高寒區瀝青路面結構溫度應力分析

李埃軍+李東成

摘 要：針對高寒地區的瀝青路面開裂情況不同于大多數道路的情況，分析了瀝青混合料低溫開裂的機理，得出瀝青混合料低溫開裂的關鍵因素——低溫勁度模量和松弛系數。采用半剛性基層瀝青路面，研究了低溫氣候條件下路面結構溫度場和溫度應力，發現路表的溫度變化幅度最大，溫度應力也最大。

關鍵詞：高寒區；瀝青混合料；低溫縮裂；低溫勁度模量

中圖分類號：U416.03 文獻標志碼：B

0 引 言

高寒地區的瀝青路面開裂情況與其他地區道路的開裂狀況有所不同。低溫地區路面的裂縫是從路表面開始逐漸向下延展，與道路延伸方向基本垂直。而且大部分路面在第一年冬季寒冷期就產生開裂，并隨著時間的推移裂縫越來越多。為了準確分析低溫條件下瀝青路面結構內部的情況，本文建立了相應的瀝青路面結構低溫開裂模型，用以對路面實際情況進行模擬。首先對瀝青路面結構內部的溫度場進行分析，然后得出瀝青路面結構內部的溫度應力分布，從而得出在低溫條件下瀝青路面結構容易產生破壞的層位及其影響因素，最后針對此種情況提出適于低溫氣候環境的控制因素。

1 瀝青混合料低溫開裂的機理分析

低溫收縮裂縫的形成與材料熱脹冷縮的性能呈正相關，如果在低溫收縮過程中材料不受任何限制可以自由伸縮，即使溫度大幅度變化，材料內部也不會產生應力；然而，瀝青路面面層與基層之間存在著相互約束，在溫度降低時面層內會產生一定的溫度應力，當應力的大小大于材料在此溫度下的抗拉強度時，面層就會產生低溫縮裂[1]。瀝青混合料在較大的溫度范圍內可以被認為是一種粘彈性材料，由于溫度的下降而引起的溫度應力可以通過應力松馳而消散。然而，在一個較低的溫度范圍內，由于此時瀝青混凝土更趨近于彈性材料，溫度應力不能通過應力松馳消散，而是不斷積聚，最終導致低溫縮裂。

2 低溫氣候條件下路面結構溫度場和溫度應力分析

材料的溫度收縮系數是溫度場與時間的函數，所以在進行應力計算時，應該將溫度場與應力場結合起來考慮。首先對瀝青路面結構進行溫度場的模擬，然后將節點溫度作為外部荷載與路面結構進行耦合分析，系統地將兩者結合起來考慮[24]。

2.1 低溫氣候條件下路面結構溫度場分析

對于嚴寒地區的道路，主要考慮的是低溫條件下瀝青內部的開裂破壞；而極端低溫狀況主要發生在凌晨3～5點，這時沒有太陽直接輻射和散射輻射，風速對這種熱交換有一定影響，主要考慮路面與空氣間的熱交換。計算溫度場時，材料的熱工參數包括材料的密度、比熱、導熱系數、對流熱交換系數、輻射率。不同級配的瀝青混和料在不同溫度條件下的熱工參數不同，但相差不大，計算時一般取常數， 模型的材料參數如表1所示。

本文采用半剛性基層瀝青路面，結構模型如圖3所示。瀝青面層分3層考慮，基層和底基層選用水泥穩定碎石。一般情況下，在路表以下80 cm時外界氣溫的影響可忽略不計，本文土基厚度選為42 cm。

采用ANSYS進行溫度場和結構的相互耦合有限元分析，溫度梯度方向為路面結構的深度方向；低溫收縮時瀝青路面在路線方向上受到約束，產生的裂縫主要為橫向裂縫。由此，溫度場的計算可以簡化為平面應力或平面應變問題。因此，計算單元采用平面8節點等參單元；沿路線方向垂直取截面，X向為路線方向，Y向為深度方向，X向兩端約束。

2.2 低溫氣候條件下路面結構溫度應力分析

計算溫度應力時，瀝青混和料的勁度模量、基層材料和土基的回彈模量以及各層材料的溫縮系數等力學參數都受到溫度變化的影響[57]。其中受時間與溫度影響的瀝青混和料粘彈性指標以及對應的溫縮系數。

溫度場作用下，路面結構內的應力場如圖6所示。外界氣溫的周期變化主要影響瀝青上、中面層的溫度應力，溫度應力隨時間產生周期性變化，降溫速率大時，面層會一次性產生較大的拉應力，從而造成瀝青層的開裂。

溫度應力與溫度變化速率以及路面結構內溫度場有關。面層和基層在不同時刻的溫度應力如。相對基層而言，瀝青面層的應力場更為復雜，這一方面是因為其溫度場更為復雜，另一方面是因為不同結構層的材料參數都與溫度場有著函數相關關系。對于負溫度梯度，路表溫度應力最大，溫縮裂縫從路面開始向下延伸。

在溫度最低的時刻（凌晨4點左右），計算得到的面層表面溫度應力可以達到2.7 MPa，而相應的半剛性基層表面的溫度應力只有0.9 MPa，遠遠小于面層內部的溫度應力。瀝青混合料的溫縮系數和低溫模量明顯大于半剛性基層，而破壞應變則小于半剛性基層。因此一般情況下，溫縮裂縫產生于瀝青混合料結構層。

3 結 語

通過對瀝青混合料低溫開裂破壞的理論分析，確定了影響瀝青混合料低溫開裂的關鍵因素；進而通過對路面結構內部溫度場的理論研究，計算得到了最低溫度條件下路面結構內部的溫度應力，主要結論包括以下幾點。

（1） 通過對瀝青混合料低溫受力開裂的理論分析研究，確定了影響瀝青混合料低溫性能的關鍵因素——低溫勁度模量S和松弛系數m。

（2） 通過對低溫氣候條件下路面結構的溫度場分析，計算得知在一天時間內，路表的溫度變化幅度最大，而路表和路基的最大溫差可達7 ℃。

（3） 通過溫度場的變化規律，可以計算得到在最低溫度條件下路面結構內部產生的溫度應力，結果表明：路表處產生的溫度應力是最大的，可達到2.7 MPa。

（4） 由上述理論分析表明，路面結構的低溫開裂破壞將率先發生在路面表面，路面上面層瀝青材料的低溫性能對于低溫破壞的防治非常關鍵。

參考文獻：

[1] 李立寒，曹林濤，羅芳艷，等.瀝青混合料劈裂抗拉強度影響因素的研究[J].建筑材料學報，2004，7（1）：4145.

[2] 楊學良，劉伯瑩.瀝青路面溫度場與結構耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 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）：7175.

[4] 吳建良，孫應軍.路面非周期一維溫度場的傅里葉級數解[J].中國公路學報，2012，15（10）：2934.

[5] 張 東，許益東，趙永利.基于TSRST的瀝青路面溫度應力計算參數的反算方法[J].石油瀝青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.溫度循環作用下的瀝青路面溫度應力有限元數值模擬[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 鄭健龍，周志剛，應榮華. 瀝青路面溫度應力數值分析[J].長沙交通學院學報，2001，17（1）： 2932.

[責任編輯：張小駒]endprint

摘 要：針對高寒地區的瀝青路面開裂情況不同于大多數道路的情況，分析了瀝青混合料低溫開裂的機理，得出瀝青混合料低溫開裂的關鍵因素——低溫勁度模量和松弛系數。采用半剛性基層瀝青路面，研究了低溫氣候條件下路面結構溫度場和溫度應力，發現路表的溫度變化幅度最大，溫度應力也最大。

關鍵詞：高寒區；瀝青混合料；低溫縮裂；低溫勁度模量

中圖分類號：U416.03 文獻標志碼：B

0 引 言

高寒地區的瀝青路面開裂情況與其他地區道路的開裂狀況有所不同。低溫地區路面的裂縫是從路表面開始逐漸向下延展，與道路延伸方向基本垂直。而且大部分路面在第一年冬季寒冷期就產生開裂，并隨著時間的推移裂縫越來越多。為了準確分析低溫條件下瀝青路面結構內部的情況，本文建立了相應的瀝青路面結構低溫開裂模型，用以對路面實際情況進行模擬。首先對瀝青路面結構內部的溫度場進行分析，然后得出瀝青路面結構內部的溫度應力分布，從而得出在低溫條件下瀝青路面結構容易產生破壞的層位及其影響因素，最后針對此種情況提出適于低溫氣候環境的控制因素。

1 瀝青混合料低溫開裂的機理分析

低溫收縮裂縫的形成與材料熱脹冷縮的性能呈正相關，如果在低溫收縮過程中材料不受任何限制可以自由伸縮，即使溫度大幅度變化，材料內部也不會產生應力；然而，瀝青路面面層與基層之間存在著相互約束，在溫度降低時面層內會產生一定的溫度應力，當應力的大小大于材料在此溫度下的抗拉強度時，面層就會產生低溫縮裂[1]。瀝青混合料在較大的溫度范圍內可以被認為是一種粘彈性材料，由于溫度的下降而引起的溫度應力可以通過應力松馳而消散。然而，在一個較低的溫度范圍內，由于此時瀝青混凝土更趨近于彈性材料，溫度應力不能通過應力松馳消散，而是不斷積聚，最終導致低溫縮裂。

2 低溫氣候條件下路面結構溫度場和溫度應力分析

材料的溫度收縮系數是溫度場與時間的函數，所以在進行應力計算時，應該將溫度場與應力場結合起來考慮。首先對瀝青路面結構進行溫度場的模擬，然后將節點溫度作為外部荷載與路面結構進行耦合分析，系統地將兩者結合起來考慮[24]。

2.1 低溫氣候條件下路面結構溫度場分析

對于嚴寒地區的道路，主要考慮的是低溫條件下瀝青內部的開裂破壞；而極端低溫狀況主要發生在凌晨3～5點，這時沒有太陽直接輻射和散射輻射，風速對這種熱交換有一定影響，主要考慮路面與空氣間的熱交換。計算溫度場時，材料的熱工參數包括材料的密度、比熱、導熱系數、對流熱交換系數、輻射率。不同級配的瀝青混和料在不同溫度條件下的熱工參數不同，但相差不大，計算時一般取常數， 模型的材料參數如表1所示。

本文采用半剛性基層瀝青路面，結構模型如圖3所示。瀝青面層分3層考慮，基層和底基層選用水泥穩定碎石。一般情況下，在路表以下80 cm時外界氣溫的影響可忽略不計，本文土基厚度選為42 cm。

采用ANSYS進行溫度場和結構的相互耦合有限元分析，溫度梯度方向為路面結構的深度方向；低溫收縮時瀝青路面在路線方向上受到約束，產生的裂縫主要為橫向裂縫。由此，溫度場的計算可以簡化為平面應力或平面應變問題。因此，計算單元采用平面8節點等參單元；沿路線方向垂直取截面，X向為路線方向，Y向為深度方向，X向兩端約束。

2.2 低溫氣候條件下路面結構溫度應力分析

計算溫度應力時，瀝青混和料的勁度模量、基層材料和土基的回彈模量以及各層材料的溫縮系數等力學參數都受到溫度變化的影響[57]。其中受時間與溫度影響的瀝青混和料粘彈性指標以及對應的溫縮系數。

溫度場作用下，路面結構內的應力場如圖6所示。外界氣溫的周期變化主要影響瀝青上、中面層的溫度應力，溫度應力隨時間產生周期性變化，降溫速率大時，面層會一次性產生較大的拉應力，從而造成瀝青層的開裂。

溫度應力與溫度變化速率以及路面結構內溫度場有關。面層和基層在不同時刻的溫度應力如。相對基層而言，瀝青面層的應力場更為復雜，這一方面是因為其溫度場更為復雜，另一方面是因為不同結構層的材料參數都與溫度場有著函數相關關系。對于負溫度梯度，路表溫度應力最大，溫縮裂縫從路面開始向下延伸。

在溫度最低的時刻（凌晨4點左右），計算得到的面層表面溫度應力可以達到2.7 MPa，而相應的半剛性基層表面的溫度應力只有0.9 MPa，遠遠小于面層內部的溫度應力。瀝青混合料的溫縮系數和低溫模量明顯大于半剛性基層，而破壞應變則小于半剛性基層。因此一般情況下，溫縮裂縫產生于瀝青混合料結構層。

3 結 語

通過對瀝青混合料低溫開裂破壞的理論分析，確定了影響瀝青混合料低溫開裂的關鍵因素；進而通過對路面結構內部溫度場的理論研究，計算得到了最低溫度條件下路面結構內部的溫度應力，主要結論包括以下幾點。

（1） 通過對瀝青混合料低溫受力開裂的理論分析研究，確定了影響瀝青混合料低溫性能的關鍵因素——低溫勁度模量S和松弛系數m。

（2） 通過對低溫氣候條件下路面結構的溫度場分析，計算得知在一天時間內，路表的溫度變化幅度最大，而路表和路基的最大溫差可達7 ℃。

（3） 通過溫度場的變化規律，可以計算得到在最低溫度條件下路面結構內部產生的溫度應力，結果表明：路表處產生的溫度應力是最大的，可達到2.7 MPa。

（4） 由上述理論分析表明，路面結構的低溫開裂破壞將率先發生在路面表面，路面上面層瀝青材料的低溫性能對于低溫破壞的防治非常關鍵。

參考文獻：

[1] 李立寒，曹林濤，羅芳艷，等.瀝青混合料劈裂抗拉強度影響因素的研究[J].建筑材料學報，2004，7（1）：4145.

[2] 楊學良，劉伯瑩.瀝青路面溫度場與結構耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 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）：7175.

[4] 吳建良，孫應軍.路面非周期一維溫度場的傅里葉級數解[J].中國公路學報，2012，15（10）：2934.

[5] 張 東，許益東，趙永利.基于TSRST的瀝青路面溫度應力計算參數的反算方法[J].石油瀝青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.溫度循環作用下的瀝青路面溫度應力有限元數值模擬[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 鄭健龍，周志剛，應榮華. 瀝青路面溫度應力數值分析[J].長沙交通學院學報，2001，17（1）： 2932.

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摘 要：針對高寒地區的瀝青路面開裂情況不同于大多數道路的情況，分析了瀝青混合料低溫開裂的機理，得出瀝青混合料低溫開裂的關鍵因素——低溫勁度模量和松弛系數。采用半剛性基層瀝青路面，研究了低溫氣候條件下路面結構溫度場和溫度應力，發現路表的溫度變化幅度最大，溫度應力也最大。

關鍵詞：高寒區；瀝青混合料；低溫縮裂；低溫勁度模量

中圖分類號：U416.03 文獻標志碼：B

0 引 言

高寒地區的瀝青路面開裂情況與其他地區道路的開裂狀況有所不同。低溫地區路面的裂縫是從路表面開始逐漸向下延展，與道路延伸方向基本垂直。而且大部分路面在第一年冬季寒冷期就產生開裂，并隨著時間的推移裂縫越來越多。為了準確分析低溫條件下瀝青路面結構內部的情況，本文建立了相應的瀝青路面結構低溫開裂模型，用以對路面實際情況進行模擬。首先對瀝青路面結構內部的溫度場進行分析，然后得出瀝青路面結構內部的溫度應力分布，從而得出在低溫條件下瀝青路面結構容易產生破壞的層位及其影響因素，最后針對此種情況提出適于低溫氣候環境的控制因素。

1 瀝青混合料低溫開裂的機理分析

低溫收縮裂縫的形成與材料熱脹冷縮的性能呈正相關，如果在低溫收縮過程中材料不受任何限制可以自由伸縮，即使溫度大幅度變化，材料內部也不會產生應力；然而，瀝青路面面層與基層之間存在著相互約束，在溫度降低時面層內會產生一定的溫度應力，當應力的大小大于材料在此溫度下的抗拉強度時，面層就會產生低溫縮裂[1]。瀝青混合料在較大的溫度范圍內可以被認為是一種粘彈性材料，由于溫度的下降而引起的溫度應力可以通過應力松馳而消散。然而，在一個較低的溫度范圍內，由于此時瀝青混凝土更趨近于彈性材料，溫度應力不能通過應力松馳消散，而是不斷積聚，最終導致低溫縮裂。

2 低溫氣候條件下路面結構溫度場和溫度應力分析

材料的溫度收縮系數是溫度場與時間的函數，所以在進行應力計算時，應該將溫度場與應力場結合起來考慮。首先對瀝青路面結構進行溫度場的模擬，然后將節點溫度作為外部荷載與路面結構進行耦合分析，系統地將兩者結合起來考慮[24]。

2.1 低溫氣候條件下路面結構溫度場分析

對于嚴寒地區的道路，主要考慮的是低溫條件下瀝青內部的開裂破壞；而極端低溫狀況主要發生在凌晨3～5點，這時沒有太陽直接輻射和散射輻射，風速對這種熱交換有一定影響，主要考慮路面與空氣間的熱交換。計算溫度場時，材料的熱工參數包括材料的密度、比熱、導熱系數、對流熱交換系數、輻射率。不同級配的瀝青混和料在不同溫度條件下的熱工參數不同，但相差不大，計算時一般取常數， 模型的材料參數如表1所示。

本文采用半剛性基層瀝青路面，結構模型如圖3所示。瀝青面層分3層考慮，基層和底基層選用水泥穩定碎石。一般情況下，在路表以下80 cm時外界氣溫的影響可忽略不計，本文土基厚度選為42 cm。

采用ANSYS進行溫度場和結構的相互耦合有限元分析，溫度梯度方向為路面結構的深度方向；低溫收縮時瀝青路面在路線方向上受到約束，產生的裂縫主要為橫向裂縫。由此，溫度場的計算可以簡化為平面應力或平面應變問題。因此，計算單元采用平面8節點等參單元；沿路線方向垂直取截面，X向為路線方向，Y向為深度方向，X向兩端約束。

2.2 低溫氣候條件下路面結構溫度應力分析

計算溫度應力時，瀝青混和料的勁度模量、基層材料和土基的回彈模量以及各層材料的溫縮系數等力學參數都受到溫度變化的影響[57]。其中受時間與溫度影響的瀝青混和料粘彈性指標以及對應的溫縮系數。

溫度場作用下，路面結構內的應力場如圖6所示。外界氣溫的周期變化主要影響瀝青上、中面層的溫度應力，溫度應力隨時間產生周期性變化，降溫速率大時，面層會一次性產生較大的拉應力，從而造成瀝青層的開裂。

溫度應力與溫度變化速率以及路面結構內溫度場有關。面層和基層在不同時刻的溫度應力如。相對基層而言，瀝青面層的應力場更為復雜，這一方面是因為其溫度場更為復雜，另一方面是因為不同結構層的材料參數都與溫度場有著函數相關關系。對于負溫度梯度，路表溫度應力最大，溫縮裂縫從路面開始向下延伸。

在溫度最低的時刻（凌晨4點左右），計算得到的面層表面溫度應力可以達到2.7 MPa，而相應的半剛性基層表面的溫度應力只有0.9 MPa，遠遠小于面層內部的溫度應力。瀝青混合料的溫縮系數和低溫模量明顯大于半剛性基層，而破壞應變則小于半剛性基層。因此一般情況下，溫縮裂縫產生于瀝青混合料結構層。

3 結 語

通過對瀝青混合料低溫開裂破壞的理論分析，確定了影響瀝青混合料低溫開裂的關鍵因素；進而通過對路面結構內部溫度場的理論研究，計算得到了最低溫度條件下路面結構內部的溫度應力，主要結論包括以下幾點。

（1） 通過對瀝青混合料低溫受力開裂的理論分析研究，確定了影響瀝青混合料低溫性能的關鍵因素——低溫勁度模量S和松弛系數m。

（2） 通過對低溫氣候條件下路面結構的溫度場分析，計算得知在一天時間內，路表的溫度變化幅度最大，而路表和路基的最大溫差可達7 ℃。

（3） 通過溫度場的變化規律，可以計算得到在最低溫度條件下路面結構內部產生的溫度應力，結果表明：路表處產生的溫度應力是最大的，可達到2.7 MPa。

（4） 由上述理論分析表明，路面結構的低溫開裂破壞將率先發生在路面表面，路面上面層瀝青材料的低溫性能對于低溫破壞的防治非常關鍵。

參考文獻：

[1] 李立寒，曹林濤，羅芳艷，等.瀝青混合料劈裂抗拉強度影響因素的研究[J].建筑材料學報，2004，7（1）：4145.

[2] 楊學良，劉伯瑩.瀝青路面溫度場與結構耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 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）：7175.

[4] 吳建良，孫應軍.路面非周期一維溫度場的傅里葉級數解[J].中國公路學報，2012，15（10）：2934.

[5] 張 東，許益東，趙永利.基于TSRST的瀝青路面溫度應力計算參數的反算方法[J].石油瀝青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.溫度循環作用下的瀝青路面溫度應力有限元數值模擬[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 鄭健龍，周志剛，應榮華. 瀝青路面溫度應力數值分析[J].長沙交通學院學報，2001，17（1）： 2932.

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