陶瓷沥青路面温度场热散失的有限元研究

徐 昙 云

(江西省交通工程集团公司，江西 南昌 330025)

陶瓷沥青路面温度场热散失的有限元研究

徐 昙 云

(江西省交通工程集团公司，江西 南昌 330025)

利用有限元软件建立了基于热传导理论的沥青路面温度场模型，模拟了不同陶瓷掺量的沥青混合料在施工阶段的热量散失状态以及高温条件下的路面温度变化，结果表明：陶瓷掺量的增加，能有效减少摊铺压实过程中铺层热量的散发。

陶瓷沥青混合料，导热系数，热量散失，路面温度场

0 引言

我国行车道路已发展到了一个新阶段，在满足了车辆通行的要求后，更是在路面的使用年限，损害程度和对环境的影响方面提出了新的要求[1]。这也是各工程界学者近年来不断研究的方向。沥青作为一种粘弹塑性体，在不同温度条件下表现出不同的特性[2]。沥青混合料在施工阶段中最低摊铺温度可达130 ℃～140 ℃，并且压实过程对混合料温度也有一定要求；同时，沥青路面表面的温度在夏季高温可以达到50 ℃[3]。如何减少施工阶段沥青混合料的热散失以延长有效压实时间，并且降低沥青路面夏季高温时的路表温度为本文的研究重点。

陶瓷作为一种颜色浅、导热系数小的材料[4]，将陶瓷粉末代替部分细集料应用到沥青混凝土中，形成导热系数较小的陶瓷热阻式路面，可以有效减少施工阶段的热散失，并且降低沥青路面结构的温度。

1 温度场模型的建立

沥青路面温度场分布受气象环境等要素影响。沥青路面与大气环境和路基深处进行能量交换，这些能量的流入与流出导致了沥青路面温度场的不断变化，能量之间以传导、对流和辐射三种形式互相传递。进入路面结构的能量有太阳辐射、散射辐射和大气逆辐射，而路面往周围环境传递热量方式包括热辐射散热、热反射和对流换热。

本研究选用ABAQUS有限元建立路面温度场模型[5]，按等体积替代法输入不同掺量(0%，10%，20%，30%，40%，50%)的陶瓷粉末沥青混凝土的热物性参数，包括导热系数λ[6]，密度ρ，比热容c和热扩散率α，并模拟在太阳辐射，气温及对流热交换，路面有效辐射作用下，沥青路面温度场的变化及热散失情况。

所选路面结构如表1所示。

表1 沥青路面结构组成 cm

2 施工阶段沥青路面的热散失

利用温度场模型模拟施工阶段沥青面层的铺装，其上面层SMA-13的摊铺温度为140 ℃，路面结构中下面层初始温度沿竖向差异不大，为25 ℃。环境温度为28 ℃，风速为3 m/s。

计算并分析不同陶瓷掺量沥青混合料不同结构层在施工阶段的温度变化。

其计算结果如图1所示。

由图1可知：

1)不同陶瓷掺量下，铺层表面和层中温度均下降较快，而后下降率趋于平缓；下层层中和底面温度均先上升，而后趋于平缓。

2)与普通沥青混合料相比，陶瓷沥青中铺层表面降温曲线在初始阶段有向下的反弯，铺层层中降温曲线在初始阶段有向上的反弯。并且，随着陶瓷掺量的增加，反弯越来越明显，表明铺层表面和铺层层中在初始阶段的降温差异逐渐增大。

3)随着陶瓷掺量的增加，铺层表面温度下降程度逐渐减缓，并且铺层层中的温度变化更为明显。

4)下层层中与下层层底的温度变化几乎不受陶瓷掺量的影响。

分析结果表明，沥青混合料中陶瓷掺量的增加，导致了摊铺层导热系数减小，摊铺层内热传导能力下降，从而在同一时间段，铺层表面和铺层层中的温度相对增加；而下层的沥青混合料导热系数不变，且下层热量主要是铺层沥青的温度向下热传导得到的，因此，下层路面结构温度受表层摊铺的影响不大。

Tegeler研究表明[7]沥青混合料铺层层中温度下降至85 ℃时为有效压实时间，本文以此温度为有效压实的标准，利用温度场模型模拟不同陶瓷掺量下的有效压实时间，其结果如表2所示。

表2 不同陶瓷掺量下沥青路面有效压实时间

由表2可知：随着陶瓷沥青的掺量从0%增加到50%，有效压实时间增加了1.2倍；50%陶瓷掺量的沥青混合料有效压实时间则为44 min，比不掺陶瓷的沥青混合料有效压实时间长24 min。

3 运营阶段沥青路面的热散失

模拟夏季高温条件下沥青路面的温度变化，采集某日温度数据，其日最高气温为35.6 ℃，最低气温为22.8 ℃，日平均气温为29.2 ℃，日平均风速为2.5 m/s。

计算并分析不同陶瓷掺量的沥青混合料作用下，路面各结构层温度的日温差变化规律如图2所示。

由图2可知：

1)随着沥青混合料中陶瓷集料掺量的增加，路表的最高温度有所增加，但是增量不明显。

2)不同陶瓷掺量下的曲线基本重合，路表出现最高温的时间也基本保持不变。

3)道路层中的最高温度随陶瓷掺量的增加逐渐减小，并且最高温出现时刻也逐渐地延迟。

4)陶瓷沥青混凝土应用于路面表面层后，主要降低了路面中下面层的温度，距离路表4 cm处的最高温度下降尤为明显。

分析结果表明，陶瓷集料的掺入改变了面层材料的导热系数，材料的导热系数越小，热量往下传递的能力越差，一方面，热量在面层累积较多，使得路表温度增加；另一方面，往下传递的热量变少变慢。因此，路面结构内部的温度降低，最高温出现的时刻延迟。此外，路表10 cm与18 cm处离路表较远，其本身温度变化幅度就不如距路表4 cm处大，故相对降温幅度较小。从数值上看，50%陶瓷掺量下，距路表4 cm深度处的最高温度降低了4.42 ℃，10 cm深度处的最高温度降低了3.0 ℃，而18 cm深度处的最高温度降低了约1.67 ℃，说明陶瓷沥青混凝土用于路面表面层能起到一定的隔热效果。

4 结语

本研究选用ABAQUS有限元建立了路面温度场模型，模拟了0%～50%的不同陶瓷粉末掺量沥青混凝土在施工和运营过程中的温度场及热量散失状况，主要研究结论有：

1)在沥青混合料中掺加陶瓷粉末形成陶瓷混合料，能够降低材料导热系数，改善路面材料热物性参数。陶瓷掺量的增加，能有效地防止摊铺压实过程中铺层温度的散发，从而减缓铺层表面温度的变化，但是对铺层下结构深度的温度影响不大。2)以铺层层中沥青混合料温度下降至85 ℃为有效压实时间，有限元计算表明50%陶瓷掺量的沥青混合料有效压实时间则为44 min，比不掺陶瓷的沥青混合料有效压实时间长24 min。3)在沥青路面的运营阶段，陶瓷沥青混凝土能改善夏季高温天气下的沥青路面结构温度。有限元计算表明不同陶瓷掺量的沥青路面路表温度基本保持不变，而50%陶瓷掺量的沥青路面，距路表4 cm深度处的最高温度较不掺陶瓷的沥青路面降低了4.42 ℃。

[1] 余清河.对我国沥青路面设计的几点改进建议[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2004，23(2):40-41.

[2] 赵延庆，黄大喜.沥青混合料破坏阶段的粘弹性行为[J].中国公路学报,2008,21(1):25-28.

[3] JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[4] 杨 辉,郭兴忠,樊先平,等.我国建筑陶瓷的发展现状及节能减排[J].中国陶瓷工业，2009(7)：20-23.

[5] Song,H.,Xie,Z.,Zheng,H.,etc..Numerical Simulation for Temperature Field of Subgrade on Seasonal Frozen Area[J].International Conference on Transportation Engineering，2007(3)：1753-1758.

[6] 陆 琳,江 丽,冯 青,等.陶瓷粉末中固相物质导热系数的计算方法[J].陶瓷学报，2012,33(3):361-364.

[7] Tegeler P A,Dempsey B J.A method of predicting compaction time for hot-mix bituminous concrete[J].Association of Asphalt Paving Technologists Proc，1973(1)：42.

A study on temperature field and heat losing of ceramic asphalt pavement based on finite element analysis

Xu Tanyun

(JiangxiCommunicationsEngineeringGroupCompany,Nanchang330025,China)

The paper adopts the finite element software to establish the asphalt pavement temperature field model based on the heat conduction theory,simulates the heat loss status of the asphalt mixtures with various ceramic mixing volumes and the pavement temperature changes under high temperature conditions,proves by the result that the addition of the ceramic mixing can effectively reduce the pavement thermal dissipation in the pavement compaction process.

ceramic asphalt mixture,heat conduction coefficient,thermal dissipation,pavement temperature field

2015-10-23

徐昙云(1981- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)36-0143-03

U416.217 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A