沥青路面结构温度变化规律数值模拟分析

丁文玲　王进

【摘    要】：为防止高温或低温极端环境下沥青路面开裂，对沥青路面结构温度变化规律进行数值模拟分析，建立沥青路面不同层级结构间的时间与空间坐标函数，测定沥青路面温度演变传导材料系数，得到路面不同层级结构中的综合热交换系数。分析五层式沥青路面结构在不同季节的数值模拟温度变化，得出：在月内温度变化中，越靠近地表的路面结构，温度变化趋势越接近外界环境温度；越远离地表，温度越稳定。在与实际温度测量结果的对比中，二者之间的差值为0.1～0.7 ℃，误差均不超过1 ℃。

【关键词】：沥青；路面；温度

【中图分类号】：U416.217【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）01-16-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.005

Numerical Simulation Analysis of Temperature Change Law of Asphalt

Pavement Structure

DING Wenling， WANG Jin

（China Construction Second Engineering Bureau Co. Ltd.， Shanghai 200000， China）

【Abstract】：In order to prevent the cracking of asphalt pavement in extreme environments such as high temperature or low temperature， the numerical simulation of the temperature evolution law of asphalt pavement structure is analyzed， establishing the time and space coordinate functions between the different hierarchical structures of the asphalt pavement， measuring the thermal conductivity material coefficient of the asphalt pavement temperature evolution to obtain the comprehensive heat exchange coefficient in the different hierarchical structures of the pavement. Through analyzing the numerical simulation temperature change results of the five-layer asphalt pavement structure， it can be concluded that： in the temperature change within a month， the closer the pavement structure is to the surface， the closer the temperature change trend is to the outside world， the farther away from the surface， the more stable the temperature. In the comparison with the actual temperature measurement results， the difference is 0.1～0.7 °C and the error range is within 1 °C.

【Key words】：asphalt； pavement； temperature

通常情況下，沥青路面会由于温度变化导致开裂。如果沥青路面在低温条件下应力收缩强度过高，就会出现低温开裂；当路面温度与下层温度差距较大时，会出现温度疲劳开裂；当较短时间内沥青路面温度变化较大时，会出现温缩反射开裂。为降低开裂概率，延长使用时间，保证车辆行驶的安全性与舒适性，需要对沥青路面的温度进行实时监测；但是温度传感器容易由于外部环境恶化导致损坏，这时候可以通过环境温度的变化以及数值模拟分析，得到沥青路面结构温度的变化规律[1]。本文通过数值分析法，建立热传导意义上的温度场理论模型，在极端高温、极端低温以及常温环境下的温度场变化趋势下，进行数值模拟分析，结合实际测量结果，判断数值回归模型的精度以及实用性。

1 温度演变规律数值模拟方法研究

1.1 沥青路面热传递节点分析

沥青路面一般有4～6层的结构，自然环境下温度通过路面依次向下传递。经典热力学通常将热量作为热传导、热对流以及热辐射的基本单位，各物质间的导体相互连接时，可以在不同的密实固体物质间产生温度变化，此时的温度遵循傅立叶定律

[ρrl=-δfThdtdx] （1）

式中：[ρrl]为外界环境下的热流密度；[δf]为沥青材料的导热系数；[Th]为自然环境温度；[dtdx]为温度函数在不同路面结构下的梯度方向变化值[2～3]。

不同层级间，路面结构随着与地表距离的增加，其导热系数会逐渐减弱，直至最下一层，路面的导热能力降至最低。见图1。

在温度场中，可以得到时间与空间的坐标函数

[Tf=fa，b，c，t] （2）

式中：[Tf]为温度场的坐标函数；[a]、[b]、[c]均为空间坐标；[t]为时间坐标[4]。

在节点内部温度随时间变化的同时，可以将温度场分割为两部分，分别是稳态温度场和非稳态温度场。此时三维的温度场一般拥有较大的宽度和长度，厚度较弱，因此可以将该导热机制转化为一个沿深度发散的热传导节点机制。

1.2 测定沥青路面材料热传导系数

材料是沥青路面结构温度变化过程中最重要的一个性能参数，可以决定路面导热能力的上下限。在图1所示的温度梯度变化中，导热系数通常与沥青路面厚度及给定的温度梯度有关，一般而言，导热能力最强的是纯金属，最差的是气体物质，而沥青这种典型非晶体的导热系数则一般取决于绝热性能，其测定函数为

[Tλ=Qpti] （3）

式中：[Tλ]为某结构层中沥青的导热系数；[Qp]为热量传递参数；[ti]为外界环境温度。

导热系数会随着导温系数与材料密度的比热容发生变化，在热流密度与固体速率越来越快的同时，其压实度、孔隙率、含水量等道路质量评价参数也会有较大的影响[5]。因此，可以在导热系数与材料湿度之间，增加一个与沥青导热性能有关的系数，作为非金属材料的性能参数。见表1。

根据表1，可以详细计算路面与不同结构表层的热交换系数。被空气包围的路面一般会发生两种相互独立的热交换，在辐射导致的热交换中，由于传导和对流的影响，可以令辐射部分的对流影响在一定范围内并得到综合热交换系数。

[Gb=Gf+Gk] （4）

式中：[Gb]为沥青路面各个结构总的热交换能量；[Gf]为单位温差下由接触面积部分得到的交换热量；[Gk]为未接触部分的交换热量。

一般情况下，热交换系数还没有较为准确的计算结果，在路表与最下层的路面结构之间，还存在若干可能影响热交换常数的参数；因此，只有在获取并测定沥青路面材料热传导系数之后，才能够得到温度变化规律的数值模拟结果。

1.3 建立温度变化数值分析模型

建模前，首先需要对路面结构的温度场进行若干假设：

1）各項同性体之间的结构均为均匀完整的模型；

2）在给定的材料导热系数之外，还存在层间温度与热流连续运动，作为热量交换的载体；

3）如果不将温度场的横向变化作为路面结构的温度传递方式，可以在给定的垂直方向进行温度的模拟与分析；

4）在给定的温度场热量参数外，还存在若干其他温度参数随着热量的变化而变化；

5）模型的变化周期一般为1个月。

建立沥青路面各层级结构的温度场模型，首先需要设定沥青路面的结构及沥青路面材料的物理特性，计算瞬态分析步频，将气温子程序调入对流交换机制中，在输入大气温度变化以及路面辐射模型后，划分单元结构，从而分析温度场的变化结果[6～7]。在路面的带状体系中，需要将土基水平方向与竖直方向作为一个无限的模型，利用有限元分析软件，可以模拟沥青路面的温度，选择一定的尺寸作为数值模拟的初始参数。在程序模块中，需要首先建立Part模块，将沥青路面的物理特性以及装配分析的步骤全部输入到模拟软件中，结合相互作用的荷载模块分别标记不同的路面示范结构层，在不同的装配模块中，将面层与基层的两个部件作为温度场计算增量值，在设定最大温度时，将路面与周边大气环境的热量交换机制作为单元结构的核心。在模型中，还需要设定沥青路面温度场的变化影响因素，以保证数值分析的准确性，该影响因素包括外部大气环境的温度、路面测量的初始温度、不同密度沥青路面的物理材料特性等。见图2。

2 数值模拟

2.1 工程数据获取

在温度场分析模型中，采用ABAQUS进行温度演变规律分析，设定初始的材料系数及模型内的初始温度场，直接给定外界的环境温度变化曲线，在大气温度下，得到最终的温度场。在单元格模式内，有限单元的属性名称需要设定为Coupled Temperature -Displ acement，将不同结构层的平面应力缩减到相应的单元内，形成一个较为稳定的温度状态。在改变面层与基层的接触状态后，实现温度场的变化模拟分析。

沥青是一种非常典型的黏弹塑性体，在自然环境下受温度影响非常大，过低或过高的温度均会导致沥青路面的力学特性发生变化，从而使路面的使用寿命以及安全性受到破坏。在对沥青路面结构的温度变化规律进行数值模拟分析时，首先需要获取非常丰富的温度场分布数据，现有的温度场数据获取方式，一般包括数值模拟、现场埋设传感器等，本文从这两方面分别进行数据拟合分析，从而保证数值模拟分析方法的准确性和有效性。以某市的主要公路线为重点研究对象，项目全场97 km，双向4车道，路宽为24.5 m。见图3。

路面共分为5个不同的层级。上面层为细粒式的改性沥青混合料，共4 cm厚，中面层和下面层为粗粒式的沥青混合料，分别为5、6 cm厚，基层与底基层均为碎石铺垫，共25 cm厚。

2.2 温度实测结果

为保证结果的准确性，分别将夏季高温期（7月）、冬季低温期（12月）及春秋常温期（4月）的温度变化结果作为本文温度实测的对象，将实际传感器分别埋设在5个层级后，可以直接得到不同温度场下的沥青路面温度变化结果。通过对温度实测数据的处理，可以得到不同层次的路面沥青结构中温度的变化结果。见图4。

沥青路面的5个结构中，越贴近地表，温度变化幅度越大；越远离地表，温度变化幅度越小且5个不同层次结构的温度变化与外界环境的温度变化趋势相同。

2.3 数值模拟结果精度分析

结合图4及本文设计的沥青路面结构温度演化规律数值模拟分析结果，可以得到数值模拟精度。见表2。

不同的季节及不同的路面深度下，温度模拟值与实测值的差均不超过1 ℃，可见本文数值模拟分析结果较为准确。

3 结语

本文设计了一种沥青路面结构温度的变化规律数值模拟分析方法，通过热量的传递及温度场的数值模拟，得到不同季节、不同路面结构中的温度计算值。结合温度传感器得到的温度测量值，可本文数值模拟分析方法准确性较高。

参考文献：

[1]李明尧，阮有力.沥青路面结构温度演变仿真模拟研究[J].合成材料老化与应用，2021，50（5）：41-44+72.

[2]张丽娟，骆亚军，陈晓生，等.旧水泥路面加铺沥青层结构温度场特性及数值模拟[J].公路交通科技，2019，36（5）：11-19.

[3]李婷婷，刘    洋.沥青混凝土道路温度主动控制实验与数值模拟研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2019，43（2）：226-230.

[5]马健萍.加铺薄层罩面的沥青路面结构层温度变化规律研究[J].公路，2020，65（11）：83-87.

[6]谌及时，唐启文.基于ABAQUS有限元软件的沥青路面温度场分布规律研究[J].黑龙江交通科技，2020，43（10）：36-37.

[7]付    军，刘智鸿，左雪娜，等.区域气候变化对沥青路面夏季温度效应的影响分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2020，39（2）：87-94.

收稿日期：2022-03-16

作者简介：丁文玲（1990 - ）， 女， 江苏徐州人， 工程师， 研究方向为土木工程。