瀝青路面溫度場(chǎng)的主動(dòng)調(diào)控方法研究

鄧 甲

（南京鐵路建設(shè)投資有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

引言

瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，其模量和強(qiáng)度等參數(shù)隨溫度的變化而變化，從而進(jìn)一步影響路面的承載能力和高低溫性能等[1]。瀝青路面的溫度場(chǎng)直接受混合料的熱物參數(shù)影響。因此，研究材料的熱物參數(shù)對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響非常有必要，可以采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)改變混合料的熱物參數(shù)，從而進(jìn)一步改變路面的溫度場(chǎng)。

對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)的研究較多，基本上都將路面三層看作一個(gè)整體而忽視了每層材料的熱物參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響[2-3]。馮德成等[4]僅對(duì)上面層熱物參數(shù)對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究，研究路面三層材料的熱物參數(shù)對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響，找出其影響大小和規(guī)律，給降低路面某點(diǎn)溫度需要改變某層材料的某一熱物參數(shù)提供理論參考。瀝青混合料的熱物參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散率，而熱擴(kuò)散率可以通過(guò)前兩個(gè)參數(shù)和密度計(jì)算得到。對(duì)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容對(duì)路面各點(diǎn)溫度的影響作出理論預(yù)測(cè)，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)可以通過(guò)摻加無(wú)機(jī)粉體等材料相對(duì)容易地得到改變。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-8]，瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.58 ～2.88 W/（m·K）內(nèi)變化，比熱容在800 ～2 000 J/（kg·K）內(nèi)變化，使得在較大范圍內(nèi)變化導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容來(lái)改變路面溫度場(chǎng)成為可能。

1 瀝青路面溫度場(chǎng)的應(yīng)用

1.1 緩解城市熱島效應(yīng)

城市熱島效應(yīng)已成為影響人們生產(chǎn)生活的一大問(wèn)題，道路材料占城市構(gòu)筑物的比例達(dá)29% ～45%[9]，因此可以通過(guò)對(duì)路面結(jié)構(gòu)或材料的改變緩解城市熱島效應(yīng)。瀝青路面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率較高，通過(guò)有效輻射和對(duì)流換熱與大氣進(jìn)行熱量交換，路表溫度升高使其向大氣間的熱量交換增大，從而造成低空溫度升高，熱島效應(yīng)加劇。為了緩解城市熱島效應(yīng)問(wèn)題，可以通過(guò)降低路表溫度實(shí)現(xiàn)。

城市熱島效應(yīng)影響周?chē)h(huán)境溫度，而環(huán)境溫度進(jìn)一步影響軸載換算等路面問(wèn)題[10]。此外，城市熱島效應(yīng)造成市區(qū)道路的抗車(chē)轍能力低于郊區(qū)道路[11]，因此，采取措施緩解城市熱島效應(yīng)非常有必要。

1.2 減少車(chē)轍

車(chē)轍已成為瀝青路面的一大病害，受路面溫度場(chǎng)的影響顯著[12]。高溫車(chē)轍變形絕大部分由瀝青面層產(chǎn)生，且中面層變形最大約占車(chē)轍總量的60%[13]。數(shù)值模擬分析得出，中面層的剪應(yīng)力均比上面層或下面層大[14]，且中面層的變形大于下面層[15]。因此，為了降低車(chē)轍發(fā)生率，應(yīng)該主要在中面層上下功夫。瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，其模量受溫度影響較大。正是由于混合料溫度升高，造成模量下降，在車(chē)輛的不斷作用下路面結(jié)構(gòu)的永久變形不斷累積，從而使得夏季高溫車(chē)轍頻發(fā)。因此，為了降低中面層的車(chē)轍，應(yīng)該采取措施改變材料的熱物參數(shù)來(lái)降低該層的溫度。

2 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響

普通路面的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)構(gòu)為1.2+1.2+1.2（1.2 為該層瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，下同）。研究上面層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)路面溫度場(chǎng)影響時(shí)，變化該層導(dǎo)熱系數(shù)（0.6 ～1.6 W/(m·K)）而保持其余兩層導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K)不變，研究其余兩層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)路表最高溫度影響時(shí)依次類(lèi)推。各層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)路表、中面層表面、下面層表面、下面層底面的影響見(jiàn)圖1 ～圖4。

圖1 路表溫度變化趨勢(shì)

圖2 中面層表面溫度變化趨勢(shì)

圖3 下面層表面溫度變化趨勢(shì)

圖4 下面層底面溫度變化趨勢(shì)

總體上看，每層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)各點(diǎn)溫度均有不同程度的影響。（1）由圖1 看出，上面層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)路表溫度影響最大，最大可達(dá)4.7 ℃，且隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，影響程度在減??；下面層的影響非常小。因此，為了降低路表溫度，緩解城市熱島效應(yīng)，必須盡可能地增大上面層的導(dǎo)熱系數(shù)以減少熱量在路表的積聚，下面層導(dǎo)熱系數(shù)可以保持不變。（2）由圖2 看出，上面層導(dǎo)熱系數(shù)越大，中面層表面溫度越高，這與上面層對(duì)路表溫度的影響和中下面層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)此點(diǎn)的影響相反；而且上面層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)此點(diǎn)溫度影響達(dá)4.3 ℃，中面層導(dǎo)熱系數(shù)影響可達(dá)3.6 ℃，下面層導(dǎo)熱系數(shù)的影響非常小。因此，為了降低該點(diǎn)溫度，要減小上面層導(dǎo)熱系數(shù)，增大中面層導(dǎo)熱系數(shù)，保持下面層導(dǎo)熱系數(shù)不變。（3）由圖3 看出，隨上中面層導(dǎo)熱系數(shù)的增加，下面層表面溫度升高，而下面層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)該點(diǎn)溫度影響趨勢(shì)相反。其中，中面層對(duì)該點(diǎn)溫度影響最明顯，最大可達(dá)3.5 ℃，下面層影響為1.8 ℃。因此，為了降低該點(diǎn)溫度，應(yīng)減小上中面層的導(dǎo)熱系數(shù)，增大下面層的導(dǎo)熱系數(shù)，下面層底部溫度的應(yīng)用不大。（4）由圖4 可知，該點(diǎn)溫度隨三層導(dǎo)熱系數(shù)的增大而升高，其中下面層導(dǎo)熱系數(shù)影響最為明顯，最大可達(dá)2.4 ℃。

由于中面層表面和底面受三層材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響不同，特別是當(dāng)需要降低中面層溫度時(shí)，到底應(yīng)該增大還是減小中面層的導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)法判斷。因此，圖5 給出了中面層中部點(diǎn)溫度隨三層導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)。

圖5 中面層中部溫度變化趨勢(shì)

由圖5 可知，該點(diǎn)溫度受上面層導(dǎo)熱系數(shù)影響非常明顯，最大變化達(dá)3.4 ℃，而中面層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)該點(diǎn)溫度幾乎沒(méi)有影響。由圖2、圖3、圖5 判斷出，中面層的上半部溫度隨中面層導(dǎo)熱系數(shù)的增大而降低，下半部溫度隨中面層導(dǎo)熱系數(shù)的增大而升高。其實(shí)，由于車(chē)轍并非全部發(fā)生在中面層，下面層也占有一定的比例，并且下面層的溫度隨中面層導(dǎo)熱系數(shù)減小而降低。因此，為了整體上減少車(chē)轍發(fā)生，中面層應(yīng)該采用較低的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 比熱容對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖6 路表溫度變化趨勢(shì)

圖7 中面層表面溫度變化趨勢(shì)

圖8 下面層表面溫度變化趨勢(shì)

圖9 下面層底面溫度變化趨勢(shì)

（1）由圖6 看出，路表溫度受上面層比熱容影響最明顯，最大可達(dá)3.1 ℃；同導(dǎo)熱系數(shù)影響一樣，下面層比熱容對(duì)路表溫度幾乎沒(méi)有影響。因此，為了降低路表溫度，緩解城市熱島效應(yīng)，增大上面層的比熱容，同時(shí)保持下面層比熱容不變。（2）由圖7可知，隨著三層材料比熱容的增大，中面層表面溫度升高，且上中面層的比熱容對(duì)該點(diǎn)溫度影響幾乎相同，最大影響范圍為2.6 ℃。因此，為了降低該點(diǎn)溫度可以同時(shí)提高上中面層的比熱容。（3）由圖8可知，下面層表面的溫度隨各層材料的比熱容的增大而降低，且受中面層影響最大達(dá)2.0 ℃。因此，可以通過(guò)增大瀝青路面整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料的比熱容來(lái)降低中面層的溫度，并以提高中面層比熱容為主。（4）由圖9 可知，下面層底面的溫度與下面層表面的溫度一樣均隨各層材料的比熱容的增大而降低，不同的是該點(diǎn)溫度受下面層比熱容影響最明顯，最大影響范圍為1.2 ℃。若要降低下面層的溫度則可以增大三層材料的比熱容，并以提高下面層比熱容為主。整體上看可以得出，隨著研究位點(diǎn)的下移，上面層的影響逐漸減小，下面層影響逐漸增大，而中面層的影響先增大后減小。

與圖1 ～圖4 比較可以看出，各點(diǎn)的溫度隨材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈曲線(xiàn)型變化，而各點(diǎn)的溫度隨材料的比熱容呈線(xiàn)性變化。值得注意的是，瀝青路面溫度場(chǎng)受導(dǎo)熱系數(shù)的影響較比熱容更大。以路表溫度為例，上面層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)路表溫度的最大影響范圍為4.7 ℃，而上面層比熱容對(duì)路表溫度的影響范圍為3.1 ℃，其余各點(diǎn)的溫度受導(dǎo)熱系數(shù)影響均比受比熱容影響大1 ℃以上，說(shuō)明通過(guò)改變?yōu)r青路面材料的導(dǎo)熱系數(shù)更容易調(diào)節(jié)路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，達(dá)到緩解城市熱島效應(yīng)或減少車(chē)轍發(fā)生率的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

1付凱敏,徐立紅,陳京鈺.不同瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)研究J .公路工程,2009,34（2）:53-59.

3陳嘉祺,羅蘇平,李亮,等.瀝青路面溫度場(chǎng)分布規(guī)律與理論經(jīng)驗(yàn)預(yù)估模型[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2013,44（4）:1647-1656.

4馮德成,胡偉超,于飛,等.瀝青路面材料熱物性參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響及敏感性分析[J].公路交通科技,2011,8（21）:12-19.