广西地区沥青路面温度场特征及其影响研究

张洪刚，冯永平，黄　慧，胡　省

(1.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西　南宁　530007；3.广西壮族自治区沿海公路管理局，广西　钦州　535000；4.广西公路技工学校，广西　南宁　530023)



广西地区沥青路面温度场特征及其影响研究

张洪刚1，2，冯永平3，黄慧4，胡省1，2

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁530007；3.广西壮族自治区沿海公路管理局，广西钦州535000；4.广西公路技工学校，广西南宁530023)

文章通过大数据调查分析，量化研究了广西地区高温多雨的气候特征指标与参数，并采用数值软件模拟计算分析了广西地区沥青路面三种典型结构的温度场分布特征及其对路面使用性能的影响，可为广西地区沥青路面结构设计、材料选择及组成设计提供参考。

高温参数；大数据；沥青路面；温度场；抗车辙

0　引言

影响公路路面使用性能的因素众多，其中气候条件是重要的影响因素之一。已有研究表明，温度和降水是引起沥青路面早期病害的主要气候因素，尤其是在华南湿热地区，高温湿热特征对沥青路面的使用性能影响显著。一般在沥青路面结构与材料设计中，广西地区沥青路面设计中气候因素影响一般参照沥青路面设计规范中“1-4区”的“夏炎热冬温和多雨”的特征进行考虑，尚不能充分凸显广西地区典型气候特征对沥青路面使用性能的影响。因此，本文采用大数据调查分析研究，量化了广西地区高温多雨的气候特征指标与参数，采用数值软件模拟计算了广西地区沥青路面三种典型结构的温度场分布特征，并分析了三种不同路面结构的温度场分布特征及其对广西地区沥青路面使用性能的影响。本文可为广西地区建设、设计、施工等相关部门提供技术参考，对进一步优化广西地区沥青路面结构与材料设计提供参考，提高广西地区沥青路面耐地方气候典型特征影响的适用性。

1　广西地区高温多雨特征

夏季炎热高温多雨是广西地区典型气候特征，同时也是影响沥青路面使用性能最主要因素之一。已有研究表明，影响沥青路面使用性能的温度特征指标为最热月7月的日平均高温、日气温极值、连续7 d最高温平均值、持续时间。本文以南宁地区2011-2014年夏季气候特征大数据调查为例，研究了广西地区夏季炎热高温特征主要指标，如表1所示。

表1　南宁地区夏季7月高温特征指标表

由表1可知，广西地区最热月7月的日均高温达到33 ℃左右，连续7 d最高温达到34 ℃左右，7月基本整整一个月日均高温都>30 ℃，因此高温突出且持续时间长是广西地区影响沥青路面使用性能的最突出温度特征。为进一步研究广西地区这两项典型高温特征与周边外省市的差异，本文对比研究了广西代表地区与国内夏季高温代表地区的夏季月均高温，如表2所示。

由表2可知，广西地区全年内月均高温≥30 ℃的总月数达到6～7个月，约是国内其他夏季炎热高温地区月均高温≥30 ℃的总月数的2倍，因此，广西地区夏季高温且持续时间远远超过国内其他夏季高温地区，一年内相当于其他省市经历了将近2个夏季时间。同时调查研究表明，广西大部分地区年降水量达到2 000 mm左右，甚至沿海多雨地区接近3 000 mm，并且全年70%以上的降水量集中在5～8月，刚好与夏季最高温时间段重叠，“雨热同期”对广西地区沥青路面服役性能非常不利，高温多雨且雨热同期是造成广西地区沥青路面车辙等早期病害频发的重要原因。

表2　2014年广西区内外夏季月均高温对比结果表

2　温度场计算参数

为研究广西地区高温特征下沥青路面的温度场特征，本文中利用ABAQUS软件对广西地区常用路面结构类型的沥青路面温度场进行了数值模拟计算。本文计算中采用的各结构层材料的热特性参数如表3所示。参考广西地区极端高温状况下的气象参数，本文计算中采用的最不利季节的气象指标如表4所示，主要包括日最高气温、日最低气温、日太阳辐射总量以及路面日平均风速。

表3　路面结构层材料的热特性参数表

表4　广西地区沥青路面温度场计算气象参数取值表

本文主要针对广西地区常用典型路面结构形式，即对半刚性路面和复合式路面结构进行温度场计算研究，并对普通公路较薄的沥青面层与高速公路较厚的沥青面层的温度场进行了对比研究，本文温度场计算采用的路面结构如表5所示。

表5　温度场计算采用的路面结构类型及其组合、厚度表

3　结果分析

温度场中的高温值、持续时间、高温分布位置是沥青路面抗车辙的主要指标。因此本文通过数值计算获取了三种典型结构的上述温度场特征指标，温度场计算结果如图1～3所示。

图1　结构A的沥青路面温度场分布规律曲线图

图2　结构B的沥青路面温度场分布规律曲线图

图3　结构C的沥青路面温度场分布规律曲线图

由图1～3计算结果可知：

(1)三种结构的路表及路表下2 cm处的温度场基本相同。这是因为路表直接受气温、太阳辐射、风速等作用，沥青层路表的温度主要受气象条件的影响，即三种结构的路表温度场不受结构类型的影响。计算结果还表明，广西地区沥青路面中午最热时间段路表温度可达65 ℃，与路表实测温度基本一致。

(2)温度场特征指标分布规律：结构A(路网公路)沥青层深度为2 cm、4 cm的日最高温度分别为63.0 ℃、57.2 ℃。即结构A整个沥青层自中午12：00～下午17：00约6 h均处于>55 ℃的工作环境中；结构B(高速公路)沥青层深度为2 cm、4 cm、10 cm、16 cm的日最高温度分别为63.0 ℃、58.3 ℃、52.0 ℃、45.8 ℃，即结构二中4 cm上面层自中午12：00～下午17：00约5 h均处于>55 ℃的工作环境中，6 cm中面层自下午14：00～下午18：00约4 h均处于>50 ℃的工作环境中，8 cm下面层自下午15：00～晚上20：00约5 h均处于>45 ℃的工作环境中；结构C复合式路面沥青层深度为2 cm、4 cm的日最高温度分别为62.5 ℃、57.5 ℃，整个5 cm厚的沥青层中午12：00～下午17：00均处于>55 ℃的工作环境中。

(3)由图1～3计算获取的沥青层内的温度场分布可知，由于结构A(路网公路)和结构C(复合式路面)的沥青层厚度较薄(5～7 cm)，这两种结构在一天当中整个沥青层厚度范围内温度>55 ℃的持续时间长达5 h以上；结构B(高速公路)沥青层厚度相对较厚(18 cm)，该结构在一天当中表面层承受>55 ℃温度场、中面层承受>50 ℃温度场、下面层承受>45 ℃温度场的持续时间均达到4～5 h。由此可见广西地区沥青路面温度场高温明显且作用时间长，尤其是在中午至傍晚时间段沥青面层温度场均超过了普通沥青的软化点温度或接近SBS改性沥青软化点，即沥青层材料长期处于沥青软化流动临界温度范围内，对沥青混合料抗车辙及其耐久性不利。

(4)温度场对沥青混合料材料组成的影响。本文计算的三种路面结构的沥青面层温度>55 ℃的影响深度约为5 cm，每日持续影响时间长达5.0 h左右，恰好为沥青路面结构的表面层，这也是目前高速公路上面层均采用改性沥青的主要原因之一。然而在普通公路中受建设资金影响，沥青面层材料多采用70#普通沥青，沥青面层混合料需要长时间在>55 ℃环境中服役，这对普通公路沥青混合料抗车辙性能提出了更高要求。由温度场分布特征可知，广西地区沥青面层长时间处于高温环境中，沥青面层抗车辙性能对材料及其级配组成的嵌挤支撑密实性要求较高。因此，基于广西地区沥青路面温度场特征，沥青面层材料及其级配组成应以控制沥青混合料的塑性变形、流动变形为原则，应以形成骨架嵌挤、支撑、均匀密实型为目标。

(5)另外，对于薄层复合式沥青路面而言，沥青面层温度>55 ℃的影响深度5 cm恰好处于沥青层和水泥混凝土板的层间结合处，在广西地区由于高温原因在层间位置>50 ℃长达8 h，层间温度高，持续时间长，再加上沥青层薄容易产生推移拥包等病害，另外层间处理材料通常为富沥青类等材料，高温状况下其粘结力下降明显，导致层间抗剪切强度降低，因此，层间粘结失效也是复合式路面常见病害之一，对于薄层复合式路面，界面处理、层间材料选择与施工控制是保证薄层沥青混合料稳定的重要条件。

4　结语

本文通过大数据分析研究获取了影响广西地区沥青路面使用性能的典型气候特征与参数，并计算了广西地区常用典型沥青路面结构的温度场，得到如下结论与建议：

(1)高温突出且持续时间长、雨热同期是影响广西地区沥青路面使用性能的最突出特征，且与周边省市地区具有明显的差异，因此，在广西地区沥青路面结构与材料设计与选择中应给予重点考虑，提高广西地区沥青路面耐地方典型气候特征的适用性。

(2)在我国，广西地区夏季高温时间约是其他大部分省市的2倍，广西地区全年月均高温≥30 ℃的总月数达到6～7个月，沥青路面抗车辙尤其是持续高温状态下的车辙疲劳问题都值得进一步研究。

(3)对比研究了广西地区路网公路、高速公路最常用的沥青路面三种典型结构的温度场分布特征参数及其差异影响。广西地区沥青路面温度场高温明显且作用时间长，尤其是在中午至傍晚时间段沥青面层温度场均超过了普通沥青或接近SBS改性沥青软化流动温度，即沥青层材料长期处于沥青软化流动临界温度范围内，在交通荷载尤其是重载作用下对沥青混合料抗车辙及其耐久性不利。

(4)基于广西地区沥青路面温度场特征，广西地区沥青面层材料及其级配组成应以控制沥青混合料的塑性变形、流动变形为原则，以形成骨架嵌挤、支撑、均匀密实型为目标，除高速公路以外，路网公路中的重载交通明显的国省干道在建设成本允许情况下，可考虑采用较厚的沥青层或采用改性沥青作为胶结料，以提高沥青面层的抗车辙及其耐久性能。

[1]张洪刚.水—温冻融条件下沥青路面病害特征及发展机理[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[2]邹晓翎，谈至明，钱晨，等.路面温度日变化曲线的拟合[J].长安大学学报(自然科学版)，2015(3)：40-45.

[3]谈至明，马正军，邹晓翎.基于路表实测温度的路面温度场估计模型[J].同济大学学报(自然科学版)，2013(5)：700-704.

[4]孙立军，等.沥青路面结构行为理论[M].上海：同济大学出版社，2003.

[5]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.

Study on Asphalt Pavement Temperature Field Features and Its Influence in Guangxi Region

ZHANG Hong-gang1，2，FENG Yong-ping3，HUANG Hui4，HU Sheng1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007；3.Guangxi Coastal Highway Administration，Qinzhou，Guangxi，535000；4.Guangxi Highway Technical School，Nanning，Guangxi，530023)

Through investigation analysis on large data，this article conducted the quantitative research on the characteristics index and parameters of hot and rainy climate in Guangxi region，and by using the numerical software simulation calculation，it analyzed the temperature field distribution characteristics of three typical asphalt pavement structures in Guangxi region as well as its impact on pavement performance，which can provide the reference for the structure design，material selection and composition de-sign of asphalt pavement in Guangxi region.

High-temperature parameters；Large data；Asphalt pavement；Temperature field；Anti-rutting

2016-05-02

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.002

1673-4874(2016)06-0005-04

张洪刚(1983—)，工程师，博士研究生，研究方向：路面结构与材料组成及其性能；

冯永平(1967—)，高级工程师，从事公路建设、养护、管理工作；

黄慧(1984—)，硕士，工程师，从事公路结构与材料性能研究、公路建设、养护等工作;

胡省(1988—)，硕士，助理工程师，从事路面结构与材料等研究与应用工作。

广西交通科技项目“广西路网公路路面结构适用性研究”