多孔改性混凝土复合式路面温度场分析

2020-08-24谭细明王泽华

交通科技 2020年4期

谭细明王泽华

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430056)

近年来，多孔改性混凝土上覆沥青层复合式路面结构(porous modified concrete composite pavement，PMCCP)应用普遍。路面结构完全暴露于外界环境时，部分太阳辐射与大气辐射的能量从路面反射，其余部分会被路面吸收并以热能的形式存储在路面内部，导致路表温度很高，并受环境状况动态改变。较高的路表温度可能严重危害路面结构强度和路面的使用效果，故分析路面温度场的影响规律非常重要，同时，对PMCCP结构设计也具有一定的指导意义。

1 温度场计算模型的建立

1.1 单元选取

采用三维实体模型仿真路面结构温度场的变化情况。运用ANSYS有限元软件计算分析路面结构温度场，热单元选取三维实体热单元THERMAL SOLID70单元[1]，结构模型图见图1。

图1 SOLID70单元结构模型

SOLID70作为三维实体单元用于三维热传导分析，单元由8个节点及正交异性材料特性所定义。本单元适用于三维、稳态或瞬态热分析，对于稳态分析，忽略比热和密度。

1.2 计算模型

根据多孔改性水泥混凝土的特性，结合文献资料[2]，确定多孔改性水泥混凝土路面结构横断面图见图2。路面宽12 m，上面层为4 cm沥青层作为功能层，提供道路结构的平整度，下部为30 cm的多孔改性水泥混凝土层，基层为18 cm水泥稳定碎石，底基层为18 cm水泥稳定砂砾。边坡坡度为1∶1.5，地基深度取3 m，X轴表示路面横向方向，Y轴表示路面结构厚度方向，Z轴表示路线方向。

图2 道路典型横断面图

在用ANSYS软件计算分析时，通常把横断面图作为基础，运用扩大地基的形式，建立温度场有限元模型，再对网格进行划分，面层的单元格尺寸设定为0.2 m×0.2 m，高度为0.01 m，基层和底基层单元格的高度为0.01 m，土基单元格的高度为0.5 m，温度场模型网格划分图见图3。

图3 温度场模型网格划分

1.3 边界条件及计算参数

在路面结构内，温度变化相对较小，路面结构参数可看做常数。根据相关研究，通过回弹模量、密度、线膨胀系数和导热系数等参数来区别多孔改性水泥混凝土和普通水泥混凝土路面。对路面结构层热物性参数取值见表1。

表1 道路结构层热物性参数

不同温度的导热系数取值见表2，温缩系数取值为2×10-5℃-1。热交换系数的选取根据气候不同而选取不同的值。

表2 沥青层导热系数取值

2 PMCCP温度场分析

2.1 不同自然区划气候条件分析

在计算温度应力时，温度场的变化主要由气候的温度变化引起，其变化主要受太阳辐射的影响。对各地区的气候条件进行简化，以热量资源作为分区的主要指标，根据温度的不同，对不同自然区划的温度场进行分析[3]。参照JTJ 003-86 《公路自然区划标准》及中国气候分区图集等相关资料，对不同自然区划地区的温度特征进行划分，结果见表3。

表3 不同自然区划地区的温度特征 ℃

根据各地区气候条件的不同，计算不同自然区划条件下温度场的分布状况，本文对气候的分区仅从一级区划来考虑。

2.2 不同自然区划温度场分布规律分析

根据模型及计算参数得出不同自然区划地区在不同季节下的温度场分布。因为在路面温度分析中，最大温度应力主要发生在夏季炎热季节，对每一自然区划取具有代表性天气后进行夏季最不利状况的温度场分析，根据模型得出某一时刻路面结构的温度场分布图见图4。

图4 III区夏季14:00时的路面结构温度分布(单位：℃)

根据不同的气温时刻表，取夏季1 d中的06:00、14:00、22:00 3个时刻，通过ANSYS计算不同时刻道路结构的温度场分布，可得到温度随结构深度、时间的变化曲线见图5～图8。

图5 III区PMCCP温度随结构深度变化情况

由图5可见，在自然区划III区，夏季炎热季节，14:00时的温度路面结构温差最大，此时多孔水泥混凝土面层会达到最大正温度梯度，随着深度从路面延伸到路面底部，温度从50 ℃降低到20 ℃左右，温差变化较大。在06:00、22:00时路面结构温度差呈现先增大、后减小的趋势，其在中面层及下面层时温度差达到最大值，然后随深度变化呈减小趋势，当深度到达1 m时，温度差变化幅度变小，基本保持不变。

图6为自然区划II、V夏季高温季节的3个不同时刻的温度变化。从图6可见14:00时路面结构温度梯度达到最大，温度在路表达到最高。6:00时，从路表面到底基层底部温度增大了45%，在混凝土层温度达到最大。22:00时，从路表面到底基层底部温度增大了25%，当深度增加时，温度基本不再随深度而变化。

图6 II、V区PMCCP温度随结构深度变化情况

图7为自然区划IV、VI夏季高温季节的3个不同时刻的温度变化。

由图7可知，在自然区划IV、VI中，夏季路面结构温度随时间的变化呈现正弦变化，混凝土的上、中、下表面均在14:00时达到最大值。在夏季、炎热季节，1 d内，路面温度可以从25 ℃变化到60 ℃左右，变化幅度可达55%，中部和底面由于温度相对较低，变化幅度相对较小。

图8为自然区划VII区夏季高温季节的3个不同时刻的温度变化。

图8 VII区PMCCP温度随结构深度变化情况

由图8可以看出，在14:00时，路面结构温度随着深度的加深逐渐减小，路表温度可达37 ℃，随着深度加深，达到70 cm深时，温度减小到了16 ℃，当深度达到1 m时，温度为12 ℃左右，此时温度变化不是很明显。

2.3 不同自然区划的温度梯度分析

路面温度随路面结构深度的变化而产生变化，多孔改性水泥混凝土板的温度梯度是指板顶与板底的温差与厚度的比值，即温度梯度=(混凝土板顶面温度-底面温度)/结构层厚度，温度梯度在温度场分析中有着重要的作用，温度梯度可以更加直观地反映路面结构的温度变化状况。

根据温度场计算结果，对不同区划采取的温度梯度值进行推荐，结果见表4。

表4 最大温度梯度标准值

由表4可知，多孔水泥混凝土板的最大正温度梯度值为80 ℃/m，而普通混凝土最大正温度梯度可达100 ℃/m，因此，多孔混凝土的温度梯度一般小于普通混凝土。

2.4 沥青层对温度场的影响

由于沥青材料的温度敏感性，在水泥混凝土面层上加铺沥青面层时，多孔水泥混凝土面层的温度状况将会发生改变。模型中PMC表层距表面4 cm，中部距表面16 cm，底部距表面34 cm，分析沥青层厚度变化对温度场的影响，从而提出合适的温度梯度修正系数。

2.4.1沥青层有无对温度场的影响

以III区夏季高温季节温度分布为例，分析沥青层对温度场的影响。路面结构热物性参数选择见表5，据此得出夏季不同沥青层厚的温度场。

表5 道路结构热物性参数

当不铺设沥青层时，路表温度较沥青层薄时稍小，夏季不同沥青层厚的多孔层温度分布曲线见图9。

图9 夏季不同沥青层厚的多孔层温度分布

由图9可以看出，当不铺设沥青层时，沥青材料在太阳辐射、对流作用下吸收了大量热量，导致热量传递到PMC表层时，温度仍高于不铺设沥青层时的温度；当沥青层厚度大于2 cm时，PMC表层温度开始逐渐减小。PMC层深度越深，温度变化越小，当到达底层时，温度基本保持不变，这是因为随着热量向下传递，热量产生一定损耗，导致热量到达底部时相差不大。

2.4.2冬季与夏季沥青层厚度变化对多孔层温度的影响

沥青混合料是一种典型的温度敏感性材料，随着温度变化，其力学指标与路用性能受到显著影响。分别分析夏季高温季节与冬季严寒季节沥青层厚度变化对温度场的影响。

冬季III区气温取值为2.4 ℃，地温为0 ℃，其余参数与计算方法同夏季一致，经有限元模拟分析，可得冬季不同沥青层PMC层温度分布见图10。