SMA-13瀝青路面溫度場(chǎng)的分析與研究

宋樂，許彪，張鋒

（1.四川廣巴高速公路有限公司，四川廣元628000；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西西安710064）

SMA-13瀝青路面溫度場(chǎng)的分析與研究

宋樂1，許彪2，張鋒2

（1.四川廣巴高速公路有限公司，四川廣元628000；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西西安710064）

通過對(duì)京港澳高速公路石安段上面層SMA-13試驗(yàn)段進(jìn)行瀝青路面攤鋪溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布情況研究，采用了實(shí)際測(cè)量與仿真分析相結(jié)合的研究方法，研究瀝青路面溫度場(chǎng)分布規(guī)律，為提供瀝青路面的有效壓實(shí)時(shí)間提供可靠的依據(jù)。

溫度場(chǎng)；仿真；壓實(shí)時(shí)間

目前，我國(guó)高速公路里程已突破11萬公里，而且國(guó)家還在不斷地加大對(duì)高速公路的投資，未來將有更多高速公路需要建設(shè)[1]。在高速公路的實(shí)際施工過程中，壓路機(jī)初壓溫度過高會(huì)出現(xiàn)擁包等病害，壓路機(jī)終壓溫度低還會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生較大的病害[2]，易出現(xiàn)難以消除的輪跡線，如導(dǎo)致路面不平整，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。本文主要結(jié)合京港澳高速公路石安段上面層SMA-13進(jìn)行溫度場(chǎng)的研究，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和利用Abaqus軟件進(jìn)行仿真模擬，研究大氣溫度、攤鋪溫度、風(fēng)速對(duì)SMA-13溫度場(chǎng)分布的影響[3]。通過了解SMA-13溫度場(chǎng)的分布變化規(guī)律，合理地布置壓路機(jī)的施工工藝，用以提高壓路機(jī)作業(yè)效率和路面的施工質(zhì)量。

1 實(shí)測(cè)瀝青路面溫度場(chǎng)的方案設(shè)計(jì)

本研究主要針對(duì)京港澳高速公路石安段XJ6標(biāo)（樁號(hào)K301+100-k301+900）上面層SMA-13試驗(yàn)段進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)當(dāng)日氣溫20℃，攤鋪初始溫度170℃，風(fēng)速1.5 m/s，機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，其試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型

1.1 溫度傳感器的選擇和布置

對(duì)上面層SMA-13路面溫度場(chǎng)的研究，在節(jié)約成本的情況下，不破壞路面而影響正常施工，上面層頂部采用紅外溫度計(jì)，上面層中部（距頂部2 cm處）采用溫度傳感器為探針式溫度計(jì)，上面層底部（距頂部4 cm處）同樣采用探針式溫度計(jì)，通過探針感應(yīng)溫度的變化，及時(shí)記錄溫度數(shù)值，并在試驗(yàn)路段范圍內(nèi)每隔20 m記錄一次讀數(shù)。如圖2所示為壓力溫度計(jì)的布置方式。

圖2 所示為探針溫度計(jì)的布置

1.2 攤鋪溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集及分析

大量的研究數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)表明，SMA-13瀝青路面碾壓溫度在90~155℃比較合理，因此，只有掌握瀝青路面的溫度分布，才能合理安排壓實(shí)時(shí)間。本次試驗(yàn)每3 min采集一次數(shù)據(jù)，當(dāng)表面溫度低于90℃時(shí)，停止數(shù)據(jù)的采集，之后的數(shù)據(jù)對(duì)研究無效，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，采用多人、多點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與記錄，整理結(jié)果如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖中曲線表明瀝青路面溫度場(chǎng)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，通過觀察比較，得出：（1）在前6 min內(nèi)，上面層底部溫度下降最快，上面層頂部溫度次之，上面層中部處溫度下降最慢，主要因?yàn)樯厦鎸拥撞繙囟容^低，溫度高的瀝青混合料接觸到溫度低的中面層，通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到中面層及以下結(jié)構(gòu)，上面層頂部溫度由于空氣對(duì)流和輻射的影響，同時(shí)也受到壓路機(jī)碾壓時(shí)噴灑水分的影響，溫度下降速度也較快，而上面層中部由于周圍均是高溫瀝青混合料，所以其溫度下降較為緩慢；（2）在約10 min后，上面層各層次的溫度下降速度均降低，主要是由于上面層頂部在放熱過程中，空氣被加熱，形成一個(gè)熱的空氣保護(hù)層，減緩了熱對(duì)流的速度，上面層底部由于源源不斷地向溫度逐漸升高中面層傳遞熱量，故其溫度下降速度也在降低，上面層中部則在緩慢地朝向溫度低方向傳熱；（3）在經(jīng)過壓路機(jī)碾壓以及傳熱過程，上面層瀝青混合料周圍的溫度場(chǎng)逐漸趨于平衡。在40 min左右，上面層底部的溫度超過上面層頂部的溫度，主要由于上面層頂部在不斷地和空氣產(chǎn)生熱對(duì)流，其對(duì)流速度高于底部熱傳導(dǎo)速度，直至終壓結(jié)束后，瀝青路面溫度場(chǎng)逐漸冷卻到與大氣相平衡的溫度。

2 仿真分析瀝青路面溫度場(chǎng)

根據(jù)圖1，利用Abaqus有限元分析軟件[4]建立與實(shí)際施工相符合的有限元模型，施加與實(shí)際施工過程中相同的邊界條件，仿真出瀝青路面溫度場(chǎng)的變化。

2.1 有限元模型的建立

把路面結(jié)構(gòu)看成多層彈性層狀體系[5]，假定路面結(jié)構(gòu)各層是均勻連續(xù)狀態(tài)，各層之間緊密接觸，同時(shí)忽略道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱阻和熱源的存在，分析的設(shè)定時(shí)間與實(shí)測(cè)相同，邊界條件的施加同實(shí)測(cè)時(shí)的外界條件相同，并通過改變一定邊界條件仿真出溫度場(chǎng)的變化，模型如圖4所示。

圖4 有限元模型網(wǎng)格的劃分

2.2 有限元模型的分析

通過對(duì)上述條件下有限元模型的分析，得出上面層頂部，上面中部，上面層底部的溫度下降曲線如圖5以及39 min時(shí)的溫度云圖如圖6所示。

圖5 溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖6 瀝青路面39min時(shí)的溫度云圖

通過觀察比較三點(diǎn)的溫度變化以及與實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)的變化比較，可得出如下結(jié)論：（1）有限元分析路面溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)時(shí)溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)大體相同，不同處在于，有限元分析上面層頂部處的溫度下降速度一直低于上面層底部處的速度變化，主要由于在設(shè)置邊界條件時(shí)未考慮到壓路機(jī)有噴灑水的過程以及空氣形成一個(gè)短暫的熱流保護(hù)層；（2）有限元分析路面溫度場(chǎng)比實(shí)測(cè)路面溫度場(chǎng)在同一時(shí)刻、相同位置的溫度要高出6~8℃左右，主要由于施加邊界條件時(shí)未考慮環(huán)境的變化、混合料的性質(zhì)等差異；（3）從云圖中可以看出，在39 min時(shí)上面層的溫度僅影響到路面中面層和下面層，并未影響到路基。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過實(shí)測(cè)分析和仿真模擬，在正常的施工條件下，初壓時(shí)間在3 min后進(jìn)行碾壓，終壓在攤鋪后35 min后結(jié)束，才能夠保證有效地壓實(shí)，為保證京港澳高速公路石安段上面層大面積施工提供了可靠地保證。

（2）利用Abaqus有限元分析可知，瀝青路面溫度場(chǎng)受混合料的攤鋪溫度影響最大，同時(shí)受氣溫和風(fēng)速的影響也比較顯著。

（3）實(shí)測(cè)分析過程中，合理的方案設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)的成功十分關(guān)鍵，本方案通過多次驗(yàn)證后才得以實(shí)施成功；仿真分析的變化趨勢(shì)接近于實(shí)測(cè)的變化趨勢(shì)，有一定的規(guī)律關(guān)聯(lián)性，但也能為施工提供較為可靠地依據(jù)。

[1]韓韶清.路面平整度快速檢測(cè)車的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[2]JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[3]胡小圓.瀝青路面溫度場(chǎng)的測(cè)試與分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[4]莊茁，廖劍暉.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2009．

[5]孫立軍，秦健.瀝青路面溫度場(chǎng)的預(yù)估模型[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（4）：80-84.

SMA-13 Asphalt Pavement Temperature Field Analysis and Research

SONG Le1，XU Biao2，ZHANG Feng2
（1.Sichuan Province Highway Co.，Ltd.，Guangyuan Sichuan 628000，China；2.Changan University，Xian Shaanxi 710064，China）

Through the research on the real-time distribution of hong kong and macao expressway section shi an upper layer SMA-13 test section of asphalt pavement paving temperature field，the analysis of actual measurement and simulation by combining the distribution of asphalt pavement temperature field，provide a reliable basis for effective compaction of asphalt pavement with time.

temperature field；simulation；compaction time

U416.217

：A

：1672-545X（2017）01-0128-02

2016-10-13

宋樂（1984-），男，四川成都人，副處長(zhǎng)，碩士研究生，研究方向：工程信息；許彪（1989-），男，安徽蕭縣人，技術(shù)員，碩士研究生，研究方向：施工作業(yè)質(zhì)量控制；張鋒（1987-），男，陜西西安人，技術(shù)員，碩士研究生研究方向：施工作業(yè)質(zhì)量控制。