关于沥青路面混凝土表层温度应力的探讨

贺志良

（宣广高速公路有限责任公司）

关于沥青路面混凝土表层温度应力的探讨

贺志良

（宣广高速公路有限责任公司）

为分析各参数对耐久性沥青路面混凝土基层温度应力的影响，分析了路面结构温度场，计算混凝土基层的温度应力，并对计算结果进行极差与方差分析。此外，利用均匀设计表安排参数组合求解混凝土基层温度应力，对计算结果进行回归，得出沥青路面混凝土基层的温度应力实用计算公式，以指导路面结构设计。

路面工程；耐久性沥青路面；混凝土基层

引言

实践证明，缺乏基层强度和衰减过快的主要原因是沥青路面的早期破坏。沥青路面的耐久性是指影响路面结构耐久性内部和外部的因素，在设计时期使用沥青路面，不需要花很多钱修理和维护就可以满足道路使用功能。沥青路面的耐久性寿命的设计可以根据需求，如30年，50年甚至更长的生命。减少沥青路面的损坏，只要定期对路面铣和表面修补就可以确保功能的正常使用。因为沥青路面的耐久性，沥青路面可以制成如国外的一个完整深度，也可以使用贫混凝土、水泥混凝土或钢筋混凝土刚性材料作为底物。由于相似性贫混凝土的力学性能和普通水泥混凝土基础很相似，所以贫混凝土基础课程和普通水泥混凝土基础称为混凝土基础。

1 温度应力概述

温度应力，也被称为热应力，通常认为产生的原因有两个：①结构加热或冷却时，由于热膨胀和收缩变形，如果变形受到一定的限制，如位移约束或相反的力，结构中就会产生热应力；②由于不同的材料和不均匀变形的形成（如不同的热膨胀系数）。求热应力，有必要确定温度场，还要确定位移、应变、应力场，解决步骤：①通过热传导方程和边界条件（对于非稳定温度场必须初始条件）求温度分布；②由热弹性力学求位移和应力。

路面结构的温度应力与变温速率和温度梯度沿深度的变化有关。路面结构温度场的差异前后不同时间温度直接决定了温度应力的大小，表征温度变化特征的大小是表面温度的变化率，称为温度的变化率。温度的变化率越大，此之前和之后的温差大，因此温度应力也大，反之亦然。通常在一天内路面结构经历的加热和冷却过程中，温度变化速率将从正到负。路面温度上升，当温度变化速率是正的，反之是负的，正变温速率使路面有一个压应力，负变温速率率使路面产生拉应力，当温度变化速度是0，相应时间路面温度应力为零。同时在路面不同深度的温度差异称为温度梯度，一般当上面温度大于下面温度时，称为正温度梯度，反之亦然称为负温度梯度。由于白天路面最高温度和其下某一深处温度差远远大于深夜路面最低温度和其下某一深处温度。因此最大的正温度梯度一般比最大负温度梯度绝对值大。

2 温度梯度

在沥青混凝土路面的水泥基地建设，温度条件和表层变化。长安大学使用温度场的有限元方法求有沥青加铺层的混凝土面层的温度场，沥青层每增加4cm，混凝土表面的最大温度梯度层降低约30%，最高表面温度发生延迟1h后的结果。通过使用有限元方法在空间上求解，采用时间差分法获得温度场，和最大温度梯度不同的自然分工建议值，结果为现行规范（由长安大学。此外，结合混凝土强度和混凝土基础沥青路面结构特点、计算了混凝土基础沥青路面温度梯度（见表1）。其中包括沥青层的厚度是0～20cm，基础厚度h2是22cm时，最大的自然分工温度梯度变化范围。在计算时采用沥青层的太阳辐射吸收率0.85，导热系数为0.0018；0.63的太阳辐射吸收率，导热系数为0.00312。

表1 不同自然区划的最大温度梯度推荐值表

当基层厚度h2不等于22cm时，可按表2进行修正。

3 路面结构温度状况概述

在一年和一天，大气的温度是有周期性改变的，与大气直接接触的道路表面温度也是有周期性改变的。调查结果显示：路面温度周期性起伏和大气温度的变化几乎同时。由于地表吸收太阳辐射热量，路面温度高；路面结构内的温度在不同深度也会显示周期性变化，但波动的振幅随深度的增加而减小，峰值也随深度增加越来越多的延迟发生在路面温度的状况受内部和外部因素影响。外部因素主要包括气候条件，如太阳辐射、阳光和云层覆盖），空气温度、风速、降水、蒸发等。其中，太阳辐射和空气温度是来确定表面温度的主要因素。内部因素是热导率、热容比热和辐射热量的吸收能力。

表2 不同h2的最大温度梯度修正系数表

有两种方法来估计路面结构的温度，包括统计方法和理论方法。所谓的统计方法是在路面结构层不同深度嵌入式温度测量元件，前提是在年度周期的连续观察不同时间的温度变化，并收集当地的气象数据（温度和热辐射），然后逐步回归分析对路面温度的观测和气象因素，建立表面温度指数回归方程，也称为实证方法，适用于特定区域和路面，这并不一定适用于其它地区或路面结构。理论法是基于气象数据依据热传导方程推导来的。

4 沥青加铺层的温度应力分析

因为沥青材料高温敏感性（即在不同温度下有不同的强度和软化特征）在夏季高温的作用下强度降低，如果不控制路面就会发生发软泛油或推移剪裂破坏的问题；冬天在低温的条件下沥青材料具有脆性，可能引起路面开裂。

沥青材料是一种典型的粘弹性材料，粘弹性性质主要体现在以下方面：其力学特性和加载速率，速度越大，材料破坏的极限强度和刚度将增加，其力学性能对温度非常敏感，温度高，材料的物理特性变软，强度和刚度退化，非常明显的蠕变和松弛现象以及应力硬化特征。由于其高温敏感，温度变化在沥青混凝土路面产生温度应力，积累的一部分，另一部分会由于松弛效应被释放了。因此，工程学者使用流变学理论分析沥青路面。

基于上述理论，国内外学者已经在沥青路面温度应力的效果上做了很多工作。华中科技大学的罗辉等利用热粘弹性性质，对不同冷却条件下的沥青路面温度应力使用有限元程序进行了响应和分析，并研究了初始温度，降温幅度，表层厚度、基础模量和温度收缩系数对温度应力的影响，并得出结论：初始温度和冷却速度对沥青路面温度应该有显著影响；薄沥青表层很容易出现反射裂缝，厚的沥青表层可能从表面沥青表层的基础裂缝发展相应的裂缝。同济大学的钱国平等使用热粘弹性力学理论和有限元方法，以广义Maxwell模型模拟沥青混合料的粘弹特性，通过实验研究和理论分析得到增量型热粘弹性本构关系，对环境条件下沥青路面的温度应力场有限元计算方法进行了建立。

5 温度应力实用计算公式

为方便结构设计，需要研究混凝土基层温度应力的实用计算公式。为了确保温度应力的实用计算公式的准确性，必须进行大量的计算。回归公式，考虑到面层厚度h1，基层厚度h2，基础模量E2，地基模量E0和温度梯度Tg5因素，选择的因素水平见表3。同样，为了减少计算的数量，而不是失去的表示结果的前提下，利用均匀设计表安排参数。根据U19*（197）和它的使用表，选择3，4，5，6，7列计算设计，计算结果如表4所示。

对表4所示的温度应力计算结果，采用二次多项式模型进行公式回归，并运用筛选变量的回归技术，回归得出置信水平为0.05时混凝土板底的温度应力如式（1）所示。

式（1）表明，主要影响因素的主要压力温度的温度梯度，基基体的模量和厚度，和正交设计找出的因素影响的大小相同。和正交设计基础厚度效应主要是由于温度梯度值，因为一个巨大的影响和实际使用是由于表层厚度和基层的厚度，基层的温度梯度一般介于0.2～0.7℃·cm-1。

需要指出的是，混凝土基础包括普通混凝土基础和贫混凝土基础和广泛的模量、和实际应用过程中贫混凝土基础和普通混凝土基底剪力联合间距存在差异，不同模量对应的有限元分析过程可以采用不同的模型尺寸，这是今后需要进一步研究的内容。

6 结束语

对沥青路面温度应力分析，跟板块结构的水泥混凝土路面不同（主要研究在一定温度梯度下水泥混凝土板翘曲和收缩应力），这是主要研究温度变化产生的温度拉应力，以及在此情况下是否路面开裂和开裂规律。

表3 因素水平表

表4 根据U19*（197）表安排参数组合

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U416.217

A

1004-7344（2016）20-0138-02

2016-7-3

贺志良（1990-），男，助理工程师，本科，主要从事高速公路养护工作。