沥青路面温度场的主动调控方法研究

2021-04-06邓甲

山东交通科技 2021年1期

邓甲

（南京铁路建设投资有限责任公司，江苏南京 210012）

引言

沥青混合料是一种温度敏感性材料，其模量和强度等参数随温度的变化而变化，从而进一步影响路面的承载能力和高低温性能等[1]。沥青路面的温度场直接受混合料的热物参数影响。因此，研究材料的热物参数对路面温度场的影响非常有必要，可以采取相应的技术措施来改变混合料的热物参数，从而进一步改变路面的温度场。

对沥青路面温度场的研究较多，基本上都将路面三层看作一个整体而忽视了每层材料的热物参数对结构温度场的影响[2-3]。冯德成等[4]仅对上面层热物参数对路面温度场的影响进行了研究，研究路面三层材料的热物参数对路面温度场的影响，找出其影响大小和规律，给降低路面某点温度需要改变某层材料的某一热物参数提供理论参考。沥青混合料的热物参数包括导热系数、比热容和热扩散率，而热扩散率可以通过前两个参数和密度计算得到。对各层材料的导热系数和比热容对路面各点温度的影响作出理论预测，因为这两个参数可以通过掺加无机粉体等材料相对容易地得到改变。根据相关文献[5-8]，沥青混合料的导热系数在0.58 ～2.88 W/（m·K）内变化，比热容在800 ～2 000 J/（kg·K）内变化，使得在较大范围内变化导热系数和比热容来改变路面温度场成为可能。

1 沥青路面温度场的应用

1.1 缓解城市热岛效应

城市热岛效应已成为影响人们生产生活的一大问题，道路材料占城市构筑物的比例达29% ～45%[9]，因此可以通过对路面结构或材料的改变缓解城市热岛效应。沥青路面对太阳辐射的吸收率较高，通过有效辐射和对流换热与大气进行热量交换，路表温度升高使其向大气间的热量交换增大，从而造成低空温度升高，热岛效应加剧。为了缓解城市热岛效应问题，可以通过降低路表温度实现。

城市热岛效应影响周围环境温度，而环境温度进一步影响轴载换算等路面问题[10]。此外，城市热岛效应造成市区道路的抗车辙能力低于郊区道路[11]，因此，采取措施缓解城市热岛效应非常有必要。

1.2 减少车辙

车辙已成为沥青路面的一大病害，受路面温度场的影响显著[12]。高温车辙变形绝大部分由沥青面层产生，且中面层变形最大约占车辙总量的60%[13]。数值模拟分析得出，中面层的剪应力均比上面层或下面层大[14]，且中面层的变形大于下面层[15]。因此，为了降低车辙发生率，应该主要在中面层上下功夫。沥青混合料是一种温度敏感性材料，其模量受温度影响较大。正是由于混合料温度升高，造成模量下降，在车辆的不断作用下路面结构的永久变形不断累积，从而使得夏季高温车辙频发。因此，为了降低中面层的车辙，应该采取措施改变材料的热物参数来降低该层的温度。

2 导热系数对温度场的影响

普通路面的导热系数结构为1.2+1.2+1.2（1.2 为该层沥青混合料的导热系数，W/(m·K)，下同）。研究上面层导热系数对路面温度场影响时，变化该层导热系数（0.6 ～1.6 W/(m·K)）而保持其余两层导热系数为1.2 W/(m·K)不变，研究其余两层导热系数对路表最高温度影响时依次类推。各层导热系数对路表、中面层表面、下面层表面、下面层底面的影响见图1 ～图4。

图1 路表温度变化趋势

图2 中面层表面温度变化趋势

图3 下面层表面温度变化趋势

图4 下面层底面温度变化趋势

总体上看，每层导热系数对各点温度均有不同程度的影响。（1）由图1 看出，上面层导热系数对路表温度影响最大，最大可达4.7 ℃，且随着导热系数的增加，影响程度在减小；下面层的影响非常小。因此，为了降低路表温度，缓解城市热岛效应，必须尽可能地增大上面层的导热系数以减少热量在路表的积聚，下面层导热系数可以保持不变。（2）由图2 看出，上面层导热系数越大，中面层表面温度越高，这与上面层对路表温度的影响和中下面层导热系数对此点的影响相反；而且上面层导热系数对此点温度影响达4.3 ℃，中面层导热系数影响可达3.6 ℃，下面层导热系数的影响非常小。因此，为了降低该点温度，要减小上面层导热系数，增大中面层导热系数，保持下面层导热系数不变。（3）由图3 看出，随上中面层导热系数的增加，下面层表面温度升高，而下面层导热系数对该点温度影响趋势相反。其中，中面层对该点温度影响最明显，最大可达3.5 ℃，下面层影响为1.8 ℃。因此，为了降低该点温度，应减小上中面层的导热系数，增大下面层的导热系数，下面层底部温度的应用不大。（4）由图4 可知，该点温度随三层导热系数的增大而升高，其中下面层导热系数影响最为明显，最大可达2.4 ℃。

由于中面层表面和底面受三层材料导热系数的影响不同，特别是当需要降低中面层温度时，到底应该增大还是减小中面层的导热系数无法判断。因此，图5 给出了中面层中部点温度随三层导热系数的变化趋势。

图5 中面层中部温度变化趋势

由图5 可知，该点温度受上面层导热系数影响非常明显，最大变化达3.4 ℃，而中面层导热系数对该点温度几乎没有影响。由图2、图3、图5 判断出，中面层的上半部温度随中面层导热系数的增大而降低，下半部温度随中面层导热系数的增大而升高。其实，由于车辙并非全部发生在中面层，下面层也占有一定的比例，并且下面层的温度随中面层导热系数减小而降低。因此，为了整体上减少车辙发生，中面层应该采用较低的导热系数。

3 比热容对温度场的影响

图6 路表温度变化趋势

图7 中面层表面温度变化趋势

图8 下面层表面温度变化趋势

图9 下面层底面温度变化趋势

（1）由图6 看出，路表温度受上面层比热容影响最明显，最大可达3.1 ℃；同导热系数影响一样，下面层比热容对路表温度几乎没有影响。因此，为了降低路表温度，缓解城市热岛效应，增大上面层的比热容，同时保持下面层比热容不变。（2）由图7可知，随着三层材料比热容的增大，中面层表面温度升高，且上中面层的比热容对该点温度影响几乎相同，最大影响范围为2.6 ℃。因此，为了降低该点温度可以同时提高上中面层的比热容。（3）由图8可知，下面层表面的温度随各层材料的比热容的增大而降低，且受中面层影响最大达2.0 ℃。因此，可以通过增大沥青路面整个结构的材料的比热容来降低中面层的温度，并以提高中面层比热容为主。（4）由图9 可知，下面层底面的温度与下面层表面的温度一样均随各层材料的比热容的增大而降低，不同的是该点温度受下面层比热容影响最明显，最大影响范围为1.2 ℃。若要降低下面层的温度则可以增大三层材料的比热容，并以提高下面层比热容为主。整体上看可以得出，随着研究位点的下移，上面层的影响逐渐减小，下面层影响逐渐增大，而中面层的影响先增大后减小。

与图1 ～图4 比较可以看出，各点的温度随材料的导热系数呈曲线型变化，而各点的温度随材料的比热容呈线性变化。值得注意的是，沥青路面温度场受导热系数的影响较比热容更大。以路表温度为例，上面层导热系数对路表温度的最大影响范围为4.7 ℃，而上面层比热容对路表温度的影响范围为3.1 ℃，其余各点的温度受导热系数影响均比受比热容影响大1 ℃以上，说明通过改变沥青路面材料的导热系数更容易调节路面结构的温度场，达到缓解城市热岛效应或减少车辙发生率的作用。