温度场对钢筋沥青混凝土自愈合性能的影响

李文龙，唐 进

（1.通辽市交通工程局，通辽 028000；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

在40多年前，研究员就发现沥青混凝土具有自愈合功能。因为沥青是一种胶凝材料，沥青混凝土就是利用胶凝材料（沥青）与骨料胶结而形成的材料。沥青混凝土的防渗性能好、施工方便，在现代水工建筑土石坝心墙得到广泛使用［1］。胶结材料的含量、温度及混凝土的级配等方面都会对沥青混凝土材料力学特性有较大影响，但胶结材料的含量和混凝土的级配可以通过试验进行合理选择，然而环境温度的变化不是人为控制的。同时沥青混凝土的自愈合是一个相当复杂的现象，它受自愈合温度、自愈合时间、破坏阶段以及改性材料的影响［2］。目前已有很多自愈合方法被科研工作者用于表征自愈合速率，例如Shen等［3］用不同的自愈合时间与加载时间的比来定义自愈合；Bhasin A等［4］利用两片固定材料进行自愈合测试。

用钢条对沥青混凝土进行加热，从而对沥青混凝土进行修复。利用有限元软件ANSYS分析沥青路面温度场分布状态。研究沥青混凝土试块内部温度场分布、变化规律，以及钢条对其温度场的影响。

1 实验方案

1.1 材料热物性参数

本次实验采用砂岩和SBS改性沥青，混合料类型为AC－13密实型结构30cm×30cm×10cm，钢条直径6cm，深度5cm。建立基本模型如图1所示，材料热物性参数如表1所示。

表1 沥青混合料和加热钢条的热物性参数

由于该模型对称，为节约计算时间，建立二维分析模型，如图2所示。

1.2 基本假定

1）沥青混凝土为完全均匀的各向同性的连续体；

2）除了与沥青混凝土上表面接触的边界，其余的边界均为绝热；

3）钢条的温度始终保持在80℃。

1.3 边界条件

沥青混凝土表面按照第一类边界条件，表面温度取室内环境温度，并在沥青混凝土表面施加对流换热边界条件，以大风表面［5］，取对流换热系数为22W/m2·℃。

2 结果与讨论

2.1 钢条加热沥青混凝土温度场分析结果

利用有限元软件ANSYS对沥青混凝土结构不同深度的温度场分布进行了仿真模拟，路面结构中A、B、C、D的温度曲线如图3所示。与空气接触的路面（A、C）升温较慢，而A点距加热钢条的距离比C点距钢条要远，因此，C点升温更快一些。D点距加热价钢条最近，因此D点是升温最快的。A、B、C、D各点的温度分布都是符合实际的。

在加热时，各个时刻沥青路面结构内部的温度场分布都是不同的，如图4所示。在掌握一定数据的情况下，可以对沥青路面结构温度进行精确预测。

3 结 语

该文基于热传学基本原理和有限元方法建立了沥青混凝土路面结构非瞬态温度场基本模型，为沥青混凝土自愈合做好了可靠的理论依据。

在正确掌握材料各类边界条件、热物性参数，可比较准确地预测混凝土路面结构温度场分布，从而节约了人工测量的人力物力。随着路面距离钢条的距离增加，温度逐渐减小。可认为控制钢条的温度，为沥青加热自愈合奠定了基础。

［1］ 林宝玉，丁健彤.水工材料的发展前景展望［J］.中国水利，2006，20：61－63.

［2］ Qiu J.Self Healing of Asphalt Mixes.Literature Review.Research report 7－08－183－1，Delft University of Technology，2008.

［3］ Shen S，Chiu H M，Huang H.Characterization of Fatigue and Healing in Asphalt Binders［J］.J Mater Civ Eng，2010，22（9）：6－10.

［4］ Bhasin A，Little D N，Bommavaram R，et al.A Framework to Quantify the Effect of Healing in Bituminous Materials Using Material Properties［J］.Road Mater Pavement Des EATA，2008，15：219－242.

［5］ 国家技术监督局，建设部.GB 50176—93民用建筑热工设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，1999.