陶瓷熱阻式瀝青路面溫度場(chǎng)仿真研究

丁 京 丁建明 羅 桑

（東南大學(xué)交通學(xué)院 南京210096）

0 引 言

我國(guó)道路建設(shè)快速發(fā)展的同時(shí)，許多道路的路面在使用早期便出現(xiàn)了破壞，如坑槽、松散、裂縫、車轍等。不同的早期病害對(duì)瀝青路面使用效果的影響不同［1］，其中車轍是瀝青路面十分常見(jiàn)并且較為嚴(yán)重的病害，它是瀝青路面特有的損壞現(xiàn)象［2］。目前在解決瀝青路面車轍問(wèn)題時(shí)，主要是提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，即通過(guò)提高瀝青的高溫性能、或采用骨架型集料級(jí)配來(lái)提高瀝青混合料的抗車轍性能［3］。但是這些措施很難達(dá)到治本的效果，且增加工程成本。

陶瓷與陶粒作為一種顏色淺，導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，將陶瓷或陶粒應(yīng)用于道路材料近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。研究表明［4］，在瀝青混合料中摻加陶粒能提高路面材料的熱阻性能，降低溫度在路面的累積；將陶瓷與陶粒等體積替代瀝青混合料中4.75mm和9.5mm粒徑的普通石料，發(fā)現(xiàn)20%～50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的陶瓷與陶粒摻量比較合適，能同時(shí)保證材料的水穩(wěn)定性、極限應(yīng)變和動(dòng)穩(wěn)定度。

陶瓷集料對(duì)路面材料的應(yīng)用性研究近年剛剛展開。筆者選取SMA－13改性瀝青混凝土材料，按照等體積取代法，采用10%，20%，30%，40%，5 0%這5種摻量取代瀝青混合料中粒徑小于2.36mm的細(xì)集料，根據(jù)陶瓷粉末的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素規(guī)律，計(jì)算出不同陶瓷集料摻量的瀝青混合料的熱物性參數(shù)。并根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，建立路面溫度場(chǎng)模型，計(jì)算了不同陶瓷集料摻量的瀝青路面在炎熱夏季1d內(nèi)的溫度變化，以及施工攤鋪階段的溫度場(chǎng)變化情況，并分析了陶瓷粉末摻量對(duì)有效壓實(shí)時(shí)間的影響，建立車轍分析模型模擬陶瓷熱阻式瀝青路面隔熱層對(duì)永久變形的影響。

1 基本原理

瀝青路面光熱環(huán)境受氣象環(huán)境要素影響很大，這些要素主要包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、大氣逆輻射、散射輻射、降雨量、大氣溫度和濕度、風(fēng)速等。無(wú)論是在路面的內(nèi)部還是外部，能量之間仍是以傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等3種方式互相傳遞［5］。

在瀝青路面溫度場(chǎng)建模過(guò)程中，主要考慮瀝青路面與大氣的熱交換，以及瀝青路面與路基的熱交換。與大氣的熱交換考慮太陽(yáng)輻射、氣溫及對(duì)流熱交換、路面有效輻射的影響；與路基的熱交換則考慮熱傳導(dǎo)的影響［6］。

2 陶瓷瀝青混凝土熱物性參數(shù)

根據(jù)陸琳等［7］利用熱探針?lè)y(cè)量得到陶瓷粉末的導(dǎo)熱系數(shù)，可以得到絕對(duì)干燥和絕對(duì)濕潤(rùn)狀態(tài)下的微粒介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，見(jiàn)式（1）、式（2）。

式中：λa為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；λs為微粒介質(zhì)中固相的導(dǎo)熱系數(shù)；λw為水的密度；f為經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)因子；ε為孔隙率。

迭代得到經(jīng)驗(yàn)因子f為1.2，利用不同陶瓷粉末摻量的孔隙率不同，可以得到不同的熱物性參數(shù)，見(jiàn)表1。

3 路面溫度場(chǎng)模型

3.1 運(yùn)營(yíng)階段

瀝青路面溫度場(chǎng)在氣溫變化及太陽(yáng)輻射條件下，路面各結(jié)構(gòu)層溫度在1d內(nèi)起伏變化［8］。采用的單元類型為二次8節(jié)點(diǎn)四邊形熱傳導(dǎo)單元（DC2D8）［9］，路面溫度場(chǎng)有限元模型見(jiàn)圖1。

日最高氣溫為35.6℃，最低氣溫為22.8℃，日平均氣溫為29.2℃，日太陽(yáng)輻射總量為23.8－2MJ／m，日有效日照時(shí)間為10.9h，日平均風(fēng)速為2.5m／s。

3.2 施工階段

路面模型結(jié)構(gòu)與3.1節(jié)相同，模擬了不同陶瓷摻量的瀝青表層高溫?cái)備伜?，路面不同深度處的溫度變化?guī)律［10］。該模型設(shè)置瀝青鋪裝層4cm的攤鋪溫度為140℃，路面結(jié)構(gòu)中下面層初始溫度沿豎向差異不大，設(shè)為25℃，符合工程實(shí)際要求。采取風(fēng)速為3m／s，路面對(duì)流傳熱系數(shù)20.5 W／（m2獉K），路面發(fā)射率為0.81。

表1 混合料熱物性參數(shù)研究結(jié)果Tab.1 Research results of mixture thermophysical parameter

圖1 路面溫度場(chǎng)有限元模型Fig.1 Finite element model of pavement temperature field

4 結(jié)果分析

4.1 運(yùn)營(yíng)階段路面溫度場(chǎng)變化規(guī)律

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析不同陶瓷摻量的瀝青混合料作用下，路面各結(jié)構(gòu)層溫度的日溫差變化規(guī)律，如圖2所示。結(jié)論如下。

1）隨著陶瓷集料摻量的增加，路表的最高溫度有所增加，但是增量不明顯。

圖2 不同陶瓷集料摻量下的瀝青混凝土對(duì)路面結(jié)構(gòu)的溫度影響圖Fig.2 Temperature at different depth of pavement at different ceramic percentage in operation stage

2）不同陶瓷摻量下的曲線基本重合，路表出現(xiàn)最高溫的時(shí)間也基本保持不變。

3）道路層中最高溫度隨陶瓷摻量的增加逐漸減小，并且其最高溫出現(xiàn)時(shí)刻也逐漸地延遲。

4）陶瓷瀝青混凝土應(yīng)用于路面表面層后，主要降低了路面中下面層的溫度。

上述現(xiàn)象主要是由于陶瓷集料改變了面層材料的導(dǎo)熱系數(shù)。熱量在面層累積較多，使得路表溫度增加；而往下傳遞的熱量變少后，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度降低，最高溫出現(xiàn)的時(shí)刻也就延遲。從數(shù)值上看，50%的陶瓷摻量下，4cm深度處的最高溫度降低了4.42℃，10cm深度處的最高溫度降低了3.0℃，而18cm深度處的最高溫度降低了約1.67℃，說(shuō)明陶瓷瀝青混凝土用于路面表面層時(shí)起到一定的隔熱效果。

4.2 施工階段路面溫度場(chǎng)變化規(guī)律

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析不同陶瓷摻量瀝青混合料表層施工階段，道路斷面不同結(jié)構(gòu)層的溫度變化，如圖3所示。結(jié)論如下：

圖3 不同陶瓷摻量下不同深度處溫度變化規(guī)律Fig.3 Temperature at different depth of pavement at different ceramic percentage in constraction stage

1）不同陶瓷摻量下，鋪層表面和層中溫度均先較快下降，而后下降率趨于平緩；下層層中和底面溫度均先上升，而后趨于平緩。

2）與普通瀝青混合料相比，鋪層層中降溫曲線在初始階段有向上的反彎。隨著陶瓷摻量的增加，這個(gè)反彎越來(lái)越明顯，即鋪層層中在初始階段的降溫差異逐漸增大。

3）鋪層表面和鋪層層中溫度隨陶瓷摻量的增加下降程度逐漸減緩。

4）下層層中與下層層底的溫度變化幾乎不受陶瓷摻量的影響。

造成上述現(xiàn)象的原因主要是瀝青混合料中陶瓷摻量的增加，導(dǎo)致攤鋪層導(dǎo)熱系數(shù)減小，攤鋪層內(nèi)熱傳導(dǎo)能力下降，從而在同一時(shí)間段，鋪層表面和鋪層層中的溫度相對(duì)增加；而下層的瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)不變，且下層主要是依靠鋪層瀝青的溫度向下熱傳導(dǎo)得到，故下層路面結(jié)構(gòu)溫度在不同陶瓷摻量表層攤鋪?zhàn)饔孟伦兓淮蟆?/p>

4.3 有效壓實(shí)時(shí)間

試驗(yàn)表明，當(dāng)瀝青混合料的溫度低于85～90℃時(shí)，碾壓實(shí)際上已不再明顯增加瀝青混凝土的密實(shí)度［11］。本研究采用SMA－13的改性瀝青混合料，故確定以鋪層層中瀝青混合料溫度下降至85℃時(shí)為有效壓實(shí)時(shí)間。

根據(jù)圖3曲線得到不同陶瓷摻量下瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間，見(jiàn)表2。

表2 不同陶瓷摻量下瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間Tab.2 Effective compaction time of asphalt pavement in different ceramic percentage

結(jié)果表明，陶瓷摻量的增加能夠較為顯著的提高瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間。陶瓷摻量越多，瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，呈正相關(guān)關(guān)系。

4.4 車轍深度

在瀝青路面溫度場(chǎng)的分析基礎(chǔ)上建立連續(xù)變溫的車轍分析模型［12－13］，以數(shù)值分析的方法分析應(yīng)用陶瓷瀝青混凝土隔熱層的瀝青路面在溫度和荷載耦合作用下的永久變形情況。瀝青混合料的本構(gòu)模型采用時(shí)間硬化的蠕變模型進(jìn)行車轍計(jì)算。在50萬(wàn)次標(biāo)準(zhǔn)軸次作用下，50%陶瓷摻量的瀝青混凝土路面與普通瀝青混凝土路面的車轍模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 路面車轍變形云圖Fig.4 Nephogram of pavement rutting

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未采用陶瓷瀝青混凝土隔熱層的路面結(jié)構(gòu)，其永久變形量達(dá)到了2.54cm。而采用陶瓷瀝青混凝土隔熱層的路面結(jié)構(gòu)，其永久變形量只有1.12cm，比無(wú)隔熱層路面減少了56%。這是由于陶瓷瀝青混凝土隔熱層的存在，阻止了熱量大量往下傳遞，路面結(jié)構(gòu)的溫度相對(duì)較低，使得路面在荷載作用下產(chǎn)生的車轍大幅減小。

5 結(jié) 論

1）陶瓷粉末瀝青混凝土，能夠降低材料導(dǎo)熱系數(shù)。50%的陶瓷摻量下，4cm深度處的最高溫度降低了4.42℃，10cm深度處的最高溫度降低了3.0℃，而18cm深度處的最高溫度降低了約1.67℃，說(shuō)明陶瓷瀝青混凝土用于路面表面層時(shí)起到一定的隔熱效果。

2）陶瓷摻量的增加，能有效地防止攤鋪壓實(shí)過(guò)程中鋪層溫度的散發(fā)，但是對(duì)鋪層下結(jié)構(gòu)深度的溫度影響不大。無(wú)陶瓷集料的瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間約為20min，而50%陶瓷的瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間則為44min。陶瓷瀝青混凝土能夠提高攤鋪壓實(shí)過(guò)程中的有效壓實(shí)時(shí)間。

3）車轍模型結(jié)果表明，未使用隔熱層的路面結(jié)構(gòu)永久變形量為2.54cm，而采用陶瓷瀝青混凝土隔熱層的永久變形量為1.12cm，減少了56%，能有效減少了車轍的形成。

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