沥青路面结构温度演变仿真模拟研究

李明尧，阮有力

(1苏交科集团股份有限公司，江苏南京211112；2贵州省公路局，贵州贵阳550008）

国内公路路面结构，从早期受制于基础稳定性表现不佳、寿命较短的沥青路面转化为钢筋底网支持下的混凝土路面，进而随着改性沥青技术的成熟化，在钢筋混凝土路面基础上铺设改性沥青路面，该技术综合利用了钢筋混凝土路面硬度高、强度大的优势和改性沥青路面弹性高、塑性强、车辆养护效果好的优势，一直沿用到今天且仍在不断优化中[1-2]。

因为改性沥青材料属于半流体塑性材料，温度对其物理特性的影响较为显著，研究气温、降水、光照等环境影响下改性沥青路面的温度传导机制，是提升改性沥青路面结构性能的重要基础研究课题[3]。早期文献表明，夏季路面温度会显著高于气温，且沥青路面的半流体特征，会在高温条件下发生软化，使大车流量应用场景下，沥青路面变形形成车辙，而在地温条件下路面变脆后，车辙变薄位置会首先发生裂隙或结构损伤[4]。

该研究使用公路CAE软件，对运行中沥青路面结构温度演变规律进行仿真研究，与以往单纯研究沥青材料的温度演变特征的研究方向相比，该研究更贴近工程实践，属于偏应用侧的基础理论研究，也是该研究的创新点[5-6]。

1 沥青路面结构建模

沥青路面的应用场景主要分为两类：一是高标准公路，如高速公路、一级公路等，其路面宽度较宽，沥青铺设厚度较大，路基稳定性较强，沥青路面结构相对稳定，但其对沥青路面的要求也较高；二是高标准市政道路，如城区中央街道、汽车物流园区主要道路等，这类路面宽度较窄，设计车速较低，但其建设标准也相应较低，路面受到的系统保障较少，其路面承载能力也相应降低[7]。

高标准市政道路，一般采用2.5～3.5 m宽车道，采用双向2车道、4车道、6车道布置，一般采用夯土路基基础上构建一层或多层钢筋水泥硬化路基，每层厚度80～120 mm，在硬化路基基础上进行沥青路面铺设。优化设计中，一般机动车道的硬化路基厚度较大，沥青路面的结构厚度较大，而辅助车道如辅道、非机动车道等硬化路基厚度较小，沥青路面的结构厚度也较小[8]。同时，城区快速路、绕城高速路等的沥青路面施工结构更为复杂，设计强度也更大。市政沥青路面的设计结果各有不同，但可以优化设计一种沥青路面一般模式。该模式中，2～3 m夯土路基基础上，铺设100～240 mm厚度的钢筋混凝土强化路基，在强化路基基础上，施工多层沥青路面，每层厚度约60～90 mm，根据实际需要，层数有所变化[9-10]。

在上述沥青路面施工结构一般模式的基础上，设计一种可用于沥青路面结构温度与结构强度分析的沥青路面结构一般模式。某公路路面宽度5.0m，改性沥青层2层，每层80mm，钢筋混凝土层1层，厚度150mm，路基为三合土夯土，分析厚度1.5m，沥青层堆积边坡设计为76°，夯土路基堆积边坡设计为57°，钢筋混凝土路面边坡设计为90°。模型考察长度为150m。在道路工程CAE中加载SimuLink模块，对上述模型进行有限元划分，沥青路面有限元网格边长均值5mm，混凝土路面有限元网格边长均值50mm，夯土路基部分有限元网格边长均值500mm。该有限元模型加载后，其截面如图1所示。

图1 沥青路面结构建模结果图Fig. 1 Modeling results of asphalt pavement structure

1.1 材料特性基本参数设定

上述模型中，共涉及到3个结构和4种材料，包括：改性沥青拌和材料，商砼混凝土材料，钢筋混凝土结构中的钢筋材料，夯土材料。该4种材料基本参数见表1。

表1 材料特性基本参数汇总表Table 1 Summary of basic parameters of material characteristics

表1中，改性沥青配方为：天然沥青为主料，添加直径15～25 mm强度C30以上鲕状灰岩颗粒作为骨料，添加剂为硫化交联剂10～100份，促进剂5～95份，抗老化剂5～50份，抗氧化剂5～50份，活性剂5～50份。商砼混凝土配方为：425水泥450kg，河沙682kg，碎石（直径15～25 mm强度C30以上鲕状灰岩）1113kg，粉煤灰50kg，减水剂6kg，水155kg。钢筋材料共涉及到3种钢筋材料，其中使用直径12mm螺纹钢筋形成间距1200mm的主钢筋网，使用直径6mm的圆钢钢筋形成间距300mm的加强钢筋网，使用直径1.8mm的铁丝作为绑扎材料。夯土为熟土夯实，夯实比为80%。模型中，空气、积水等不设定总体积[11-12]。

1.2 热交换系数的确定

影响系统温度的参数，主要来自阳光照射、气温影响、积水影响等，所以需要计算系统的热辐射系统。根据公式（1）给出的热辐射交换系统基函数：

式（1）中：EG为基于黑体辐射的环境折算黑度，此处取经验值0.9；CS为界面导热系数，此处取经验值5.67；TW为材料温度；Tf为环境温度。

因为不考虑空气、积水本身的体积和流量，所以其比热容、热导系数等对实际仿真结果并无影响，所以，其热导方程可以简化为公式（2）：

式（2）中：初始条件如公式（3）；边界条件如公式（4）。

上述公式（2）～（4）中：α为热辐射交换系数；λ为界面导热系数；TC为环境温度；δ为材料厚度。

2 气象条件对沥青结构温度演变影响仿真

夏季光照强度较强，气温较高，昼夜温差变化较大，但因为阴雨天气较多，光照强度变化对沥青结构温度的影响较为复杂。而虽然沥青结构在温度超过204.4℃才会融化，但相关试验表明，当沥青结构温度超过26.7℃时，即出现硬度下降、流动性增强、强度下降的变化。上述CAE+SimuLink的仿真环境中，对上述模型在气温、光照强度、路面积水条件等影响下进行仿真，其气象条件按照某市2019年5月1日至9月1日真实气象数据为原始数据。

该原始数据中，每天最高气温、平均气温、最低气温变化情况如图2所示。

图2 气温原始数据可视化图Fig. 2 Visualization of original temperature data

图2中，考察期内，最低气温20.3℃，最高气温37.1℃，最高气温出现在六月下旬到七月中旬，但因为该时期同时为降雨量较高时期，所以气温变化幅度较大但日夜温差较小。从平均气温观察，122天考察期内，日平均气温低于26.7℃的天数为3天，最低气温高于26.7℃的天数为4天，即可认为考察期内沥青路面每天均出现硬度下降到重新固化的过程。

另考察该122天内的降水量变化情况，详见图3。

图3 降水量原始数据可视化图Fig. 3 Visualization of precipitation raw data

图3中，降水天气21天，占122天考察期的17.2%，其中单日降水天数7天，持续多日降水发生4次，最长4天，最短2天，共14天。另有阴霾天气31天。

在有限元仿真系统中，模拟上述沥青路面的最高温度，其最高温度、最低温度和平均温度变化曲线如图4所示。

图4 沥青路面结构温度变化趋势图Fig. 4 Temperature change trend of asphalt pavement structure

图4中，沥青路面在夏季条件下，最高温度可以达到52.5℃，远超过最高气温，其根本原因与大气温度形成原因有关。气象学原理中，光照首先使地面升温，然后地面发出的红外辐射使大气从下向上加热。即影响沥青路面结构温度的核心原因来自光照。所以，夏季气象数据下，不论是最高气温还是最低气温，沥青路面持续对大气放热。但对比分析图4沥青路面结构温度与图2大气温度分布规律，发现大气温度的变化周期较短，气温变化较为剧烈，而沥青路面的结构温度变化周期较长，温度变化并不剧烈。其根本原因在于沥青路面在阴雨天气受到下部基础结构的持续热能补偿，其温度变化较气温有显著的滞后性[13]。

结合上述分析，可以得到以下三点规律：

（1）沥青路面结构温度属于表层地温的构成部分，地温来自地热散发过程、地下水作用过程、日光照射过程等，地温对包括沥青路面结构温度在内的表层地温起到直接逻辑影响。因为地热散发过程、地下水作用过程的影响幅度变化周期较长，在数年内的考察周期内，可以认为这两项影响为常量，所以，光照强度与沥青路面结构温度之间存在显著统计学相关。

（2）沥青路面结构温度与地温辐射体系一起，影响大气温度。大气分子可以接受的热辐射形式为红外远红外波段，对准白光的太阳光照强度利用率较低，所以，光照对地温产生升温作用后，再由地温产生红外远红外为主的热辐射形式，进而作用于大气。沥青路面结构温度作为浅层地温表现直接作用于大气，影响气温因子，所以，沥青路面结构温度与气温之间存在显著统计学相关。

（3）沥青路面结构温度最高值远小于沥青融化值，但远大于沥青软化值，所以，夏季高温时段，沥青路面基本处于高温软化过程，沥青结构刚度下降，结构强度并未受到影响。所以沥青路面的夏季破坏形式是其软化后受到车辙等外力影响造成的结构变形。

3 日夜温差对沥青路面结构温度的影响分析

影响沥青路面结构特性的关键因子是沥青路面的结构温度，而沥青路面结构温度与日夜气温、地温温差之间存在显著统计学关联，所以在初步研究中，对模型气温、地温数据进行整合分析，输入特定时间段的日夜温差数据，观察日夜温差条件下沥青路面结构温度的变化情况，从而对日夜温差条件下沥青路面结构温度进行分析。

以2019年6月28日数据为基础数据，研究当天日夜温差对沥青公路结构温度的影响。当天最高气温36.8℃，最低气温26.7℃，平均气温31.8℃，当天0:00～24:00的气温变化曲线原始数据及沥青路面结构温度仿真结果如图5所示。

图5 夏季日夜温差原始数据及沥青结构温度仿真结果数据可视化图Fig. 5 Visualization of original data of temperature difference between day and night in summer and simulation results of asphalt structure temperature

图5中，因为沥青路面结构温度最低值为33.2℃，远高于沥青路面软化温度，而其最高温度为52.5℃，距离沥青路面液化温度有较大差距，可见在极端炎热天气条件下，沥青路面的实际状态会24h不间断处于软化状态[13]。此时沥青路面的塑性增加，强度降低，此时如果车流量较大或有超重车辆经过，会使沥青路面出现挤压变形，局部变薄会影响沥青路面的寿命[14]。

材料学基本原理中，沥青材料属于半流体材料，其并不存在显著且稳定的融点，当沥青温度超过26.7℃时，沥青开始显著软化，而当沥青温度低于5℃时，沥青的弹性显著下降，强度也随之下降，在路政工程中将这一现象称作沥青的变脆[15]。

受到篇幅限制，此处不着重分析冬季气象环境对沥青路面结构温度的整体影响，而是选择2019年2月11日气温数据，该日出现该市的气温最低值。分析沥青路面的实际结构温度变化。根据气象记录，该日最高气温2℃，最低气温-9℃，平均气温-2℃。将该原始数据代入仿真平台中，观察路面的实际结构温度变化，结果如图6所示。

图6 冬季日夜温差原始数据及沥青结构温度仿真结果数据可视化图Fig. 6 Visualization of original data of temperature difference between day and night in winter and simulation results of asphalt structure temperature

图6中，与夏季沥青结构温度与气温之间10～18 ℃的温差相比，冬季沥青结构温度与气温之间的温差在2～7 ℃之间。综合分析图5、图6结果，发现该地区沥青结构温度，位于-6.0～52.5 ℃之间，所以后续研究在该温度区间内展开。

综上分析，可以得到以下两点规律：

（1）冬季光照强度减弱，地温体系对外辐射强度虽有降低但地温受到光照补给显著降低，此时地温普遍低于0℃，远小于保持沥青路面结构强度的温度。但此时沥青路面仍需要保持散热过程，导致其升温难度较大，虽然刚度没有显著下降，但强度持续下降。

（2）传统研究认为沥青路面受损过程集中在夏季高温阶段，因为夏季高温阶段的沥青路面刚度较低，受车辙影响后的形变较为严重。但夏季高温阶段沥青路面受到的结构损伤仅限于高温半流体状态下的形变损伤，而冬季因为沥青路面强度降低造成的破碎裂隙损伤才是导致沥青路面永久损伤的主要原因。夏季因为车辙碾压导致局部变形变薄的沥青路面结构，因为局部变薄加剧该部分结构在冬季强度降低过程中的损毁程度，所以，冬季沥青路面更容易在夏季变薄部分发生裂隙，并沿裂隙向四周扩展。

4 沥青路面结构温度演变仿真模拟结果

随着沥青结构温度增加，其抗压强度保持稳定增加趋势，在-10～15 ℃内，其抗压强度增加趋势较为显著，超过15℃后，该增加趋势相对放缓，且在其超过15℃后，其抗压强度始终稳定在50MPa以上。而其弹性抗压强度在15℃附近达到峰值后，随着温度增加其弹性抗压强度快速降低，至48℃后，其弹性抗压强度小于-6℃时的表现。其他90%弹性抗压强度与50%弹性抗压强度，也随着温度增加而降低。综合分析该结构力学表达结果，可以得到以下分析结果：

（1）低温条件下，沥青路面的破坏形式主要为路面的压裂损伤。高温条件下，沥青路面的破坏形式主要为路面的塑性形变损伤。该地区路面的理论最小抗压强度约为10MPa，所以，虽然该沥青路面的最大抗压强度超过50MPa，也应在特殊气象条件下对路面承载能力进行加强管理。

（2）根据工程经验，发生沥青路面结构形变而变薄的沥青路面，其抗压强度也会有所降低，所以，在秋冬交替过程中，应对路面形变较大位置进行充分修补，防止因为夏秋季路面高温软化变形降低路面结构抗压强度。

（3）气象因子对沥青路面结构温度的影响关系，其直接影响因子为大地温度即沥青路面基础温度，光照因子作用于地温因子，从而对沥青路面结构温度带来间接影响，气温因子的主要影响因子为地温，次要因子为光照，即沥青路面结构温度与大气温度的形成机制基本相同，但沥青路面结构温度属于表层地温的组成部分，地温对沥青路面结构温度的影响较其对气温的影响更为直接。上述相关因子逻辑关系如图7所示。

图7 相关因子逻辑关系图Fig. 7 Logic relation diagram of correlation factors

图7中，因为光照强度、地温、气温、沥青路面结构温度之间严格逻辑相关，所以造成其相关数据存在显著统计学相关性，但其逻辑关系中，沥青路面结构温度影响气温而非气温影响沥青路面结构温度，光照强度通过地温影响沥青路面结构温度而非直接影响沥青路面结构温度，所以光照强度与气温对沥青路面结构温度无直接逻辑影响。

所以，针对沥青路面结构温度模型下的养护措施，形成以下三点建议：

（1）夏季高温过程中，应加强对沥青路面结构变形的监控，但除非发生严重变形，此时对沥青路面的养护修复效率较低。所以，对夏季沥青路面结构变形的养护过程应在夏秋之交，当沥青路面结构温度均值略低于沥青路面软化温度时，对沥青路面的大变形区域进行一次集中养护。养护过程可以采用喷淋微波热补方式，使用轧路机对路面结构变形损伤进行充分养护。如果此时路面没有受到充分养护，则路面在冬季沥青路面结构温度更低，沥青路面结构强度下降时，会造成较严重的路面损伤。

（2）冬季低温过程中，应加强对沥青路面结构裂隙的监控，如发生路面较小面积开裂，可采用喷淋微波热补法对较小面积开裂部分进行早期养护，防止路面开裂过程发生不可逆扩张。如发生路面较大面积开裂，则需要采用冷补法，将严重开裂的路面挖除并使用新拌和改性沥青填充损伤部分。沥青路面结构发生突发大面积开裂，多由其他原因引发，如硬化基础失稳、夯土基础流失等。此时应采用物探、钻探措施检查沥青路面基础，发现问题后及时同步解决。

（3）沥青路面结构温度直接决定了沥青路面的刚度和强度，夏季高温阶段沥青路面结构刚度下降，但强度下降幅度不显著，冬季低温阶段沥青路面结构强度下降，但刚度下降幅度不显著。在实际沥青路面养护过程中，应充分考察沥青路面结构力学特征受到沥青路面结构温度的影响，及时制定针对性的养护措施。同时，应加大沥青改性配方研究，针对不同地区的气象条件，开发适应性强的沥青改性配方，以减轻后续养护工作量，节约后期养护成本。

5 总结

通过上述仿真分析，气温对沥青路面结构温度并无直接影响，气温产生机理与沥青路面结构温度产生机理基本一致，所以造成气温与沥青路面结构温度之间的统计学关联。而光照因子通过影响地温与沥青路面结构温度之间产生传导关系，进而产生了统计学关联。大部分沥青路面永久损伤是在夏季高气温软化阶段被重压变形后，在冬季发生沥青路面的脆性裂隙或者叫大面积损伤。所以应在路政管理中加强高温天气和低温天气的通车能力管理，在秋冬季之交对夏秋季发生塑性变形的路面及时修复，防止冬季出现沥青路面的永久性损伤。也应引入新技术加强沥青路面在不同结构温度条件下的结构强度，如开发新型改性沥青及优化路基结构等。