廣西地區(qū)瀝青路面溫度場特征及其影響研究

張洪剛，馮永平，黃　慧，胡　省

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西　南寧　530007；3.廣西壯族自治區(qū)沿海公路管理局，廣西　欽州　535000；4.廣西公路技工學(xué)校，廣西　南寧　530023)

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廣西地區(qū)瀝青路面溫度場特征及其影響研究

張洪剛1，2，馮永平3，黃慧4，胡省1，2

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西南寧530007；3.廣西壯族自治區(qū)沿海公路管理局，廣西欽州535000；4.廣西公路技工學(xué)校，廣西南寧530023)

文章通過大數(shù)據(jù)調(diào)查分析，量化研究了廣西地區(qū)高溫多雨的氣候特征指標與參數(shù)，并采用數(shù)值軟件模擬計算分析了廣西地區(qū)瀝青路面三種典型結(jié)構(gòu)的溫度場分布特征及其對路面使用性能的影響，可為廣西地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇及組成設(shè)計提供參考。

高溫參數(shù)；大數(shù)據(jù)；瀝青路面；溫度場；抗車轍

0　引言

影響公路路面使用性能的因素眾多，其中氣候條件是重要的影響因素之一。已有研究表明，溫度和降水是引起瀝青路面早期病害的主要氣候因素，尤其是在華南濕熱地區(qū)，高溫濕熱特征對瀝青路面的使用性能影響顯著。一般在瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計中，廣西地區(qū)瀝青路面設(shè)計中氣候因素影響一般參照瀝青路面設(shè)計規(guī)范中“1-4區(qū)”的“夏炎熱冬溫和多雨”的特征進行考慮，尚不能充分凸顯廣西地區(qū)典型氣候特征對瀝青路面使用性能的影響。因此，本文采用大數(shù)據(jù)調(diào)查分析研究，量化了廣西地區(qū)高溫多雨的氣候特征指標與參數(shù)，采用數(shù)值軟件模擬計算了廣西地區(qū)瀝青路面三種典型結(jié)構(gòu)的溫度場分布特征，并分析了三種不同路面結(jié)構(gòu)的溫度場分布特征及其對廣西地區(qū)瀝青路面使用性能的影響。本文可為廣西地區(qū)建設(shè)、設(shè)計、施工等相關(guān)部門提供技術(shù)參考，對進一步優(yōu)化廣西地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計提供參考，提高廣西地區(qū)瀝青路面耐地方氣候典型特征影響的適用性。

1　廣西地區(qū)高溫多雨特征

夏季炎熱高溫多雨是廣西地區(qū)典型氣候特征，同時也是影響瀝青路面使用性能最主要因素之一。已有研究表明，影響瀝青路面使用性能的溫度特征指標為最熱月7月的日平均高溫、日氣溫極值、連續(xù)7 d最高溫平均值、持續(xù)時間。本文以南寧地區(qū)2011-2014年夏季氣候特征大數(shù)據(jù)調(diào)查為例，研究了廣西地區(qū)夏季炎熱高溫特征主要指標，如表1所示。

表1　南寧地區(qū)夏季7月高溫特征指標表

由表1可知，廣西地區(qū)最熱月7月的日均高溫達到33 ℃左右，連續(xù)7 d最高溫達到34 ℃左右，7月基本整整一個月日均高溫都>30 ℃，因此高溫突出且持續(xù)時間長是廣西地區(qū)影響瀝青路面使用性能的最突出溫度特征。為進一步研究廣西地區(qū)這兩項典型高溫特征與周邊外省市的差異，本文對比研究了廣西代表地區(qū)與國內(nèi)夏季高溫代表地區(qū)的夏季月均高溫，如表2所示。

由表2可知，廣西地區(qū)全年內(nèi)月均高溫≥30 ℃的總月數(shù)達到6～7個月，約是國內(nèi)其他夏季炎熱高溫地區(qū)月均高溫≥30 ℃的總月數(shù)的2倍，因此，廣西地區(qū)夏季高溫且持續(xù)時間遠遠超過國內(nèi)其他夏季高溫地區(qū)，一年內(nèi)相當(dāng)于其他省市經(jīng)歷了將近2個夏季時間。同時調(diào)查研究表明，廣西大部分地區(qū)年降水量達到2 000 mm左右，甚至沿海多雨地區(qū)接近3 000 mm，并且全年70%以上的降水量集中在5～8月，剛好與夏季最高溫時間段重疊，“雨熱同期”對廣西地區(qū)瀝青路面服役性能非常不利，高溫多雨且雨熱同期是造成廣西地區(qū)瀝青路面車轍等早期病害頻發(fā)的重要原因。

表2　2014年廣西區(qū)內(nèi)外夏季月均高溫對比結(jié)果表

2　溫度場計算參數(shù)

為研究廣西地區(qū)高溫特征下瀝青路面的溫度場特征，本文中利用ABAQUS軟件對廣西地區(qū)常用路面結(jié)構(gòu)類型的瀝青路面溫度場進行了數(shù)值模擬計算。本文計算中采用的各結(jié)構(gòu)層材料的熱特性參數(shù)如表3所示。參考廣西地區(qū)極端高溫狀況下的氣象參數(shù)，本文計算中采用的最不利季節(jié)的氣象指標如表4所示，主要包括日最高氣溫、日最低氣溫、日太陽輻射總量以及路面日平均風(fēng)速。

表3　路面結(jié)構(gòu)層材料的熱特性參數(shù)表

表4　廣西地區(qū)瀝青路面溫度場計算氣象參數(shù)取值表

本文主要針對廣西地區(qū)常用典型路面結(jié)構(gòu)形式，即對半剛性路面和復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)進行溫度場計算研究，并對普通公路較薄的瀝青面層與高速公路較厚的瀝青面層的溫度場進行了對比研究，本文溫度場計算采用的路面結(jié)構(gòu)如表5所示。

表5　溫度場計算采用的路面結(jié)構(gòu)類型及其組合、厚度表

3　結(jié)果分析

溫度場中的高溫值、持續(xù)時間、高溫分布位置是瀝青路面抗車轍的主要指標。因此本文通過數(shù)值計算獲取了三種典型結(jié)構(gòu)的上述溫度場特征指標，溫度場計算結(jié)果如圖1～3所示。

圖1　結(jié)構(gòu)A的瀝青路面溫度場分布規(guī)律曲線圖

圖2　結(jié)構(gòu)B的瀝青路面溫度場分布規(guī)律曲線圖

圖3　結(jié)構(gòu)C的瀝青路面溫度場分布規(guī)律曲線圖

由圖1～3計算結(jié)果可知：

(1)三種結(jié)構(gòu)的路表及路表下2 cm處的溫度場基本相同。這是因為路表直接受氣溫、太陽輻射、風(fēng)速等作用，瀝青層路表的溫度主要受氣象條件的影響，即三種結(jié)構(gòu)的路表溫度場不受結(jié)構(gòu)類型的影響。計算結(jié)果還表明，廣西地區(qū)瀝青路面中午最熱時間段路表溫度可達65 ℃，與路表實測溫度基本一致。

(2)溫度場特征指標分布規(guī)律：結(jié)構(gòu)A(路網(wǎng)公路)瀝青層深度為2 cm、4 cm的日最高溫度分別為63.0 ℃、57.2 ℃。即結(jié)構(gòu)A整個瀝青層自中午12：00～下午17：00約6 h均處于>55 ℃的工作環(huán)境中；結(jié)構(gòu)B(高速公路)瀝青層深度為2 cm、4 cm、10 cm、16 cm的日最高溫度分別為63.0 ℃、58.3 ℃、52.0 ℃、45.8 ℃，即結(jié)構(gòu)二中4 cm上面層自中午12：00～下午17：00約5 h均處于>55 ℃的工作環(huán)境中，6 cm中面層自下午14：00～下午18：00約4 h均處于>50 ℃的工作環(huán)境中，8 cm下面層自下午15：00～晚上20：00約5 h均處于>45 ℃的工作環(huán)境中；結(jié)構(gòu)C復(fù)合式路面瀝青層深度為2 cm、4 cm的日最高溫度分別為62.5 ℃、57.5 ℃，整個5 cm厚的瀝青層中午12：00～下午17：00均處于>55 ℃的工作環(huán)境中。

(3)由圖1～3計算獲取的瀝青層內(nèi)的溫度場分布可知，由于結(jié)構(gòu)A(路網(wǎng)公路)和結(jié)構(gòu)C(復(fù)合式路面)的瀝青層厚度較薄(5～7 cm)，這兩種結(jié)構(gòu)在一天當(dāng)中整個瀝青層厚度范圍內(nèi)溫度>55 ℃的持續(xù)時間長達5 h以上；結(jié)構(gòu)B(高速公路)瀝青層厚度相對較厚(18 cm)，該結(jié)構(gòu)在一天當(dāng)中表面層承受>55 ℃溫度場、中面層承受>50 ℃溫度場、下面層承受>45 ℃溫度場的持續(xù)時間均達到4～5 h。由此可見廣西地區(qū)瀝青路面溫度場高溫明顯且作用時間長，尤其是在中午至傍晚時間段瀝青面層溫度場均超過了普通瀝青的軟化點溫度或接近SBS改性瀝青軟化點，即瀝青層材料長期處于瀝青軟化流動臨界溫度范圍內(nèi)，對瀝青混合料抗車轍及其耐久性不利。

(4)溫度場對瀝青混合料材料組成的影響。本文計算的三種路面結(jié)構(gòu)的瀝青面層溫度>55 ℃的影響深度約為5 cm，每日持續(xù)影響時間長達5.0 h左右，恰好為瀝青路面結(jié)構(gòu)的表面層，這也是目前高速公路上面層均采用改性瀝青的主要原因之一。然而在普通公路中受建設(shè)資金影響，瀝青面層材料多采用70#普通瀝青，瀝青面層混合料需要長時間在>55 ℃環(huán)境中服役，這對普通公路瀝青混合料抗車轍性能提出了更高要求。由溫度場分布特征可知，廣西地區(qū)瀝青面層長時間處于高溫環(huán)境中，瀝青面層抗車轍性能對材料及其級配組成的嵌擠支撐密實性要求較高。因此，基于廣西地區(qū)瀝青路面溫度場特征，瀝青面層材料及其級配組成應(yīng)以控制瀝青混合料的塑性變形、流動變形為原則，應(yīng)以形成骨架嵌擠、支撐、均勻密實型為目標。

(5)另外，對于薄層復(fù)合式瀝青路面而言，瀝青面層溫度>55 ℃的影響深度5 cm恰好處于瀝青層和水泥混凝土板的層間結(jié)合處，在廣西地區(qū)由于高溫原因在層間位置>50 ℃長達8 h，層間溫度高，持續(xù)時間長，再加上瀝青層薄容易產(chǎn)生推移擁包等病害，另外層間處理材料通常為富瀝青類等材料，高溫狀況下其粘結(jié)力下降明顯，導(dǎo)致層間抗剪切強度降低，因此，層間粘結(jié)失效也是復(fù)合式路面常見病害之一，對于薄層復(fù)合式路面，界面處理、層間材料選擇與施工控制是保證薄層瀝青混合料穩(wěn)定的重要條件。

4　結(jié)語

本文通過大數(shù)據(jù)分析研究獲取了影響廣西地區(qū)瀝青路面使用性能的典型氣候特征與參數(shù)，并計算了廣西地區(qū)常用典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度場，得到如下結(jié)論與建議：

(1)高溫突出且持續(xù)時間長、雨熱同期是影響廣西地區(qū)瀝青路面使用性能的最突出特征，且與周邊省市地區(qū)具有明顯的差異，因此，在廣西地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計與選擇中應(yīng)給予重點考慮，提高廣西地區(qū)瀝青路面耐地方典型氣候特征的適用性。

(2)在我國，廣西地區(qū)夏季高溫時間約是其他大部分省市的2倍，廣西地區(qū)全年月均高溫≥30 ℃的總月數(shù)達到6～7個月，瀝青路面抗車轍尤其是持續(xù)高溫狀態(tài)下的車轍疲勞問題都值得進一步研究。

(3)對比研究了廣西地區(qū)路網(wǎng)公路、高速公路最常用的瀝青路面三種典型結(jié)構(gòu)的溫度場分布特征參數(shù)及其差異影響。廣西地區(qū)瀝青路面溫度場高溫明顯且作用時間長，尤其是在中午至傍晚時間段瀝青面層溫度場均超過了普通瀝青或接近SBS改性瀝青軟化流動溫度，即瀝青層材料長期處于瀝青軟化流動臨界溫度范圍內(nèi)，在交通荷載尤其是重載作用下對瀝青混合料抗車轍及其耐久性不利。

(4)基于廣西地區(qū)瀝青路面溫度場特征，廣西地區(qū)瀝青面層材料及其級配組成應(yīng)以控制瀝青混合料的塑性變形、流動變形為原則，以形成骨架嵌擠、支撐、均勻密實型為目標，除高速公路以外，路網(wǎng)公路中的重載交通明顯的國省干道在建設(shè)成本允許情況下，可考慮采用較厚的瀝青層或采用改性瀝青作為膠結(jié)料，以提高瀝青面層的抗車轍及其耐久性能。

[1]張洪剛.水—溫凍融條件下瀝青路面病害特征及發(fā)展機理[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2010.

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[4]孫立軍，等.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2003.

[5]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京：人民交通出版社，2001.

Study on Asphalt Pavement Temperature Field Features and Its Influence in Guangxi Region

ZHANG Hong-gang1，2，F(xiàn)ENG Yong-ping3，HUANG Hui4，HU Sheng1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007；3.Guangxi Coastal Highway Administration，Qinzhou，Guangxi，535000；4.Guangxi Highway Technical School，Nanning，Guangxi，530023)

Through investigation analysis on large data，this article conducted the quantitative research on the characteristics index and parameters of hot and rainy climate in Guangxi region，and by using the numerical software simulation calculation，it analyzed the temperature field distribution characteristics of three typical asphalt pavement structures in Guangxi region as well as its impact on pavement performance，which can provide the reference for the structure design，material selection and composition de-sign of asphalt pavement in Guangxi region.

High-temperature parameters；Large data；Asphalt pavement；Temperature field；Anti-rutting

2016-05-02

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.002

1673-4874(2016)06-0005-04

張洪剛(1983—)，工程師，博士研究生，研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料組成及其性能；

馮永平(1967—)，高級工程師，從事公路建設(shè)、養(yǎng)護、管理工作；

黃慧(1984—)，碩士，工程師，從事公路結(jié)構(gòu)與材料性能研究、公路建設(shè)、養(yǎng)護等工作;

胡省(1988—)，碩士，助理工程師，從事路面結(jié)構(gòu)與材料等研究與應(yīng)用工作。

廣西交通科技項目“廣西路網(wǎng)公路路面結(jié)構(gòu)適用性研究”