季冻区沥青路面温度场影响因素分析

2020-05-25张家伟

筑路机械与施工机械化 2020年3期

张倩，马昭，张家伟

(1.陕西省高性能混凝土工程实验室，陕西渭南 714000； 2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；3.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安 710055)

0 引言

沥青路面具有抗滑、耐磨、表面平整和噪音低等优点，后期养护及维修也体现出极大的经济性与便捷性[1-3]。因此，沥青路面逐步发展为主流的路面结构形式。

从沥青路面气候分区可以看出，季冻区在中国分布广阔，该类地区路面结构受温度影响较为显著[4]。在不同季节昼夜温差作用下，季冻区沥青路面结构温度场不断发生变化。沥青混合料的材料组成决定了其具有显著的温度敏感性，即温度能显著影响沥青混合料的性能，进而影响沥青路面的使用性能。因此，研究沥青路面温度场对掌握沥青路面病害具有重要意义。

关于沥青路面温度场，国内外学者进行了不少研究，取得了有益的进展。Baber首先将路面结构假定为半无限体，而后在结合热传导相关理论的基础上建立高温温度场预估模型，并与实测数据对比，发现所建模型满足精度要求。Williamson建立了适用于南非地区的沥青路面温度场有限元仿真模型，并用道路实测数据验证模型精度。在实测路面结构不同深度处温度的基础上，日本学者近腾佳宏建立了与气温及时间周期性相关的温度场预估模型。贾璐等[5]依据热传导基本理论，建立与外界环境因素相关的温度场数值预估模型，并在全国多个地区设立观测站收集数据，扩展模型的适用范围。陈嘉祺等[6]基于传热学相关理论，分析影响路面结构温度场的主要因素，将理论分析与试验相结合，建立理论-经验预估模型。王琨等[7]等运用统计方法，建立了不同气象条件下路面结构不同深度处的温度场预估模型。

目前已有研究多数着眼于沥青路面温度场预估，然而沥青路面温度场受地域气候影响较大，且由于路面材料的非均质性，材料的热物理参数目前尚未形成统一的标准试验方法，难以获取。鉴于此，本文结合实测气候数据，借助有限元模拟，首先对冬季与夏季沥青路面面层结构的温度场进行分析，然后分析面层材料比热及热传导率对沥青路面面层结构温度场的影响，最后对平均气温向极端气温过渡及冬季无太阳辐射路面面层结构温度场的变化规律进行研究，考察气温变化和材料热物理参数等因素对季冻区沥青路面温度场的影响。

1 温度场相关理论

影响路面结构温度场变化的因素可分为外部因素和内部因素[8-10]，当沥青路面结构各层厚度及材料已知时，影响路面结构温度场变化的因素为外部因素，包括太阳辐射、气温、热对流及路面有效辐射等。

1.1 太阳辐射对路面结构温度场的影响

夏季高温条件下，最长日照时间约为12.5 h，而冬季低温条件下最长日照时间约为8.5 h，相差约4 h。与此同时，冬季太阳日辐射总量低于夏季。太阳辐射的日变化具有一定的周期性，太阳辐射q(t)可用如下函数表示。

(1)

由于式(1)为分段不连续函数，为使函数在区间内连续，可将其展开为三角函数表示的级数形式，即

(2)

1.2 气温及对流热交换

由一天中最高及最低气温出现的时刻可知，气温由最低升至最高所需时间在10 h之内，而由最高降至最低所需时间则在14 h以上。一天中升温与降温所需时长不同，若仍采用单一正弦函数来描述气温的日变化过程，会产生较大误差，而采用式(3)来描述其变化特点，则可达到要求。

(3)

热交换系数hc决定着路面与大气之间的热交换能力，其值的大小与风速vw密切相关，两者之间的关系为:

hc=3.7vw+9.4

(4)

1.3 路面有效辐射

路表温度、云量及大气湿度等因素是影响路面有效辐射的主要因素，采用式(5)可直接实现路面有效辐射，具体形式为：

qF=εσ[(T1|z=0-Tz)4-(Ta-Tz)4]

(5)

2 沥青路面温度场分析

延安地区气候多变且温差较大，属于典型的季冻区气候，故选取该地区沥青路面温度场为研究对象。依据当地某高速公路的路面结构，确定模型长、宽、高分别为9.00、3.75、0.76 m，网格类型为DC3D8，网格大小为0.3，具体路面结构模型见图1。

图1 路面结构模型

对气象数据进行汇总，根据路面结构温度场分析的需要，结合该路面结构形式及其材料的相关参数，本文所用参数值见表1、2。

表1 沥青路面不同结构层材料参数值

表2 温度场外部相关参数

一年中的最高及最低日气温能够反映出该地区温度变化的上下限，对于确定温度变化区间具有重要意义。对延安地区2018年日最高气温与日最低气温进行统计，如图2所示。

图2 2018年延安日最高与最低气温变化特点

由图2可知：延安地区在2018年最高气温为30 ℃左右，而最低气温为-25 ℃左右，差值为55 ℃，但一年中特定某一天最高与最低气温的差值达不到此种程度。低温和高温对路面结构的影响显著，且所选温度变化数据应符合该地区相应季节温度变化的平均水平，故分别选取冬季和夏季具有代表性的30 d温度数据均值进行分析。2018年延安地区冬季及夏季平均气温变化如表3、4所示。

表3 2018年延安地区夏季日平均气温变化

表4 2018年延安地区冬季日平均气温变化

2.1 沥青路面面层结构温度场的变化特点

分别计算延安地区冬季和夏季具有代表性气候平均水平影响下路面面层结构不同深度处温度场随时间的变化特征，夏季低温4时、5时、6时3个时刻和高温13时、14时、15时3个时刻路面结构横断面温度场的计算结果见图3。一天之中的不同时刻，面层结构不同深度处的温度如图4所示。

图3 夏季低温及高温代表性时刻的路面结构横断面温度

图4 不同季节沥青路面面层结构不同深度处温度随时间的变化

由图4可以看出，沥青路面面层结构不同深度处日温度变化幅度有所不同，但随着时间的变化，不同深度处温度场的变化具有明显的规律性。

(1)从不同深度处日最高温度的变化规律来看，路面表层与气温的变化趋势基本同步，其余各层日最高温度在时间上均表现出一定的滞后，且滞后现象随深度的增加而愈加明显。从不同深度处日最低气温的变化规律可以看出，各层到达日最低气温的时间并未呈现出明显的滞后。

(2)在不同季节，路表温度的变化特点表现出较大差异。夏季路表日最高温度高于大气温度，且差值在15 ℃以上，在冬季则无太大差异。

2.2 比热对温度场的影响

为研究面层材料参数对路面结构温度场的影响，仅通过变换面层材料的比热来分析，其他条件保持不变。5种面层材料对应的比热值分别为C1、C2、C3、C4、C5，如表5所示。分别计算不同比热值对路面面层结构温度场的影响，对比不同比热值时相同深度处的温度，如图5、6所示。

由图5、6可以看出，无论是冬季还是夏季，当层深保持不变时，比热值越小，对应的最高温度越高，对应的最低温度越低，温度变化的幅值越大。将冬季和夏季路面结构温度场对比分析后可发现，比热值不同的5种面层材料，其路面结构冬季最大温差均在1 ℃范围以下，而夏季最大温差均在1 ℃以上，其中路面结构0.04 m深度处最大温差为5 ℃。随着深度的增加，比热值所引起的温差逐渐减小。

表5 路面结构材料比热值

图5 材料比热不同时冬季面层结构不同深度处温度场随时间的变化

图6 材料比热不同时夏季面层结构不同深度处温度场随时间的变化

2.3 热传导率对温度场的影响

变换面层材料的热传导率，分析其对路面面层结构温度场的影响，其他条件保持不变。k1、k2、k3、k4、k5分别代表5种热传导率的情况，如表6所示。对比相同深度处不同热传导率对路面面层结构温度场的影响，结果如图7、8所示。

由图7、8可知：当路面结构深度不变时，热传导率不同的5种面层材料，其路面结构层温度随着热传导率增大，变化幅值逐渐增大。无论冬季还是夏季，当层深保持不变时，热传导率对路面结构的最高温度和最低温度体现出不同的影响。热传导率越大，最高温度越高，而对应的最低温度除冬季路面结构深度0.22 m处有较小变化外，其余均无明显差异。

表6 路面面层结构材料热传导率

图7 不同热传导率时冬季面层结构不同深度处温度场随时间的变化特点

图8 不同热传导率时夏季面层结构不同深度处温度场随时间的变化特点

2.4 太阳辐射对温度场的影响

有太阳辐射是夏季常态，夏季无太阳辐射远不如有太阳辐射对路面结构的影响大，故不对夏季无太阳辐射的情况作单独分析。在其他条件均保持不变的情况下，仅研究冬季无太阳辐射条件下路面面层结构温度场的变化特征，并与冬季有太阳辐射条件下的温度场进行对比，如图9所示。

图9 太阳辐射对冬季面层结构不同深度处温度场的影响

由图9可以看出，随着时间的变化，有太阳辐射与无太阳辐射条件下路面结构温度场的变化规律基本相同。相较于有太阳辐射的温度场，无太阳辐射的温度场存在一定的滞后，但滞后并不明显。在冬季无太阳辐射的情况下，路面结构各层的最低温度与有太阳辐射的情况相差在1 ℃以下，但最高温度的差值均在2 ℃以上。

2.5 极端气温对温度场的影响

路面结构温度场通常处于稳定的变化状态，但气温骤变会引起温度场的变化。因此有必要深入了解外界环境骤然变化对路面结构温度场的影响。以2018年延安地区冬季及夏季最极端温度为例进行分析，极端气温的变化情况见表7、8。除气温外，其他条件均保持不变，将计算结果与平均气温条件下路面结构温度场数据进行对比分析，如图10所示。

由图10可以看出：夏季时，当由平均气温向极端气温过渡时，沥青路面面层结构各深度处的温度与稳态时刻相比升高，而且是随着时间增加逐步升高，当与稳态时刻温度达到一定差值后基本维持稳定，最大差值在2 ℃以上；冬季时，当外界温度由平均气温向极端气温过渡时，面层各深度处温度均无太大变化。