瀝青路面結構溫度變化規(guī)律數(shù)值模擬分析

丁文玲　王進

【摘? ? 要】：為防止高溫或低溫極端環(huán)境下瀝青路面開裂，對瀝青路面結構溫度變化規(guī)律進行數(shù)值模擬分析，建立瀝青路面不同層級結構間的時間與空間坐標函數(shù)，測定瀝青路面溫度演變傳導材料系數(shù)，得到路面不同層級結構中的綜合熱交換系數(shù)。分析五層式瀝青路面結構在不同季節(jié)的數(shù)值模擬溫度變化，得出：在月內(nèi)溫度變化中，越靠近地表的路面結構，溫度變化趨勢越接近外界環(huán)境溫度；越遠離地表，溫度越穩(wěn)定。在與實際溫度測量結果的對比中，二者之間的差值為0.1～0.7 ℃，誤差均不超過1 ℃。

【關鍵詞】：瀝青；路面；溫度

【中圖分類號】：U416.217【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-16-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.005

Numerical Simulation Analysis of Temperature Change Law of Asphalt

Pavement Structure

DING Wenling， WANG Jin

（China Construction Second Engineering Bureau Co. Ltd.， Shanghai 200000， China）

【Abstract】：In order to prevent the cracking of asphalt pavement in extreme environments such as high temperature or low temperature， the numerical simulation of the temperature evolution law of asphalt pavement structure is analyzed， establishing the time and space coordinate functions between the different hierarchical structures of the asphalt pavement， measuring the thermal conductivity material coefficient of the asphalt pavement temperature evolution to obtain the comprehensive heat exchange coefficient in the different hierarchical structures of the pavement. Through analyzing the numerical simulation temperature change results of the five-layer asphalt pavement structure， it can be concluded that： in the temperature change within a month， the closer the pavement structure is to the surface， the closer the temperature change trend is to the outside world， the farther away from the surface， the more stable the temperature. In the comparison with the actual temperature measurement results， the difference is 0.1～0.7 °C and the error range is within 1 °C.

【Key words】：asphalt； pavement； temperature

通常情況下，瀝青路面會由于溫度變化導致開裂。如果瀝青路面在低溫條件下應力收縮強度過高，就會出現(xiàn)低溫開裂；當路面溫度與下層溫度差距較大時，會出現(xiàn)溫度疲勞開裂；當較短時間內(nèi)瀝青路面溫度變化較大時，會出現(xiàn)溫縮反射開裂。為降低開裂概率，延長使用時間，保證車輛行駛的安全性與舒適性，需要對瀝青路面的溫度進行實時監(jiān)測；但是溫度傳感器容易由于外部環(huán)境惡化導致?lián)p壞，這時候可以通過環(huán)境溫度的變化以及數(shù)值模擬分析，得到瀝青路面結構溫度的變化規(guī)律[1]。本文通過數(shù)值分析法，建立熱傳導意義上的溫度場理論模型，在極端高溫、極端低溫以及常溫環(huán)境下的溫度場變化趨勢下，進行數(shù)值模擬分析，結合實際測量結果，判斷數(shù)值回歸模型的精度以及實用性。

1 溫度演變規(guī)律數(shù)值模擬方法研究

1.1 瀝青路面熱傳遞節(jié)點分析

瀝青路面一般有4～6層的結構，自然環(huán)境下溫度通過路面依次向下傳遞。經(jīng)典熱力學通常將熱量作為熱傳導、熱對流以及熱輻射的基本單位，各物質間的導體相互連接時，可以在不同的密實固體物質間產(chǎn)生溫度變化，此時的溫度遵循傅立葉定律

[ρrl=-δfThdtdx] （1）

式中：[ρrl]為外界環(huán)境下的熱流密度；[δf]為瀝青材料的導熱系數(shù)；[Th]為自然環(huán)境溫度；[dtdx]為溫度函數(shù)在不同路面結構下的梯度方向變化值[2～3]。

不同層級間，路面結構隨著與地表距離的增加，其導熱系數(shù)會逐漸減弱，直至最下一層，路面的導熱能力降至最低。見圖1。

在溫度場中，可以得到時間與空間的坐標函數(shù)

[Tf=fa，b，c，t] （2）

式中：[Tf]為溫度場的坐標函數(shù)；[a]、[b]、[c]均為空間坐標；[t]為時間坐標[4]。

在節(jié)點內(nèi)部溫度隨時間變化的同時，可以將溫度場分割為兩部分，分別是穩(wěn)態(tài)溫度場和非穩(wěn)態(tài)溫度場。此時三維的溫度場一般擁有較大的寬度和長度，厚度較弱，因此可以將該導熱機制轉化為一個沿深度發(fā)散的熱傳導節(jié)點機制。

1.2 測定瀝青路面材料熱傳導系數(shù)

材料是瀝青路面結構溫度變化過程中最重要的一個性能參數(shù)，可以決定路面導熱能力的上下限。在圖1所示的溫度梯度變化中，導熱系數(shù)通常與瀝青路面厚度及給定的溫度梯度有關，一般而言，導熱能力最強的是純金屬，最差的是氣體物質，而瀝青這種典型非晶體的導熱系數(shù)則一般取決于絕熱性能，其測定函數(shù)為

[Tλ=Qpti] （3）

式中：[Tλ]為某結構層中瀝青的導熱系數(shù)；[Qp]為熱量傳遞參數(shù)；[ti]為外界環(huán)境溫度。

導熱系數(shù)會隨著導溫系數(shù)與材料密度的比熱容發(fā)生變化，在熱流密度與固體速率越來越快的同時，其壓實度、孔隙率、含水量等道路質量評價參數(shù)也會有較大的影響[5]。因此，可以在導熱系數(shù)與材料濕度之間，增加一個與瀝青導熱性能有關的系數(shù)，作為非金屬材料的性能參數(shù)。見表1。

根據(jù)表1，可以詳細計算路面與不同結構表層的熱交換系數(shù)。被空氣包圍的路面一般會發(fā)生兩種相互獨立的熱交換，在輻射導致的熱交換中，由于傳導和對流的影響，可以令輻射部分的對流影響在一定范圍內(nèi)并得到綜合熱交換系數(shù)。

[Gb=Gf+Gk] （4）

式中：[Gb]為瀝青路面各個結構總的熱交換能量；[Gf]為單位溫差下由接觸面積部分得到的交換熱量；[Gk]為未接觸部分的交換熱量。

一般情況下，熱交換系數(shù)還沒有較為準確的計算結果，在路表與最下層的路面結構之間，還存在若干可能影響熱交換常數(shù)的參數(shù)；因此，只有在獲取并測定瀝青路面材料熱傳導系數(shù)之后，才能夠得到溫度變化規(guī)律的數(shù)值模擬結果。

1.3 建立溫度變化數(shù)值分析模型

建模前，首先需要對路面結構的溫度場進行若干假設：

1）各項同性體之間的結構均為均勻完整的模型；

2）在給定的材料導熱系數(shù)之外，還存在層間溫度與熱流連續(xù)運動，作為熱量交換的載體；

3）如果不將溫度場的橫向變化作為路面結構的溫度傳遞方式，可以在給定的垂直方向進行溫度的模擬與分析；

4）在給定的溫度場熱量參數(shù)外，還存在若干其他溫度參數(shù)隨著熱量的變化而變化；

5）模型的變化周期一般為1個月。

建立瀝青路面各層級結構的溫度場模型，首先需要設定瀝青路面的結構及瀝青路面材料的物理特性，計算瞬態(tài)分析步頻，將氣溫子程序調入對流交換機制中，在輸入大氣溫度變化以及路面輻射模型后，劃分單元結構，從而分析溫度場的變化結果[6～7]。在路面的帶狀體系中，需要將土基水平方向與豎直方向作為一個無限的模型，利用有限元分析軟件，可以模擬瀝青路面的溫度，選擇一定的尺寸作為數(shù)值模擬的初始參數(shù)。在程序模塊中，需要首先建立Part模塊，將瀝青路面的物理特性以及裝配分析的步驟全部輸入到模擬軟件中，結合相互作用的荷載模塊分別標記不同的路面示范結構層，在不同的裝配模塊中，將面層與基層的兩個部件作為溫度場計算增量值，在設定最大溫度時，將路面與周邊大氣環(huán)境的熱量交換機制作為單元結構的核心。在模型中，還需要設定瀝青路面溫度場的變化影響因素，以保證數(shù)值分析的準確性，該影響因素包括外部大氣環(huán)境的溫度、路面測量的初始溫度、不同密度瀝青路面的物理材料特性等。見圖2。

2 數(shù)值模擬

2.1 工程數(shù)據(jù)獲取

在溫度場分析模型中，采用ABAQUS進行溫度演變規(guī)律分析，設定初始的材料系數(shù)及模型內(nèi)的初始溫度場，直接給定外界的環(huán)境溫度變化曲線，在大氣溫度下，得到最終的溫度場。在單元格模式內(nèi)，有限單元的屬性名稱需要設定為Coupled Temperature -Displ acement，將不同結構層的平面應力縮減到相應的單元內(nèi)，形成一個較為穩(wěn)定的溫度狀態(tài)。在改變面層與基層的接觸狀態(tài)后，實現(xiàn)溫度場的變化模擬分析。

瀝青是一種非常典型的黏彈塑性體，在自然環(huán)境下受溫度影響非常大，過低或過高的溫度均會導致瀝青路面的力學特性發(fā)生變化，從而使路面的使用壽命以及安全性受到破壞。在對瀝青路面結構的溫度變化規(guī)律進行數(shù)值模擬分析時，首先需要獲取非常豐富的溫度場分布數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的溫度場數(shù)據(jù)獲取方式，一般包括數(shù)值模擬、現(xiàn)場埋設傳感器等，本文從這兩方面分別進行數(shù)據(jù)擬合分析，從而保證數(shù)值模擬分析方法的準確性和有效性。以某市的主要公路線為重點研究對象，項目全場97 km，雙向4車道，路寬為24.5 m。見圖3。

路面共分為5個不同的層級。上面層為細粒式的改性瀝青混合料，共4 cm厚，中面層和下面層為粗粒式的瀝青混合料，分別為5、6 cm厚，基層與底基層均為碎石鋪墊，共25 cm厚。

2.2 溫度實測結果

為保證結果的準確性，分別將夏季高溫期（7月）、冬季低溫期（12月）及春秋常溫期（4月）的溫度變化結果作為本文溫度實測的對象，將實際傳感器分別埋設在5個層級后，可以直接得到不同溫度場下的瀝青路面溫度變化結果。通過對溫度實測數(shù)據(jù)的處理，可以得到不同層次的路面瀝青結構中溫度的變化結果。見圖4。

瀝青路面的5個結構中，越貼近地表，溫度變化幅度越大；越遠離地表，溫度變化幅度越小且5個不同層次結構的溫度變化與外界環(huán)境的溫度變化趨勢相同。

2.3 數(shù)值模擬結果精度分析

結合圖4及本文設計的瀝青路面結構溫度演化規(guī)律數(shù)值模擬分析結果，可以得到數(shù)值模擬精度。見表2。

不同的季節(jié)及不同的路面深度下，溫度模擬值與實測值的差均不超過1 ℃，可見本文數(shù)值模擬分析結果較為準確。

3 結語

本文設計了一種瀝青路面結構溫度的變化規(guī)律數(shù)值模擬分析方法，通過熱量的傳遞及溫度場的數(shù)值模擬，得到不同季節(jié)、不同路面結構中的溫度計算值。結合溫度傳感器得到的溫度測量值，可本文數(shù)值模擬分析方法準確性較高。

參考文獻：

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收稿日期：2022-03-16

作者簡介：丁文玲（1990 - ）， 女， 江蘇徐州人， 工程師， 研究方向為土木工程。