變溫條件下組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場研究

郭 芳 顧 維

（1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410132；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長沙 410015）

氣候條件是影響公路路面使用性能的重要因素之一[1]。我國幅員遼闊，各地區(qū)氣候差異顯著，路面結(jié)構(gòu)溫度場也存在明顯差異[2]。瀝青混合料是典型的溫度敏感性材料，路面溫度場會直接影響路面的耐久性和適用性[3-4]。我國絕大多數(shù)高等級公路路面基層為半剛性基層，有許多突出優(yōu)勢，但干縮和溫縮開裂易使面層出現(xiàn)反射裂縫，加之“水敏感”“水加速損壞”特點(diǎn)，極易造成結(jié)構(gòu)型水損壞[5]。目前，組合式基層也逐漸應(yīng)用于工程實(shí)踐，但仍在探索階段。本文通過ABAQUS有限元仿真模型模擬結(jié)構(gòu)溫度場，對結(jié)構(gòu)層進(jìn)行溫度梯度計(jì)算，并在典型路段進(jìn)行溫度場實(shí)測，對比分析實(shí)測值與計(jì)算值，以期充分掌握組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場的變化規(guī)律，為瀝青路面車轍深度和疲勞損傷計(jì)算打下基礎(chǔ)。

1 有限元模型的建立

1.1 相關(guān)理論

在大型有限元軟件ABAQUS瀝青路面溫度場熱學(xué)分析中，分穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱。計(jì)算模型采用DC2D8八節(jié)點(diǎn)四邊形熱傳導(dǎo)單元進(jìn)行分析。取一個(gè)車道寬度3.75 m，深度3 m。由于瀝青層是溫度場研究的重點(diǎn)層位，對溫度變化敏感，加之后期需要對車轍進(jìn)行分析，所以上部網(wǎng)格劃分較細(xì)。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格的劃分

1.2 溫度場邊界條件

溫度場邊界條件確定依據(jù)該高速公路所在地區(qū)的實(shí)測氣象資料，包括氣溫、太陽輻射、路面有效輻射及對流熱交換等。可在ABAQUS的Interaction模塊和Load模塊，通過用戶子程序1和2，分別定義路面溫度和熱流隨時(shí)間的變化[6]。通過建立瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)ABAQUS分析步，得到溫度場分析結(jié)構(gòu)文件。

1.2.1 太陽輻射

根據(jù)前人研究[7]，太陽輻射q(t)可由式（1）表示。

1.2.2 氣溫和對流熱交換

這兩項(xiàng)參數(shù)可通過組合兩個(gè)正弦函數(shù)模擬實(shí)現(xiàn)，見式（2）。

1.2.3 路面有效輻射

1.3 計(jì)算參數(shù)的選取

本文采用ABAQUS進(jìn)行模擬分析。路面結(jié)構(gòu)類型考慮典型的半剛性基層和設(shè)置級配碎石的組合式基層結(jié)構(gòu)，在瀝青穩(wěn)定碎石層與半剛性底基層之間設(shè)置了一層級配碎石，路面結(jié)構(gòu)厚度及材料的熱工參數(shù)如表1所示，其中，材料密度通過實(shí)驗(yàn)測得，其余參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)和資料得到[9]。

表1 路面結(jié)構(gòu)厚度及熱工參數(shù)

2 溫度場計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 溫度場分布規(guī)律

采用ABAQUS模型模擬計(jì)算連續(xù)變溫條件下的路面溫度場，可得到變溫條件下組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度場，其72 h分布情況如圖2所示。

圖2 72小時(shí)路面結(jié)構(gòu)溫度場分布

由圖3可知，路表溫度與氣溫的變化趨勢基本一致。隨著深度的增加，各結(jié)構(gòu)層溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后。日最高氣溫在14:00左右，路表的最高溫度與日最高氣溫同步，而路面結(jié)構(gòu)10 cm深度處的最高溫在15:30。

圖3 組合式基層路面溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

2.2 ATB上基層溫度場影響分析

取瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25層厚分別為10 cm、14 cm、18 cm和22 cm，計(jì)算ATB層厚變化對組合式基層瀝青路面溫度場的影響，與半剛性基層瀝青路面比較，在72 h內(nèi)的溫度梯度變化規(guī)律如表2所示。

表2 溫度梯度最大、最小值和極差 單位：℃/cm

根據(jù)表2可知：

（1）在72 h內(nèi)，無論是半剛性基層還是組合式基層，其瀝青面層都經(jīng)受正-負(fù)溫差的不斷循環(huán)，這種反復(fù)膨脹-收縮的周期性溫度變化而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力極易引起溫度疲勞破壞。

（2）隨著ATB厚度的增加，瀝青層溫度梯度不斷減小，層厚從20 cm增加到32 cm，溫度梯度最大值由1.5℃/cm下降到1.1 ℃/cm，極值由1.8 ℃/cm下降到1.2 ℃/cm。所以，增加ATB厚度可有效減小面層溫度梯度，衰減外界溫度變化，改善結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境。

（3）半剛性基層瀝青面層的溫度梯度最大，其72 h最大溫度梯度是1.7 ℃/cm，極差為2.2 ℃/cm。兩類結(jié)構(gòu)的路表和瀝青層層底溫差一致，充分說明組合式基層結(jié)構(gòu)改善面層溫度梯度的能力強(qiáng)。

2.3 水泥穩(wěn)定碎石下基層溫度場影響分析

在組合式基層瀝青路面中，水泥穩(wěn)定碎石下基層的溫差隨時(shí)間變化的曲線圖如圖4所示。

圖4 水泥穩(wěn)定碎石層溫差隨時(shí)間變化曲線

通過計(jì)算可知：和半剛性基層相比，組合式基層加入了15 cm級配碎石，其溫度變化速率、溫度梯度降低，有效改善下臥半剛性基層的溫度狀況，從而減輕水泥穩(wěn)定碎石層發(fā)生溫縮和干縮的可能，從而減少面層的反射裂縫。因此，設(shè)置具有一定厚度的級配碎石能較好地延緩半剛性基層的溫度縮裂。

3 試驗(yàn)路溫度測試及驗(yàn)證

3.1 測試位置和儀器

在某高速公路組合式基層瀝青路面試驗(yàn)路段，每層瀝青結(jié)構(gòu)中部安裝溫度傳感器，以便跟蹤觀測不同深度的結(jié)構(gòu)溫度。對于同一路面結(jié)構(gòu)方案，每一層設(shè)置2個(gè)測試斷面，一方面消除差異性便于對比分析，另一方面避免個(gè)別傳感器損壞無法采集數(shù)據(jù)。

大氣溫度測試采用水銀溫度計(jì)，瀝青路表溫度測試采用水銀溫度計(jì)配合紅外熱像儀。內(nèi)部溫度傳感器測試采用NTC熱敏電阻，為方便埋設(shè)和數(shù)據(jù)采集，傳感器埋置在硬路肩中間位置，量程為-30 ℃～100 ℃，精度為0.1 ℃。為保證精度，傳感器埋設(shè)前用精密水銀溫度計(jì)標(biāo)定。

3.2 現(xiàn)場測試結(jié)果與仿真結(jié)果比較

該高速公路所在區(qū)域?qū)儆跐駸岬貐^(qū)，低溫特征不明顯，高溫天氣集中在6月—9月，持續(xù)時(shí)間長，極值低溫多見于12月、1月，范圍為0 ℃～5 ℃。2020年8月—2021年1月，該高速公路竣工驗(yàn)收后對其路面溫度進(jìn)行了持續(xù)觀測，含該時(shí)間段全年極端低溫、極端高溫和一般情況。溫度采集頻率1次/h，記錄瀝青路面結(jié)構(gòu)各方案各測點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程。圖5的溫度變化曲線是B結(jié)構(gòu)在2020年8月5日24 h內(nèi)各深度處的數(shù)值解和實(shí)測值。

圖5 路面各深度溫度變化曲線

對比溫度場的數(shù)值計(jì)算值和實(shí)測結(jié)果可知：

（1）相對于數(shù)值解，溫度實(shí)測值波動較大，變化曲線不甚光滑，但兩種方法在不同深度處溫度場變化趨勢一致性良好，也就是說，ABAQUS模型能較好地模擬結(jié)構(gòu)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

（2）在2 cm深度處，兩者一致性高，但結(jié)構(gòu)溫度低于30 ℃兩者相差較大，且計(jì)算值低于實(shí)測值，與ABAQUS模型的初始溫度設(shè)置有關(guān)。隨著深度加大，深度為7 cm時(shí)兩者一致性降低。隨著路面深度繼續(xù)加大，實(shí)測路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化相對平緩，在14 cm處，0:00—12:00，大部分實(shí)測值高于計(jì)算值，12:00—24:00，大部分實(shí)測值小于計(jì)算值；而在22 cm處，實(shí)測的溫度變化值則更小，尤其是30 ℃以下，實(shí)測值明顯高于計(jì)算值，說明深度越大，受路表溫度影響的程度越低?？傊?，2 cm、7 cm深度處的預(yù)估溫度與實(shí)測溫度相差不大，在14 cm處有波動，在22 cm深度處絕大多數(shù)時(shí)刻計(jì)算值略高于實(shí)測值。

選取夏季高溫一個(gè)月的溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究各深度計(jì)算值與實(shí)測值的相關(guān)程度。如圖6所示。

圖6 實(shí)測值和數(shù)值計(jì)算值對比

圖6中繪出了45°對角線及其±5 ℃線，不難看出，溫度場實(shí)測值與計(jì)算值具有良好的一致性。越靠近路表，計(jì)算溫度和實(shí)測溫度的相關(guān)性越好。兩者存在一定差異，主要與ABAQUS模型邊界條件的假設(shè)及簡化、初始溫度、熱物參數(shù)與實(shí)際情況的差異有關(guān)系。

4 結(jié)論

（1）組合式基層路面結(jié)構(gòu)溫度場呈周期性的變化規(guī)律，隨著深度的增加，溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸延后。

（2）設(shè)置級配碎石的組合式基層結(jié)構(gòu)能有效改善半剛性基層的溫度狀況，產(chǎn)生干縮、溫縮現(xiàn)象的可能性降低，可減少反射裂縫的產(chǎn)生。

（3）與組合式基層相比，水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)瀝青面層溫度梯度較大，增加ATB厚度能有效減小瀝青面層溫度梯度，從而改善結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境。

（4）溫度場實(shí)測值與計(jì)算值具有良好的一致性，采用連續(xù)變溫的溫度場模型可基本滿足后期車轍和疲勞計(jì)算的需求。