基于RIOHTrack足尺环道的倒装式路面内部温度场分析

摘要 文章基于RIOHTrack足尺环道路面内部温度实测数据，对倒装式路面与普通半刚性路面的结构内部温度分布进行研究。结果表明：路面结构内部温度的年变化与日变化在外界温度影响下，具有明显周期性波动现象，路面下部温度变化较上部滞后，大气温度对结构内部温度的影响深度约为0.64 m。受级配碎石影响，倒装式路面和厚沥青层半刚性路面内部温度存在差异，高温季节时前者结构上部温度更高，低温季节则相反。

关键词 倒装式路面；半刚性路面；RIOHTrack环道；温度场分析

中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0097-03

0 引言

近年来，为了减缓半刚性沥青路面反射裂缝的产生，倒装式路面结构被提出并运用，倒装式结构是在沥青面层与半刚性基层间加铺一层柔性材料，通常是级配碎石或沥青稳定碎石混合料，以此作为应力消散层，缓解半刚性基层裂缝产生后出现的应力集中现象，从而减少沥青面层反射裂缝的出现，倒装式路面结构既有着半刚性基层承载能力强的优点，又在很大程度上避免了反射裂缝问题[1]。温度是影响沥青路面服役性能和内部力学响应的重要因素，因此，国内对沥青路面温度场已有相关研究，并取得了一定成果[2，3]。但与此同时，现有研究以半刚性基层沥青路面为主，倒装式路面中设置的过渡层级配碎石对于路面结构内部温度场的影响尚缺少深入探究。该文基于RIOHTrack足尺环道的实测路面结构内部温度数据，对沥青路面的内部温度场开展分析，并对倒装式路面与普通半刚性路面的温度分布差异进行探究，研究成果以期为相关工程提供参考。

1 试验条件与路面内部温度观测方法

1.1 试验设施

该文主要研究工作依托交通运输部公路科学研究院足尺路面试验环道（Research Institute of Highway Ministry of Transport Track，英文缩写为RIOHTrack，中文简称为足尺环道）而开展，它是我国道路工程领域第一条足尺环道[4]。为了研究路面服役性能和实际响应，RIOHTrack路面结构内部共埋设有7大类、2 000余组传感器，包括沥青应变计、混凝土应变计、压力计、温度传感器、湿度传感器、多点位移计等，以及用于观测自然环境变化的小型气象站。该试验选取足尺环道中倒装式路面结构（STR12）与半刚性基层路面结构（STR13）进行观测。两种路面结构形式如图1所示。

STR12由一层厚度为20 cm的水泥稳定土（CS）底基层、一层厚度为20 cm的水泥稳定碎石（CBG）基层、一层厚度20 cm的级配碎石层（GB）、一层厚度为12 cm的AC-25沥青混凝土下面层、一层厚度为8 cm的AC-20沥青混凝土中面层以及一层厚度为4 cm的AC-13沥青混凝土上面层组成；STR13的基层为两层厚度共计40 cm的水泥稳定碎石（CBG），底基层和面层与STR12相同，两路面结构总厚度均为84 cm。

1.2 温度观测

RIOHTrack小型气象站前端仪器选用锦州阳光气象科技有限公司的PC-4小型气象站，包括温度传感器、湿度传感器、光强传感器、风速风向传感器、雨量计、大气压力传感器六要素，数据采集器采用dataTaker DT80气象数据采集器。路面结构内部温度传感器采用锦州精微仪表有限公司生产的PT100铂电阻温度传感器，测量范围：-50～100℃，分辨率为0.1℃。

2 路面结构内部温度分布规律

2.1 结构内部温度年变化规律

为研究沥青路面结构内部温度年变化规律，以足尺环道STR12在2017年11月至2018年11月的路面结构内部温度变化曲线为基础展开分析。图2展示了足尺环道STR12内部日平均温度随时间变化曲线。

可以看到，该路面结构一年内结构内部温度随季节变化整体趋势一样，以年为周期变化；其中接近路表的层位温度受空气温度的日变化影响较大，呈条带状，曲线起伏明显，而远离路表的层位温度曲线则相对平滑。将深度为0～0.64 m的路面结构层定义为路面的上部结构，深度大于0.64 m的路面结构层定义为路面的下部结构。夏季时空气温度高，土基温度低，路面从上至下传热，上部结构温度高于下部结构；冬季时空气温度低，土基温度高，路面从下至上传热，上部结构温度低于下部结构，从图中可以看到，在3月和9月时，上下部结构温度达到交叉点，此时大气温度处于由低变高和由高变低的过渡阶段，路面结构内部的温度也相对紊乱。值得注意的是，虽然各结构层内部温度整体变化趋势一致，但随深度增加，结构内部温度的变化也存在滞后性，深度2.5 m处在夏季晚于1.5 m深处达到温度最高点，在冬季则晚于1.5 m深处达到温度最低点。

2.2 结构内部温度日变化规律

选取STR12路面结构内部某日（2018年7月1日）的24 h温度变化实测数据对路面结构内部温度的日变化规律展开分析，两天的日温度变化曲线如图3所示。

从图3中可以看到，路面上部结构中的四个层位（h=4 cm、12 cm、24 cm、44 cm）所处位置的日温度变化曲线均以一天为周期进行波动，其中越靠近道路表面，其受大气温度的影响越大，温度波动的幅度就越大，进而导致结构内部最高温与最低温出现的时间点也随深度的改变而产生变化，深度越大，受大气温度的影响越小，最高温与最低温出现的时间点越晚。从图3中还可以看到，当hgt;64 cm时，结构内部温度在一天内不再波动，其温度日变化曲线近似为一条直线，此时大气温度对结构内部温度影响极小。由此可见，64 cm是外部环境与大地内部温度对路面结构内部温度产生作用的临界深度，在此深度以下，路面结构内部温度不受大气温度日变化的影响。日变化分布与年变化分布一样可以看出路面结构内部温度随深度增长出现滞后性，路面内部深处的结构层日最高温度出现时刻明显滞后于接近路表的结构层日最高温度出现时刻，深度越深滞后时间越长。

2.3 倒装结构温度分布差异

为研究倒装式路面与等厚沥青混凝土层半刚性基层路面的温度分布差异，针对高温与低温两种状态，分别选取2018年8月和2018年1月期间STR12、STR13在h=44 cm深度的结构内部温度数据进行对比分析，如图4（a）、图4（b）所示，图中温度为该日的日平均温度值。

图4（a）对比了h=44 cm深度位置处STR12与STR13在高温状态下的结构内部温度，可以看到，STR12内部温度大于STR13，究其原因，STR12的级配碎石层设置在0.24～0.44 cm深处，相较于半刚性材料，级配碎石良好的热传导性质使得其外界热量更容易传递到路面结构内部，因而高温时，STR12的结构内部温度高于STR13。

图4（b）中显示，在冬季低温时STR12的结构内部温度低于STR13，这与高温状态下相反，这是因为温度较低时，倒装式路面受大气温度影响更大，其结构内部温度与外界温度更接近，因而温度相较于等厚沥青混凝土层半刚性基层路面更低。

对两种状态下，STR12和STR13在各个深度结构内部日平均温度的最大最小值进行统计，结果见表1。从表中可以看到，在h=12 cm、24 cm、44 cm、64 cm深处，STR12和STR13的日平均最高温度分别相差0.59℃、0.67℃、0.79℃、1.15℃，日平均最低温度分别相差0.38℃、0.51℃、0.68℃、1.06℃。整体上来看，高温时倒装式路面上部结构内部温度高于普通半刚性路面，低温时则相反，且随着深度增大，两者的温度差也逐渐增大，这体现了级配碎石层带来的温度差异性，在沥青面层，两结构受外界温度影响一致，温度比较接近。当hgt;44 cm时，级配碎石层的良好导热性使得夏季时外界热量更多地传导进入结构内部，两结构内部出现明显温度差。

3 结论

在道路工程中，存在着倒装式路面的温度场研究不够充足且实测温度数据较少的问题。针对该问题，该研究通过RIOHTrack中倒装式路面与半刚性路面两种结构的实测温度数据开展分析，探究了倒装式路面内部的温度分布规律。研究表明：

（1）路面结构内部温度一年内随季节发生变化，其中接近路表的层位温度受空气温度的日变化影响较大，呈条带状，曲线起伏明显，而远离路表的层位温度曲线则相对平滑。夏季时上部结构温度高于下部结构，冬季时上部结构温度低于下部结构，在春秋两季，上下部结构温度达到交叉点，此时大气温度处于由低变高和由高变低的过渡阶段，路面结构内部的温度也相对紊乱。

（2）外界气候对沥青路面结构内部日温度变化的影响深度在64 cm左右，随着深度增大，结构内部温度变化表现为一定的滞后性，外界气温升高或降低时，下部结构温度变化的时刻比上部结构靠后。

（3）级配碎石层的存在使得倒装式路面和普通半刚性路面结构内部温度分布存在差异，夏季高温状态下，倒装式路面上部结构内部温度高于普通半刚性路面；冬季低温状态下，倒装式路面上部结构内部温度低于普通半刚性路面。且在路表至0.44 m深度区间，随着深度增大，两结构间的温度差也逐渐增大。

参考文献

[1]金江.半刚性基层沥青路面的倒装结构综述[J]. 北京工业大学学报， 2003（4）：465-467.

[2]康海贵，郑元勋，蔡迎春，等.实测沥青路面温度场分布规律的回归分析[J].中国公路学报， 2007（6）：13-18.

[3]陈嘉祺，罗苏平，李亮，等.沥青路面温度场分布规律与理论经验预估模型[J].中南大学学报（自然科学版）， 2013（4）：1647-1656.

[4]王旭东.足尺路面试验环道路面结构与材料设计[J].公路交通科技， 2017（6）：30-37.