鋪裝超薄磨耗層的鋼橋面與瀝青路面表層溫度對比研究

范 倩，李善強(qiáng)，劉新海

(1.廣東交科檢測有限公司，廣州 510550；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

超薄磨耗層的鋪設(shè)可以有效改善瀝青路面的非結(jié)構(gòu)性病害，提高行車舒適性[1-2]，近年來得到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。超薄磨耗層采用瀝青混凝土材料，而瀝青混凝土屬于黏彈性材料，長期裸露于自然環(huán)境中，受溫度的影響十分顯著[3-4]。蘇宇等[5]基于海南地區(qū)高速公路瀝青路面路表溫度變化特點(diǎn)及規(guī)律，發(fā)現(xiàn)路表溫度與大氣溫度具有很好的相關(guān)性；康海貴等[6]根據(jù)大量的實(shí)測瀝青路面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了基于升溫階段和降溫階段瀝青路面溫度與氣溫的相關(guān)關(guān)系研究，并給出了不同溫變階段下任意深度處瀝青溫度的預(yù)估模型；張麗娟等[7]采用預(yù)埋溫度傳感器的方式對舊水泥路面加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)溫度場進(jìn)行實(shí)測，發(fā)現(xiàn)一天內(nèi)的溫度變化趨勢是先降后升再降，升溫速率明顯大于降溫速率。

本文在對鋪裝超薄磨耗層的鋼橋面與瀝青路面表層溫度進(jìn)行實(shí)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)行超薄磨耗層表面和底部溫度及溫度變化速率隨時間的演變規(guī)律對比研究，并分為升溫和降溫兩個階段進(jìn)行了路面溫度與大氣溫度的相關(guān)關(guān)系研究。

1 試驗方案設(shè)計

本文對廣東省某高速公路路面及與其相連接的鋼橋面上鋪裝1～2cm厚的超薄磨耗層，并選取沒有障礙物遮擋、基本不受車輛影響的硬路肩作為試驗區(qū)域。其中，鋼橋面由上到下依次采用環(huán)氧瀝青混凝土+環(huán)氧富鋅漆+鋼板的形式，路面由上到下依次采用AC-16+AC-20+AC-25的三層瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形式。

1.1 溫度傳感器布設(shè)

在對路面與鋼橋面進(jìn)行超薄磨耗層鋪設(shè)過程中，分別于超薄磨耗層表面、超薄磨耗層底部安裝溫度傳感器，如圖1所示，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)跟蹤觀測。此外，在道路護(hù)欄上安裝一個溫度傳感器，用于大氣溫度的跟蹤觀測。溫度傳感器安裝完成后，經(jīng)調(diào)試、檢驗即可投入使用。

圖1 溫度傳感器安裝

1.2 溫度數(shù)據(jù)采集

為便于開展鋪裝超薄磨耗層的鋼橋面與瀝青路面表面溫度的對比研究，對大氣溫度、超薄磨耗層表面溫度、超薄磨耗層底部溫度進(jìn)行跟蹤觀測，從中選取具有代表性的24h的測試數(shù)據(jù)作為一個研究周期。其中，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為15min，故1h可采集到4個數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 溫度測試結(jié)果

基于現(xiàn)場實(shí)測的鋪裝超薄磨耗層的鋼橋面與瀝青路面表層溫度數(shù)據(jù)，繪制具有代表性的24h內(nèi)(天氣晴朗、微風(fēng))的大氣溫度、超薄磨耗層表面溫度、超薄磨耗層底部溫度隨時間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 鋪裝超薄磨耗層的鋼橋面與瀝青路面表層溫度隨時間的變化曲線

從圖2可以看出：

(1)鋼橋面與瀝青路面超薄磨耗層表面溫度、超薄磨耗層底部溫度均隨大氣溫度呈現(xiàn)周期性的變化。

(2)在0:00～24:00時間范圍內(nèi)，超薄磨耗層表面溫度、超薄磨耗層底部溫度與大氣溫度均呈現(xiàn)先下降、后上升、再下降的趨勢。大氣溫度在4:00～6:00達(dá)到最低、在14:00～16:00達(dá)到最高；超薄磨耗層上下部位溫度在8:00～10:00達(dá)到最低、在14:00～16:00達(dá)到最高。

(3)在0:00～8:00、16:00～24:00時間范圍內(nèi)，鋼橋面超薄磨耗層表面溫度高于其底部溫度；在8:00～16:00時間范圍內(nèi)，鋼橋面超薄磨耗層底部溫度高于其表面溫度。

(4)在0:00～9:00時間范圍內(nèi)，瀝青路面超薄磨耗層表面溫度與其底部溫度相近；在9:00～13:00、15:00～22:00時間范圍內(nèi)，瀝青路面超薄磨耗層表面溫度高于其底部溫度；在13:00～15:00時間范圍內(nèi)，瀝青路面超薄磨耗層底部溫度高于其表面溫度。

(5)相對于瀝青路面超薄磨耗層表面及底部、鋼橋面超薄磨耗層底部而言，鋼橋面超薄磨耗層表面出現(xiàn)最高溫的時刻有所延遲，延遲時間約為1h；且其最高溫度值最小，低2℃～3℃。

2.2 溫度變化速率

為便于計算分析，取15min內(nèi)的平均溫度變化速率作為某時刻的溫度變化速率值，繪制24h內(nèi)的大氣溫度、超薄磨耗層表面溫度、超薄磨耗層底部溫度變化速率隨時間的變化曲線，如圖3所示。

圖3 鋪裝超薄磨耗層的鋼橋面與瀝青路面表層溫度變化速率隨時間的變化曲線

從圖3可以看出：

(1)在7:00～15:00時間范圍內(nèi)，大氣溫度、鋪裝超薄磨耗層的鋼橋面與瀝青路面表層溫度變化速率為正值，即該時間段為升溫階段，在15:00左右溫度達(dá)到最高；0:00～7:00和15:00～24:00時間范圍內(nèi)，溫度變化速率為負(fù)值，即該時間段為降溫階段，在7:00左右溫度達(dá)到最低。

(2)在0:00～8:00時間范圍內(nèi)，路面、鋼橋面超薄磨耗層表面和底部溫度變化速率及大氣溫度變化速率基本穩(wěn)定，約為-1℃/h～0℃/h；在8:00～15:00時間范圍內(nèi)，變化速率為正值且數(shù)值較大，大氣溫度變化速率在9:00時達(dá)到最大，超薄磨耗層表面溫度變化速率在13:00時達(dá)到最大，超薄磨耗層底部溫度變化速率在10:00時達(dá)到最大；從15:00開始，變化速率開始變?yōu)樨?fù)值，大氣溫度、鋼橋面超薄磨耗層表面及底部溫度變化速率在18:00時達(dá)到最大，路面超薄磨耗層表面及底部溫度變化速率在16:00時達(dá)到最大。

(3)溫度變化速率的正值大于負(fù)值，即升溫速率普遍大于降溫速率。此外，24h內(nèi)的升溫時間較短、降溫時間較長的現(xiàn)象，從側(cè)面證明了升溫速率普遍大于降溫速率。

2.3 溫度與氣溫的關(guān)系

由溫度測試結(jié)果可初步得出結(jié)論：鋼橋面與瀝青路面超薄磨耗層表面溫度、超薄磨耗層底部溫度均隨大氣溫度呈現(xiàn)周期性的變化。但是由于升溫階段與降溫階段的溫度變化情況具有較大的差異，本次分析分為升溫、降溫兩個階段進(jìn)行溫度與氣溫的相關(guān)關(guān)系分析。

2.3.1 升溫階段

升溫階段，鋼橋面與瀝青路面超薄磨耗層表面溫度、底部溫度與大氣溫度直線擬合結(jié)果如圖4所示，二項式擬合曲線如圖5所示。

圖4 升溫階段的超薄磨耗層表層溫度與氣溫直線擬合

圖5 升溫階段的超薄磨耗層表層溫度與氣溫曲線擬合

從圖4和圖5可以看出：

(1)采用直線模型可以很好地模擬升溫階段的超薄磨耗層底部溫度與大氣溫度之間的相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.97以上；鋼橋面超薄磨耗層表面溫度與大氣溫度之間的線性相關(guān)系數(shù)較好，可達(dá)0.94；但瀝青路面超薄磨耗層表面溫度與大氣溫度之間的線性相關(guān)系數(shù)較差，僅為0.79。

(2)采用二項式函數(shù)模型可以較好地模擬升溫階段的瀝青路面、鋼橋面超薄磨耗層表面與大氣溫度之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別可達(dá)0.94、0.99以上。

基于上述分析，升溫階段，超薄磨耗層表面溫度與大氣溫度之間的關(guān)系符合二項式函數(shù)模型，底部溫度與大氣溫之間的關(guān)系符合直線模型。

2.3.2 降溫階段

降溫階段，鋼橋面與瀝青路面超薄磨耗層表面溫度、底部溫度與大氣溫度直線擬合結(jié)果如圖6所示，二項式擬合曲線如圖7所示。

圖6 降溫階段的超薄磨耗層表層溫度與氣溫直線擬合

圖7 降溫階段的超薄磨耗層表層溫度與氣溫曲線擬合

從圖6和圖7可以看出：

(1)采用直線模型可以很好地模擬降溫階段的超薄磨耗層表面及底部溫度與大氣溫度之間的相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.92以上。

(2)采用二項式函數(shù)模型可以更好地模擬降溫階段的超薄磨耗層表面及底部溫度與大氣溫度之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.96以上。

為便于開展分析計算，降溫階段，建議在進(jìn)行超薄磨耗層表面溫度及底部溫度與大氣溫度之間的關(guān)系分析時采用直線模型。

3 結(jié)論

(1)鋼橋面與瀝青路面超薄磨耗層表面及底部溫度隨大氣溫度呈現(xiàn)周期性的變化，但鋼橋面超薄磨耗層表面出現(xiàn)最高溫度的時刻有所延遲，且其最高溫度值相對較小。

(2)超薄磨耗層表面及底部溫度與大氣溫度均呈現(xiàn)先下降、后上升、再下降的趨勢，升溫速率大于降溫速率。

(3)為便于開展分析計算，升溫階段建議采用二項式函數(shù)模型進(jìn)行超薄磨耗層表面溫度與大氣溫度關(guān)系擬合，采用直線模型進(jìn)行底部溫度與大氣溫關(guān)系擬合；降溫階段采用直線模型進(jìn)行超薄磨耗層表面及底部溫度與大氣溫度關(guān)系擬合。