陶瓷热阻式沥青路面温度场仿真研究

丁 京 丁建明 罗 桑

（东南大学交通学院 南京210096）

0 引 言

我国道路建设快速发展的同时，许多道路的路面在使用早期便出现了破坏，如坑槽、松散、裂缝、车辙等。不同的早期病害对沥青路面使用效果的影响不同［1］，其中车辙是沥青路面十分常见并且较为严重的病害，它是沥青路面特有的损坏现象［2］。目前在解决沥青路面车辙问题时，主要是提高沥青混合料的高温稳定性，即通过提高沥青的高温性能、或采用骨架型集料级配来提高沥青混合料的抗车辙性能［3］。但是这些措施很难达到治本的效果，且增加工程成本。

陶瓷与陶粒作为一种颜色浅，导热系数小的材料，将陶瓷或陶粒应用于道路材料近年来成为国内外研究热点。研究表明［4］，在沥青混合料中掺加陶粒能提高路面材料的热阻性能，降低温度在路面的累积；将陶瓷与陶粒等体积替代沥青混合料中4.75mm和9.5mm粒径的普通石料，发现20%～50%质量分数的陶瓷与陶粒掺量比较合适，能同时保证材料的水稳定性、极限应变和动稳定度。

陶瓷集料对路面材料的应用性研究近年刚刚展开。笔者选取SMA－13改性沥青混凝土材料，按照等体积取代法，采用10%，20%，30%，40%，5 0%这5种掺量取代沥青混合料中粒径小于2.36mm的细集料，根据陶瓷粉末的导热系数和导热系数的影响因素规律，计算出不同陶瓷集料掺量的沥青混合料的热物性参数。并根据传热学基本原理，建立路面温度场模型，计算了不同陶瓷集料掺量的沥青路面在炎热夏季1d内的温度变化，以及施工摊铺阶段的温度场变化情况，并分析了陶瓷粉末掺量对有效压实时间的影响，建立车辙分析模型模拟陶瓷热阻式沥青路面隔热层对永久变形的影响。

1 基本原理

沥青路面光热环境受气象环境要素影响很大，这些要素主要包括太阳辐射强度、大气逆辐射、散射辐射、降雨量、大气温度和湿度、风速等。无论是在路面的内部还是外部，能量之间仍是以传导、对流和辐射等3种方式互相传递［5］。

在沥青路面温度场建模过程中，主要考虑沥青路面与大气的热交换，以及沥青路面与路基的热交换。与大气的热交换考虑太阳辐射、气温及对流热交换、路面有效辐射的影响；与路基的热交换则考虑热传导的影响［6］。

2 陶瓷沥青混凝土热物性参数

根据陆琳等［7］利用热探针法测量得到陶瓷粉末的导热系数，可以得到绝对干燥和绝对湿润状态下的微粒介质的导热系数，见式（1）、式（2）。

式中：λa为空气的导热系数；λs为微粒介质中固相的导热系数；λw为水的密度；f为经验结构因子；ε为孔隙率。

迭代得到经验因子f为1.2，利用不同陶瓷粉末掺量的孔隙率不同，可以得到不同的热物性参数，见表1。

3 路面温度场模型

3.1 运营阶段

沥青路面温度场在气温变化及太阳辐射条件下，路面各结构层温度在1d内起伏变化［8］。采用的单元类型为二次8节点四边形热传导单元（DC2D8）［9］，路面温度场有限元模型见图1。

日最高气温为35.6℃，最低气温为22.8℃，日平均气温为29.2℃，日太阳辐射总量为23.8－2MJ／m，日有效日照时间为10.9h，日平均风速为2.5m／s。

3.2 施工阶段

路面模型结构与3.1节相同，模拟了不同陶瓷掺量的沥青表层高温摊铺后，路面不同深度处的温度变化规律［10］。该模型设置沥青铺装层4cm的摊铺温度为140℃，路面结构中下面层初始温度沿竖向差异不大，设为25℃，符合工程实际要求。采取风速为3m／s，路面对流传热系数20.5 W／（m2獉K），路面发射率为0.81。

表1 混合料热物性参数研究结果Tab.1 Research results of mixture thermophysical parameter

图1 路面温度场有限元模型Fig.1 Finite element model of pavement temperature field

4 结果分析

4.1 运营阶段路面温度场变化规律

根据计算结果分析不同陶瓷掺量的沥青混合料作用下，路面各结构层温度的日温差变化规律，如图2所示。结论如下。

1）随着陶瓷集料掺量的增加，路表的最高温度有所增加，但是增量不明显。

图2 不同陶瓷集料掺量下的沥青混凝土对路面结构的温度影响图Fig.2 Temperature at different depth of pavement at different ceramic percentage in operation stage

2）不同陶瓷掺量下的曲线基本重合，路表出现最高温的时间也基本保持不变。

3）道路层中最高温度随陶瓷掺量的增加逐渐减小，并且其最高温出现时刻也逐渐地延迟。

4）陶瓷沥青混凝土应用于路面表面层后，主要降低了路面中下面层的温度。

上述现象主要是由于陶瓷集料改变了面层材料的导热系数。热量在面层累积较多，使得路表温度增加；而往下传递的热量变少后，路面结构内部的温度降低，最高温出现的时刻也就延迟。从数值上看，50%的陶瓷掺量下，4cm深度处的最高温度降低了4.42℃，10cm深度处的最高温度降低了3.0℃，而18cm深度处的最高温度降低了约1.67℃，说明陶瓷沥青混凝土用于路面表面层时起到一定的隔热效果。

4.2 施工阶段路面温度场变化规律

根据计算结果分析不同陶瓷掺量沥青混合料表层施工阶段，道路断面不同结构层的温度变化，如图3所示。结论如下：

图3 不同陶瓷掺量下不同深度处温度变化规律Fig.3 Temperature at different depth of pavement at different ceramic percentage in constraction stage

1）不同陶瓷掺量下，铺层表面和层中温度均先较快下降，而后下降率趋于平缓；下层层中和底面温度均先上升，而后趋于平缓。

2）与普通沥青混合料相比，铺层层中降温曲线在初始阶段有向上的反弯。随着陶瓷掺量的增加，这个反弯越来越明显，即铺层层中在初始阶段的降温差异逐渐增大。

3）铺层表面和铺层层中温度随陶瓷掺量的增加下降程度逐渐减缓。

4）下层层中与下层层底的温度变化几乎不受陶瓷掺量的影响。

造成上述现象的原因主要是沥青混合料中陶瓷掺量的增加，导致摊铺层导热系数减小，摊铺层内热传导能力下降，从而在同一时间段，铺层表面和铺层层中的温度相对增加；而下层的沥青混合料导热系数不变，且下层主要是依靠铺层沥青的温度向下热传导得到，故下层路面结构温度在不同陶瓷掺量表层摊铺作用下变化不大。

4.3 有效压实时间

试验表明，当沥青混合料的温度低于85～90℃时，碾压实际上已不再明显增加沥青混凝土的密实度［11］。本研究采用SMA－13的改性沥青混合料，故确定以铺层层中沥青混合料温度下降至85℃时为有效压实时间。

根据图3曲线得到不同陶瓷掺量下沥青混合料的有效压实时间，见表2。

表2 不同陶瓷掺量下沥青路面有效压实时间Tab.2 Effective compaction time of asphalt pavement in different ceramic percentage

结果表明，陶瓷掺量的增加能够较为显著的提高沥青混合料的有效压实时间。陶瓷掺量越多，沥青混合料的有效压实时间越长，呈正相关关系。

4.4 车辙深度

在沥青路面温度场的分析基础上建立连续变温的车辙分析模型［12－13］，以数值分析的方法分析应用陶瓷沥青混凝土隔热层的沥青路面在温度和荷载耦合作用下的永久变形情况。沥青混合料的本构模型采用时间硬化的蠕变模型进行车辙计算。在50万次标准轴次作用下，50%陶瓷掺量的沥青混凝土路面与普通沥青混凝土路面的车辙模拟结果见图4。

图4 路面车辙变形云图Fig.4 Nephogram of pavement rutting

结果发现，未采用陶瓷沥青混凝土隔热层的路面结构，其永久变形量达到了2.54cm。而采用陶瓷沥青混凝土隔热层的路面结构，其永久变形量只有1.12cm，比无隔热层路面减少了56%。这是由于陶瓷沥青混凝土隔热层的存在，阻止了热量大量往下传递，路面结构的温度相对较低，使得路面在荷载作用下产生的车辙大幅减小。

5 结 论

1）陶瓷粉末沥青混凝土，能够降低材料导热系数。50%的陶瓷掺量下，4cm深度处的最高温度降低了4.42℃，10cm深度处的最高温度降低了3.0℃，而18cm深度处的最高温度降低了约1.67℃，说明陶瓷沥青混凝土用于路面表面层时起到一定的隔热效果。

2）陶瓷掺量的增加，能有效地防止摊铺压实过程中铺层温度的散发，但是对铺层下结构深度的温度影响不大。无陶瓷集料的沥青混合料有效压实时间约为20min，而50%陶瓷的沥青混合料有效压实时间则为44min。陶瓷沥青混凝土能够提高摊铺压实过程中的有效压实时间。

3）车辙模型结果表明，未使用隔热层的路面结构永久变形量为2.54cm，而采用陶瓷沥青混凝土隔热层的永久变形量为1.12cm，减少了56%，能有效减少了车辙的形成。

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