，造成熱量在瀝青面層中滯留，變形類病害頻發(fā)，其結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差。