高寒区沥青路面结构温度应力分析

李埃军+李东成

摘 要：针对高寒地区的沥青路面开裂情况不同于大多数道路的情况，分析了沥青混合料低温开裂的机理，得出沥青混合料低温开裂的关键因素——低温劲度模量和松弛系数。采用半刚性基层沥青路面，研究了低温气候条件下路面结构温度场和温度应力，发现路表的温度变化幅度最大，温度应力也最大。

关键词：高寒区；沥青混合料；低温缩裂；低温劲度模量

中图分类号：U416.03 文献标志码：B

0 引 言

高寒地区的沥青路面开裂情况与其他地区道路的开裂状况有所不同。低温地区路面的裂缝是从路表面开始逐渐向下延展，与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产生开裂，并随着时间的推移裂缝越来越多。为了准确分析低温条件下沥青路面结构内部的情况，本文建立了相应的沥青路面结构低温开裂模型，用以对路面实际情况进行模拟。首先对沥青路面结构内部的温度场进行分析，然后得出沥青路面结构内部的温度应力分布，从而得出在低温条件下沥青路面结构容易产生破坏的层位及其影响因素，最后针对此种情况提出适于低温气候环境的控制因素。

1 沥青混合料低温开裂的机理分析

低温收缩裂缝的形成与材料热胀冷缩的性能呈正相关，如果在低温收缩过程中材料不受任何限制可以自由伸缩，即使温度大幅度变化，材料内部也不会产生应力；然而，沥青路面面层与基层之间存在着相互约束，在温度降低时面层内会产生一定的温度应力，当应力的大小大于材料在此温度下的抗拉强度时，面层就会产生低温缩裂[1]。沥青混合料在较大的温度范围内可以被认为是一种粘弹性材料，由于温度的下降而引起的温度应力可以通过应力松驰而消散。然而，在一个较低的温度范围内，由于此时沥青混凝土更趋近于弹性材料，温度应力不能通过应力松驰消散，而是不断积聚，最终导致低温缩裂。

2 低温气候条件下路面结构温度场和温度应力分析

材料的温度收缩系数是温度场与时间的函数，所以在进行应力计算时，应该将温度场与应力场结合起来考虑。首先对沥青路面结构进行温度场的模拟，然后将节点温度作为外部荷载与路面结构进行耦合分析，系统地将两者结合起来考虑[24]。

2.1 低温气候条件下路面结构温度场分析

对于严寒地区的道路，主要考虑的是低温条件下沥青内部的开裂破坏；而极端低温状况主要发生在凌晨3～5点，这时没有太阳直接辐射和散射辐射，风速对这种热交换有一定影响，主要考虑路面与空气间的热交换。计算温度场时，材料的热工参数包括材料的密度、比热、导热系数、对流热交换系数、辐射率。不同级配的沥青混和料在不同温度条件下的热工参数不同，但相差不大，计算时一般取常数， 模型的材料参数如表1所示。

本文采用半刚性基层沥青路面，结构模型如图3所示。沥青面层分3层考虑，基层和底基层选用水泥稳定碎石。一般情况下，在路表以下80 cm时外界气温的影响可忽略不计，本文土基厚度选为42 cm。

采用ANSYS进行温度场和结构的相互耦合有限元分析，温度梯度方向为路面结构的深度方向；低温收缩时沥青路面在路线方向上受到约束，产生的裂缝主要为横向裂缝。由此，温度场的计算可以简化为平面应力或平面应变问题。因此，计算单元采用平面8节点等参单元；沿路线方向垂直取截面，X向为路线方向，Y向为深度方向，X向两端约束。

2.2 低温气候条件下路面结构温度应力分析

计算温度应力时，沥青混和料的劲度模量、基层材料和土基的回弹模量以及各层材料的温缩系数等力学参数都受到温度变化的影响[57]。其中受时间与温度影响的沥青混和料粘弹性指标以及对应的温缩系数。

温度场作用下，路面结构内的应力场如图6所示。外界气温的周期变化主要影响沥青上、中面层的温度应力，温度应力随时间产生周期性变化，降温速率大时，面层会一次性产生较大的拉应力，从而造成沥青层的开裂。

温度应力与温度变化速率以及路面结构内温度场有关。面层和基层在不同时刻的温度应力如。相对基层而言，沥青面层的应力场更为复杂，这一方面是因为其温度场更为复杂，另一方面是因为不同结构层的材料参数都与温度场有着函数相关关系。对于负温度梯度，路表温度应力最大，温缩裂缝从路面开始向下延伸。

在温度最低的时刻（凌晨4点左右），计算得到的面层表面温度应力可以达到2.7 MPa，而相应的半刚性基层表面的温度应力只有0.9 MPa，远远小于面层内部的温度应力。沥青混合料的温缩系数和低温模量明显大于半刚性基层，而破坏应变则小于半刚性基层。因此一般情况下，温缩裂缝产生于沥青混合料结构层。

3 结 语

通过对沥青混合料低温开裂破坏的理论分析，确定了影响沥青混合料低温开裂的关键因素；进而通过对路面结构内部温度场的理论研究，计算得到了最低温度条件下路面结构内部的温度应力，主要结论包括以下几点。

（1） 通过对沥青混合料低温受力开裂的理论分析研究，确定了影响沥青混合料低温性能的关键因素——低温劲度模量S和松弛系数m。

（2） 通过对低温气候条件下路面结构的温度场分析，计算得知在一天时间内，路表的温度变化幅度最大，而路表和路基的最大温差可达7 ℃。

（3） 通过温度场的变化规律，可以计算得到在最低温度条件下路面结构内部产生的温度应力，结果表明：路表处产生的温度应力是最大的，可达到2.7 MPa。

（4） 由上述理论分析表明，路面结构的低温开裂破坏将率先发生在路面表面，路面上面层沥青材料的低温性能对于低温破坏的防治非常关键。

参考文献：

[1] 李立寒，曹林涛，罗芳艳，等.沥青混合料劈裂抗拉强度影响因素的研究[J].建筑材料学报，2004，7（1）：4145.

[2] 杨学良，刘伯莹.沥青路面温度场与结构耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 刘荣辉，钱国平，郑健龙.周期性气候条件下沥青路面温度场计算方法研究[J]. 长沙交通学院学报，2002，18（2）：7175.

[4] 吴建良，孙应军.路面非周期一维温度场的傅里叶级数解[J].中国公路学报，2012，15（10）：2934.

[5] 张 东，许益东，赵永利.基于TSRST的沥青路面温度应力计算参数的反算方法[J].石油沥青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.温度循环作用下的沥青路面温度应力有限元数值模拟[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 郑健龙，周志刚，应荣华. 沥青路面温度应力数值分析[J].长沙交通学院学报，2001，17（1）： 2932.

[责任编辑：张小驹]endprint

摘 要：针对高寒地区的沥青路面开裂情况不同于大多数道路的情况，分析了沥青混合料低温开裂的机理，得出沥青混合料低温开裂的关键因素——低温劲度模量和松弛系数。采用半刚性基层沥青路面，研究了低温气候条件下路面结构温度场和温度应力，发现路表的温度变化幅度最大，温度应力也最大。

关键词：高寒区；沥青混合料；低温缩裂；低温劲度模量

中图分类号：U416.03 文献标志码：B

0 引 言

高寒地区的沥青路面开裂情况与其他地区道路的开裂状况有所不同。低温地区路面的裂缝是从路表面开始逐渐向下延展，与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产生开裂，并随着时间的推移裂缝越来越多。为了准确分析低温条件下沥青路面结构内部的情况，本文建立了相应的沥青路面结构低温开裂模型，用以对路面实际情况进行模拟。首先对沥青路面结构内部的温度场进行分析，然后得出沥青路面结构内部的温度应力分布，从而得出在低温条件下沥青路面结构容易产生破坏的层位及其影响因素，最后针对此种情况提出适于低温气候环境的控制因素。

1 沥青混合料低温开裂的机理分析

低温收缩裂缝的形成与材料热胀冷缩的性能呈正相关，如果在低温收缩过程中材料不受任何限制可以自由伸缩，即使温度大幅度变化，材料内部也不会产生应力；然而，沥青路面面层与基层之间存在着相互约束，在温度降低时面层内会产生一定的温度应力，当应力的大小大于材料在此温度下的抗拉强度时，面层就会产生低温缩裂[1]。沥青混合料在较大的温度范围内可以被认为是一种粘弹性材料，由于温度的下降而引起的温度应力可以通过应力松驰而消散。然而，在一个较低的温度范围内，由于此时沥青混凝土更趋近于弹性材料，温度应力不能通过应力松驰消散，而是不断积聚，最终导致低温缩裂。

2 低温气候条件下路面结构温度场和温度应力分析

材料的温度收缩系数是温度场与时间的函数，所以在进行应力计算时，应该将温度场与应力场结合起来考虑。首先对沥青路面结构进行温度场的模拟，然后将节点温度作为外部荷载与路面结构进行耦合分析，系统地将两者结合起来考虑[24]。

2.1 低温气候条件下路面结构温度场分析

对于严寒地区的道路，主要考虑的是低温条件下沥青内部的开裂破坏；而极端低温状况主要发生在凌晨3～5点，这时没有太阳直接辐射和散射辐射，风速对这种热交换有一定影响，主要考虑路面与空气间的热交换。计算温度场时，材料的热工参数包括材料的密度、比热、导热系数、对流热交换系数、辐射率。不同级配的沥青混和料在不同温度条件下的热工参数不同，但相差不大，计算时一般取常数， 模型的材料参数如表1所示。

本文采用半刚性基层沥青路面，结构模型如图3所示。沥青面层分3层考虑，基层和底基层选用水泥稳定碎石。一般情况下，在路表以下80 cm时外界气温的影响可忽略不计，本文土基厚度选为42 cm。

采用ANSYS进行温度场和结构的相互耦合有限元分析，温度梯度方向为路面结构的深度方向；低温收缩时沥青路面在路线方向上受到约束，产生的裂缝主要为横向裂缝。由此，温度场的计算可以简化为平面应力或平面应变问题。因此，计算单元采用平面8节点等参单元；沿路线方向垂直取截面，X向为路线方向，Y向为深度方向，X向两端约束。

2.2 低温气候条件下路面结构温度应力分析

计算温度应力时，沥青混和料的劲度模量、基层材料和土基的回弹模量以及各层材料的温缩系数等力学参数都受到温度变化的影响[57]。其中受时间与温度影响的沥青混和料粘弹性指标以及对应的温缩系数。

温度场作用下，路面结构内的应力场如图6所示。外界气温的周期变化主要影响沥青上、中面层的温度应力，温度应力随时间产生周期性变化，降温速率大时，面层会一次性产生较大的拉应力，从而造成沥青层的开裂。

温度应力与温度变化速率以及路面结构内温度场有关。面层和基层在不同时刻的温度应力如。相对基层而言，沥青面层的应力场更为复杂，这一方面是因为其温度场更为复杂，另一方面是因为不同结构层的材料参数都与温度场有着函数相关关系。对于负温度梯度，路表温度应力最大，温缩裂缝从路面开始向下延伸。

在温度最低的时刻（凌晨4点左右），计算得到的面层表面温度应力可以达到2.7 MPa，而相应的半刚性基层表面的温度应力只有0.9 MPa，远远小于面层内部的温度应力。沥青混合料的温缩系数和低温模量明显大于半刚性基层，而破坏应变则小于半刚性基层。因此一般情况下，温缩裂缝产生于沥青混合料结构层。

3 结 语

通过对沥青混合料低温开裂破坏的理论分析，确定了影响沥青混合料低温开裂的关键因素；进而通过对路面结构内部温度场的理论研究，计算得到了最低温度条件下路面结构内部的温度应力，主要结论包括以下几点。

（1） 通过对沥青混合料低温受力开裂的理论分析研究，确定了影响沥青混合料低温性能的关键因素——低温劲度模量S和松弛系数m。

（2） 通过对低温气候条件下路面结构的温度场分析，计算得知在一天时间内，路表的温度变化幅度最大，而路表和路基的最大温差可达7 ℃。

（3） 通过温度场的变化规律，可以计算得到在最低温度条件下路面结构内部产生的温度应力，结果表明：路表处产生的温度应力是最大的，可达到2.7 MPa。

（4） 由上述理论分析表明，路面结构的低温开裂破坏将率先发生在路面表面，路面上面层沥青材料的低温性能对于低温破坏的防治非常关键。

参考文献：

[1] 李立寒，曹林涛，罗芳艳，等.沥青混合料劈裂抗拉强度影响因素的研究[J].建筑材料学报，2004，7（1）：4145.

[2] 杨学良，刘伯莹.沥青路面温度场与结构耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 刘荣辉，钱国平，郑健龙.周期性气候条件下沥青路面温度场计算方法研究[J]. 长沙交通学院学报，2002，18（2）：7175.

[4] 吴建良，孙应军.路面非周期一维温度场的傅里叶级数解[J].中国公路学报，2012，15（10）：2934.

[5] 张 东，许益东，赵永利.基于TSRST的沥青路面温度应力计算参数的反算方法[J].石油沥青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.温度循环作用下的沥青路面温度应力有限元数值模拟[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 郑健龙，周志刚，应荣华. 沥青路面温度应力数值分析[J].长沙交通学院学报，2001，17（1）： 2932.

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摘 要：针对高寒地区的沥青路面开裂情况不同于大多数道路的情况，分析了沥青混合料低温开裂的机理，得出沥青混合料低温开裂的关键因素——低温劲度模量和松弛系数。采用半刚性基层沥青路面，研究了低温气候条件下路面结构温度场和温度应力，发现路表的温度变化幅度最大，温度应力也最大。

关键词：高寒区；沥青混合料；低温缩裂；低温劲度模量

中图分类号：U416.03 文献标志码：B

0 引 言

高寒地区的沥青路面开裂情况与其他地区道路的开裂状况有所不同。低温地区路面的裂缝是从路表面开始逐渐向下延展，与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产生开裂，并随着时间的推移裂缝越来越多。为了准确分析低温条件下沥青路面结构内部的情况，本文建立了相应的沥青路面结构低温开裂模型，用以对路面实际情况进行模拟。首先对沥青路面结构内部的温度场进行分析，然后得出沥青路面结构内部的温度应力分布，从而得出在低温条件下沥青路面结构容易产生破坏的层位及其影响因素，最后针对此种情况提出适于低温气候环境的控制因素。

1 沥青混合料低温开裂的机理分析

低温收缩裂缝的形成与材料热胀冷缩的性能呈正相关，如果在低温收缩过程中材料不受任何限制可以自由伸缩，即使温度大幅度变化，材料内部也不会产生应力；然而，沥青路面面层与基层之间存在着相互约束，在温度降低时面层内会产生一定的温度应力，当应力的大小大于材料在此温度下的抗拉强度时，面层就会产生低温缩裂[1]。沥青混合料在较大的温度范围内可以被认为是一种粘弹性材料，由于温度的下降而引起的温度应力可以通过应力松驰而消散。然而，在一个较低的温度范围内，由于此时沥青混凝土更趋近于弹性材料，温度应力不能通过应力松驰消散，而是不断积聚，最终导致低温缩裂。

2 低温气候条件下路面结构温度场和温度应力分析

材料的温度收缩系数是温度场与时间的函数，所以在进行应力计算时，应该将温度场与应力场结合起来考虑。首先对沥青路面结构进行温度场的模拟，然后将节点温度作为外部荷载与路面结构进行耦合分析，系统地将两者结合起来考虑[24]。

2.1 低温气候条件下路面结构温度场分析

对于严寒地区的道路，主要考虑的是低温条件下沥青内部的开裂破坏；而极端低温状况主要发生在凌晨3～5点，这时没有太阳直接辐射和散射辐射，风速对这种热交换有一定影响，主要考虑路面与空气间的热交换。计算温度场时，材料的热工参数包括材料的密度、比热、导热系数、对流热交换系数、辐射率。不同级配的沥青混和料在不同温度条件下的热工参数不同，但相差不大，计算时一般取常数， 模型的材料参数如表1所示。

本文采用半刚性基层沥青路面，结构模型如图3所示。沥青面层分3层考虑，基层和底基层选用水泥稳定碎石。一般情况下，在路表以下80 cm时外界气温的影响可忽略不计，本文土基厚度选为42 cm。

采用ANSYS进行温度场和结构的相互耦合有限元分析，温度梯度方向为路面结构的深度方向；低温收缩时沥青路面在路线方向上受到约束，产生的裂缝主要为横向裂缝。由此，温度场的计算可以简化为平面应力或平面应变问题。因此，计算单元采用平面8节点等参单元；沿路线方向垂直取截面，X向为路线方向，Y向为深度方向，X向两端约束。

2.2 低温气候条件下路面结构温度应力分析

计算温度应力时，沥青混和料的劲度模量、基层材料和土基的回弹模量以及各层材料的温缩系数等力学参数都受到温度变化的影响[57]。其中受时间与温度影响的沥青混和料粘弹性指标以及对应的温缩系数。

温度场作用下，路面结构内的应力场如图6所示。外界气温的周期变化主要影响沥青上、中面层的温度应力，温度应力随时间产生周期性变化，降温速率大时，面层会一次性产生较大的拉应力，从而造成沥青层的开裂。

温度应力与温度变化速率以及路面结构内温度场有关。面层和基层在不同时刻的温度应力如。相对基层而言，沥青面层的应力场更为复杂，这一方面是因为其温度场更为复杂，另一方面是因为不同结构层的材料参数都与温度场有着函数相关关系。对于负温度梯度，路表温度应力最大，温缩裂缝从路面开始向下延伸。

在温度最低的时刻（凌晨4点左右），计算得到的面层表面温度应力可以达到2.7 MPa，而相应的半刚性基层表面的温度应力只有0.9 MPa，远远小于面层内部的温度应力。沥青混合料的温缩系数和低温模量明显大于半刚性基层，而破坏应变则小于半刚性基层。因此一般情况下，温缩裂缝产生于沥青混合料结构层。

3 结 语

通过对沥青混合料低温开裂破坏的理论分析，确定了影响沥青混合料低温开裂的关键因素；进而通过对路面结构内部温度场的理论研究，计算得到了最低温度条件下路面结构内部的温度应力，主要结论包括以下几点。

（1） 通过对沥青混合料低温受力开裂的理论分析研究，确定了影响沥青混合料低温性能的关键因素——低温劲度模量S和松弛系数m。

（2） 通过对低温气候条件下路面结构的温度场分析，计算得知在一天时间内，路表的温度变化幅度最大，而路表和路基的最大温差可达7 ℃。

（3） 通过温度场的变化规律，可以计算得到在最低温度条件下路面结构内部产生的温度应力，结果表明：路表处产生的温度应力是最大的，可达到2.7 MPa。

（4） 由上述理论分析表明，路面结构的低温开裂破坏将率先发生在路面表面，路面上面层沥青材料的低温性能对于低温破坏的防治非常关键。

参考文献：

[1] 李立寒，曹林涛，罗芳艳，等.沥青混合料劈裂抗拉强度影响因素的研究[J].建筑材料学报，2004，7（1）：4145.

[2] 杨学良，刘伯莹.沥青路面温度场与结构耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 刘荣辉，钱国平，郑健龙.周期性气候条件下沥青路面温度场计算方法研究[J]. 长沙交通学院学报，2002，18（2）：7175.

[4] 吴建良，孙应军.路面非周期一维温度场的傅里叶级数解[J].中国公路学报，2012，15（10）：2934.

[5] 张 东，许益东，赵永利.基于TSRST的沥青路面温度应力计算参数的反算方法[J].石油沥青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.温度循环作用下的沥青路面温度应力有限元数值模拟[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 郑健龙，周志刚，应荣华. 沥青路面温度应力数值分析[J].长沙交通学院学报，2001，17（1）： 2932.

[责任编辑：张小驹]endprint