陶瓷瀝青路面溫度場熱散失的有限元研究

徐 曇 云

(江西省交通工程集團公司，江西 南昌 330025)

陶瓷瀝青路面溫度場熱散失的有限元研究

徐 曇 云

(江西省交通工程集團公司，江西 南昌 330025)

利用有限元軟件建立了基于熱傳導理論的瀝青路面溫度場模型，模擬了不同陶瓷摻量的瀝青混合料在施工階段的熱量散失狀態以及高溫條件下的路面溫度變化，結果表明：陶瓷摻量的增加，能有效減少攤鋪壓實過程中鋪層熱量的散發。

陶瓷瀝青混合料，導熱系數，熱量散失，路面溫度場

0 引言

我國行車道路已發展到了一個新階段，在滿足了車輛通行的要求后，更是在路面的使用年限，損害程度和對環境的影響方面提出了新的要求[1]。這也是各工程界學者近年來不斷研究的方向。瀝青作為一種粘彈塑性體，在不同溫度條件下表現出不同的特性[2]。瀝青混合料在施工階段中最低攤鋪溫度可達130 ℃～140 ℃，并且壓實過程對混合料溫度也有一定要求；同時，瀝青路面表面的溫度在夏季高溫可以達到50 ℃[3]。如何減少施工階段瀝青混合料的熱散失以延長有效壓實時間，并且降低瀝青路面夏季高溫時的路表溫度為本文的研究重點。

陶瓷作為一種顏色淺、導熱系數小的材料[4]，將陶瓷粉末代替部分細集料應用到瀝青混凝土中，形成導熱系數較小的陶瓷熱阻式路面，可以有效減少施工階段的熱散失，并且降低瀝青路面結構的溫度。

1 溫度場模型的建立

瀝青路面溫度場分布受氣象環境等要素影響。瀝青路面與大氣環境和路基深處進行能量交換，這些能量的流入與流出導致了瀝青路面溫度場的不斷變化，能量之間以傳導、對流和輻射三種形式互相傳遞。進入路面結構的能量有太陽輻射、散射輻射和大氣逆輻射，而路面往周圍環境傳遞熱量方式包括熱輻射散熱、熱反射和對流換熱。

本研究選用ABAQUS有限元建立路面溫度場模型[5]，按等體積替代法輸入不同摻量(0%，10%，20%，30%，40%，50%)的陶瓷粉末瀝青混凝土的熱物性參數，包括導熱系數λ[6]，密度ρ，比熱容c和熱擴散率α，并模擬在太陽輻射，氣溫及對流熱交換，路面有效輻射作用下，瀝青路面溫度場的變化及熱散失情況。

所選路面結構如表1所示。

表1 瀝青路面結構組成 cm

2 施工階段瀝青路面的熱散失

利用溫度場模型模擬施工階段瀝青面層的鋪裝，其上面層SMA-13的攤鋪溫度為140 ℃，路面結構中下面層初始溫度沿豎向差異不大，為25 ℃。環境溫度為28 ℃，風速為3 m/s。

計算并分析不同陶瓷摻量瀝青混合料不同結構層在施工階段的溫度變化。

其計算結果如圖1所示。

由圖1可知：

1)不同陶瓷摻量下，鋪層表面和層中溫度均下降較快，而后下降率趨于平緩；下層層中和底面溫度均先上升，而后趨于平緩。

2)與普通瀝青混合料相比，陶瓷瀝青中鋪層表面降溫曲線在初始階段有向下的反彎，鋪層層中降溫曲線在初始階段有向上的反彎。并且，隨著陶瓷摻量的增加，反彎越來越明顯，表明鋪層表面和鋪層層中在初始階段的降溫差異逐漸增大。

3)隨著陶瓷摻量的增加，鋪層表面溫度下降程度逐漸減緩，并且鋪層層中的溫度變化更為明顯。

4)下層層中與下層層底的溫度變化幾乎不受陶瓷摻量的影響。

分析結果表明，瀝青混合料中陶瓷摻量的增加，導致了攤鋪層導熱系數減小，攤鋪層內熱傳導能力下降，從而在同一時間段，鋪層表面和鋪層層中的溫度相對增加；而下層的瀝青混合料導熱系數不變，且下層熱量主要是鋪層瀝青的溫度向下熱傳導得到的，因此，下層路面結構溫度受表層攤鋪的影響不大。

Tegeler研究表明[7]瀝青混合料鋪層層中溫度下降至85 ℃時為有效壓實時間，本文以此溫度為有效壓實的標準，利用溫度場模型模擬不同陶瓷摻量下的有效壓實時間，其結果如表2所示。

表2 不同陶瓷摻量下瀝青路面有效壓實時間

由表2可知：隨著陶瓷瀝青的摻量從0%增加到50%，有效壓實時間增加了1.2倍；50%陶瓷摻量的瀝青混合料有效壓實時間則為44 min，比不摻陶瓷的瀝青混合料有效壓實時間長24 min。

3 運營階段瀝青路面的熱散失

模擬夏季高溫條件下瀝青路面的溫度變化，采集某日溫度數據，其日最高氣溫為35.6 ℃，最低氣溫為22.8 ℃，日平均氣溫為29.2 ℃，日平均風速為2.5 m/s。

計算并分析不同陶瓷摻量的瀝青混合料作用下，路面各結構層溫度的日溫差變化規律如圖2所示。

由圖2可知：

1)隨著瀝青混合料中陶瓷集料摻量的增加，路表的最高溫度有所增加，但是增量不明顯。

2)不同陶瓷摻量下的曲線基本重合，路表出現最高溫的時間也基本保持不變。

3)道路層中的最高溫度隨陶瓷摻量的增加逐漸減小，并且最高溫出現時刻也逐漸地延遲。

4)陶瓷瀝青混凝土應用于路面表面層后，主要降低了路面中下面層的溫度，距離路表4 cm處的最高溫度下降尤為明顯。

分析結果表明，陶瓷集料的摻入改變了面層材料的導熱系數，材料的導熱系數越小，熱量往下傳遞的能力越差，一方面，熱量在面層累積較多，使得路表溫度增加；另一方面，往下傳遞的熱量變少變慢。因此，路面結構內部的溫度降低，最高溫出現的時刻延遲。此外，路表10 cm與18 cm處離路表較遠，其本身溫度變化幅度就不如距路表4 cm處大，故相對降溫幅度較小。從數值上看，50%陶瓷摻量下，距路表4 cm深度處的最高溫度降低了4.42 ℃，10 cm深度處的最高溫度降低了3.0 ℃，而18 cm深度處的最高溫度降低了約1.67 ℃，說明陶瓷瀝青混凝土用于路面表面層能起到一定的隔熱效果。

4 結語

本研究選用ABAQUS有限元建立了路面溫度場模型，模擬了0%～50%的不同陶瓷粉末摻量瀝青混凝土在施工和運營過程中的溫度場及熱量散失狀況，主要研究結論有：

1)在瀝青混合料中摻加陶瓷粉末形成陶瓷混合料，能夠降低材料導熱系數，改善路面材料熱物性參數。陶瓷摻量的增加，能有效地防止攤鋪壓實過程中鋪層溫度的散發，從而減緩鋪層表面溫度的變化，但是對鋪層下結構深度的溫度影響不大。2)以鋪層層中瀝青混合料溫度下降至85 ℃為有效壓實時間，有限元計算表明50%陶瓷摻量的瀝青混合料有效壓實時間則為44 min，比不摻陶瓷的瀝青混合料有效壓實時間長24 min。3)在瀝青路面的運營階段，陶瓷瀝青混凝土能改善夏季高溫天氣下的瀝青路面結構溫度。有限元計算表明不同陶瓷摻量的瀝青路面路表溫度基本保持不變，而50%陶瓷摻量的瀝青路面，距路表4 cm深度處的最高溫度較不摻陶瓷的瀝青路面降低了4.42 ℃。

[1] 余清河.對我國瀝青路面設計的幾點改進建議[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2004，23(2):40-41.

[2] 趙延慶，黃大喜.瀝青混合料破壞階段的粘彈性行為[J].中國公路學報,2008,21(1):25-28.

[3] JTG F40—2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[4] 楊 輝,郭興忠,樊先平,等.我國建筑陶瓷的發展現狀及節能減排[J].中國陶瓷工業，2009(7)：20-23.

[5] Song,H.,Xie,Z.,Zheng,H.,etc..Numerical Simulation for Temperature Field of Subgrade on Seasonal Frozen Area[J].International Conference on Transportation Engineering，2007(3)：1753-1758.

[6] 陸 琳,江 麗,馮 青,等.陶瓷粉末中固相物質導熱系數的計算方法[J].陶瓷學報，2012,33(3):361-364.

[7] Tegeler P A,Dempsey B J.A method of predicting compaction time for hot-mix bituminous concrete[J].Association of Asphalt Paving Technologists Proc，1973(1)：42.

A study on temperature field and heat losing of ceramic asphalt pavement based on finite element analysis

Xu Tanyun

(JiangxiCommunicationsEngineeringGroupCompany,Nanchang330025,China)

The paper adopts the finite element software to establish the asphalt pavement temperature field model based on the heat conduction theory,simulates the heat loss status of the asphalt mixtures with various ceramic mixing volumes and the pavement temperature changes under high temperature conditions,proves by the result that the addition of the ceramic mixing can effectively reduce the pavement thermal dissipation in the pavement compaction process.

ceramic asphalt mixture,heat conduction coefficient,thermal dissipation,pavement temperature field

2015-10-23

徐曇云(1981- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)36-0143-03

U416.217 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A