SMA-13沥青路面温度场的分析与研究

宋乐，许彪，张锋

（1.四川广巴高速公路有限公司，四川广元628000；2.长安大学，陕西西安710064）

SMA-13沥青路面温度场的分析与研究

宋乐1，许彪2，张锋2

（1.四川广巴高速公路有限公司，四川广元628000；2.长安大学，陕西西安710064）

通过对京港澳高速公路石安段上面层SMA-13试验段进行沥青路面摊铺温度场的实时分布情况研究，采用了实际测量与仿真分析相结合的研究方法，研究沥青路面温度场分布规律，为提供沥青路面的有效压实时间提供可靠的依据。

温度场；仿真；压实时间

目前，我国高速公路里程已突破11万公里，而且国家还在不断地加大对高速公路的投资，未来将有更多高速公路需要建设[1]。在高速公路的实际施工过程中，压路机初压温度过高会出现拥包等病害，压路机终压温度低还会对路面产生较大的病害[2]，易出现难以消除的轮迹线，如导致路面不平整，甚至出现严重的负面效应。本文主要结合京港澳高速公路石安段上面层SMA-13进行温度场的研究，通过实测数据和利用Abaqus软件进行仿真模拟，研究大气温度、摊铺温度、风速对SMA-13温度场分布的影响[3]。通过了解SMA-13温度场的分布变化规律，合理地布置压路机的施工工艺，用以提高压路机作业效率和路面的施工质量。

1 实测沥青路面温度场的方案设计

本研究主要针对京港澳高速公路石安段XJ6标（桩号K301+100-k301+900）上面层SMA-13试验段进行温度数据采集，试验当日气温20℃，摊铺初始温度170℃，风速1.5 m/s，机器设备运转正常，其试验段路面结构如图1所示

图1 路面结构模型

1.1 温度传感器的选择和布置

对上面层SMA-13路面温度场的研究，在节约成本的情况下，不破坏路面而影响正常施工，上面层顶部采用红外温度计，上面层中部（距顶部2 cm处）采用温度传感器为探针式温度计，上面层底部（距顶部4 cm处）同样采用探针式温度计，通过探针感应温度的变化，及时记录温度数值，并在试验路段范围内每隔20 m记录一次读数。如图2所示为压力温度计的布置方式。

图2 所示为探针温度计的布置

1.2 摊铺温度场数据的采集及分析

大量的研究数据及经验表明，SMA-13沥青路面碾压温度在90~155℃比较合理，因此，只有掌握沥青路面的温度分布，才能合理安排压实时间。本次试验每3 min采集一次数据，当表面温度低于90℃时，停止数据的采集，之后的数据对研究无效，为保证试验数据的真实性，采用多人、多点进行数据的采集与记录，整理结果如图3所示。

图3 实测温度随时间变化曲线图

图中曲线表明沥青路面温度场的温度随时间的变化规律，通过观察比较，得出：（1）在前6 min内，上面层底部温度下降最快，上面层顶部温度次之，上面层中部处温度下降最慢，主要因为上面层底部温度较低，温度高的沥青混合料接触到温度低的中面层，通过热传导的方式将热量传递到中面层及以下结构，上面层顶部温度由于空气对流和辐射的影响，同时也受到压路机碾压时喷洒水分的影响，温度下降速度也较快，而上面层中部由于周围均是高温沥青混合料，所以其温度下降较为缓慢；（2）在约10 min后，上面层各层次的温度下降速度均降低，主要是由于上面层顶部在放热过程中，空气被加热，形成一个热的空气保护层，减缓了热对流的速度，上面层底部由于源源不断地向温度逐渐升高中面层传递热量，故其温度下降速度也在降低，上面层中部则在缓慢地朝向温度低方向传热；（3）在经过压路机碾压以及传热过程，上面层沥青混合料周围的温度场逐渐趋于平衡。在40 min左右，上面层底部的温度超过上面层顶部的温度，主要由于上面层顶部在不断地和空气产生热对流，其对流速度高于底部热传导速度，直至终压结束后，沥青路面温度场逐渐冷却到与大气相平衡的温度。

2 仿真分析沥青路面温度场

根据图1，利用Abaqus有限元分析软件[4]建立与实际施工相符合的有限元模型，施加与实际施工过程中相同的边界条件，仿真出沥青路面温度场的变化。

2.1 有限元模型的建立

把路面结构看成多层弹性层状体系[5]，假定路面结构各层是均匀连续状态，各层之间紧密接触，同时忽略道路内部结构热阻和热源的存在，分析的设定时间与实测相同，边界条件的施加同实测时的外界条件相同，并通过改变一定边界条件仿真出温度场的变化，模型如图4所示。

图4 有限元模型网格的划分

2.2 有限元模型的分析

通过对上述条件下有限元模型的分析，得出上面层顶部，上面中部，上面层底部的温度下降曲线如图5以及39 min时的温度云图如图6所示。

图5 温度随时间的变化曲线

图6 沥青路面39min时的温度云图

通过观察比较三点的温度变化以及与实测温度场的变化比较，可得出如下结论：（1）有限元分析路面温度场的变化趋势与实测时温度场的变化趋势大体相同，不同处在于，有限元分析上面层顶部处的温度下降速度一直低于上面层底部处的速度变化，主要由于在设置边界条件时未考虑到压路机有喷洒水的过程以及空气形成一个短暂的热流保护层；（2）有限元分析路面温度场比实测路面温度场在同一时刻、相同位置的温度要高出6~8℃左右，主要由于施加边界条件时未考虑环境的变化、混合料的性质等差异；（3）从云图中可以看出，在39 min时上面层的温度仅影响到路面中面层和下面层，并未影响到路基。

3 结束语

（1）通过实测分析和仿真模拟，在正常的施工条件下，初压时间在3 min后进行碾压，终压在摊铺后35 min后结束，才能够保证有效地压实，为保证京港澳高速公路石安段上面层大面积施工提供了可靠地保证。

（2）利用Abaqus有限元分析可知，沥青路面温度场受混合料的摊铺温度影响最大，同时受气温和风速的影响也比较显著。

（3）实测分析过程中，合理的方案设计对试验的成功十分关键，本方案通过多次验证后才得以实施成功；仿真分析的变化趋势接近于实测的变化趋势，有一定的规律关联性，但也能为施工提供较为可靠地依据。

[1]韩韶清.路面平整度快速检测车的研究与设计[D].西安：长安大学，2015.

[2]JTG F40－2004，公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[3]胡小圆.沥青路面温度场的测试与分析[D].西安：长安大学，2011.

[4]庄茁，廖剑晖.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M]．北京:清华大学出版社，2009．

[5]孙立军，秦健.沥青路面温度场的预估模型[J].同济大学学报（自然科学版），2006，34（4）：80-84.

SMA-13 Asphalt Pavement Temperature Field Analysis and Research

SONG Le1，XU Biao2，ZHANG Feng2
（1.Sichuan Province Highway Co.，Ltd.，Guangyuan Sichuan 628000，China；2.Changan University，Xian Shaanxi 710064，China）

Through the research on the real-time distribution of hong kong and macao expressway section shi an upper layer SMA-13 test section of asphalt pavement paving temperature field，the analysis of actual measurement and simulation by combining the distribution of asphalt pavement temperature field，provide a reliable basis for effective compaction of asphalt pavement with time.

temperature field；simulation；compaction time

U416.217

：A

：1672-545X（2017）01-0128-02

2016-10-13

宋乐（1984-），男，四川成都人，副处长，硕士研究生，研究方向：工程信息；许彪（1989-），男，安徽萧县人，技术员，硕士研究生，研究方向：施工作业质量控制；张锋（1987-），男，陕西西安人，技术员，硕士研究生研究方向：施工作业质量控制。