三種典型瀝青路面形式的溫度適應性分析

王孔睿，溫樹旺，趙學穎

青島理工大學土木工程學院，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，部分路段車轍深度可達17mm。瀝青材料具有黏彈塑性，當溫度高于20℃時，黏性突出，在車輛荷載循環激勵作用下產生應變累計，形成一定車轍變形，長此以往，高溫變形類病害發展迅速[1]。為了確保瀝青路面使用性能，指導瀝青路面設計，研究復雜高溫條件下的瀝青路面結構適應性是當前公路建設的重要方面之一。

縱觀國內外研究，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特性研究[2]。然而，這些研究對高溫環境的模擬存在不足，其研究采用特定溫度下試件的破壞性試驗來表征瀝青混合料的力學性能，然而工程實際中，路面溫度實時變化，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合式基層瀝青路面，三種路面結構形式溫度場，深入開展路面結構的適應性研究，從而有效提升瀝青路面的耐久性[3]。

1 路面結構形式

選取國內常用的半剛性基層瀝青路面、柔性基層瀝青路面與復合式基層瀝青路面結構形式，如表1所示。

表1 瀝青路面結構

2 有限元模型的建立

2.1 路面結構模型

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雜，包括氣溫、風速、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為一天中日照時間（h），本文中取15h；ω為角頻率（1/小時），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，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是對流換熱強度（W/m2）；Ts是路表面溫度（℃）；Tair是氣溫（℃）；h是換熱系數（W/m2℃），受到風速影響，結合相關文獻，本文中取20.6 W/m2℃。

路表的熱通量為上述三項之和，可表示為：

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

3 瀝青路面材料參數

本文中路面材料的熱物性參數取值見表2。

表2 瀝青路面材料的熱物性參數取值[7]

4 模擬結果與分析

以氣溫較高的8-20時為研究對象，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，路面結構溫度場變化相對于氣溫存在滯后，而且隨著深度的增加，時間滯后性趨于明顯[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，而對于下面層層底最高溫度滯后5小時，基層滯后7小時左右。

同時，結構溫度會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，不同結構形式受溫度影響存在差別，對比三者可以發現，半剛性基層瀝青路面中下面層層底溫度變化最大，而基層層底已經幾乎沒有溫度變化，可知在該種類型瀝青路面結構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[7]。進一步觀察其他兩種路面結構形式，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生，有利于延長高溫地區瀝青路面結構的使用壽命[8]。

5 結語

瀝青路面的溫度敏感性較高。為合理選擇瀝青路面結構形式，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合式基層瀝青路面的溫度適應性。研究發現隨著深度增大，氣溫的影響明顯減弱，并且結構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構深處傳遞，造成熱量在瀝青面層中滯留，變形類病害頻發，其結構適應性較差。