【技术】沥青路面结构热传导理论及温度场日演化规律分析
摘要：路面结构在车辆荷载和外界环境作用下，其使用性能会不断衰减。为了进一步分析路面结构内部温度受外界环境的影响，本文研究了热传导理论，采用有限元软件模拟了路面温度场。研究发现，路面结构内部温度变化规律与气温变化规律具有一致性，随着路面深度增加，温度变化不明显，面层结构受温度影响最大。
关键词: 沥青路面结构，热传导理论，有限元，温度场
Heat conduction theory of asphalt pavement structure and evolutionary regularity of temperature field
Yu Shuyin
Nanyang Tongtu Highway Survey and Design Co. Ltd. HeNan NanYang 473000
Abstract：Asphalt pavement structure under vehicle loads and the external environment, its performance will decrease. In order to further understand the effect of internal temperature on pavement structure by external environment, this paper studied the heat conduction theory and the finite element software was adopted to simulate temperature field of the pavement structure. The results show that the pavement structure changes with the internal temperature and its change law was consistent with internal temperature. the change of subgrade temperature is not obvious and the pavement surface is greatly affected by temperature.
沥青路面暴露在大气环境中，长期经受自然环境和车辆荷载的反复作用，对路面材料和结构性能的影响非常明显，环境因素主要归结为温度和湿度的影响。温湿度的耦合作用会引起路面结构强度变化、变形开裂及车辙等病害的发生。路面开裂一直是困扰道路者的一种突出病害，特别是在北方寒冷地区，随着外界降温速率过快，导致面层由于应力松弛不足而开裂。因此，路面材料强度的变化会直接影响路面结构的安全性，而路面结构变形开裂则会影响到行车的安全性。温度周期性作用下路面材料强度变化，导致路面结构受力变化，受力变化会使路面结构的服役性能改变，然而沥青路面设计规范当中尚未考虑变温度对路面结构的影响，仅仅规定了15和20℃路面结构层的抗压模量，很难真实的反应使用过程中路面材料性能演化，在这一背景下研究路面结构温度场具有较为重要的理论意义，本文的研究重点是在所用沥青路面结构参数合理的前提下，进行沥青路面结构温度场的数值模拟。
路面温度场研究的目的在于指导路面设计，保证路面结构在不利的温度条件下具有足够的高温和低温稳定性。不同地区、不同材料的路面结构的不利温度是不同的，本文针对南阳冬季某一天低温气候环境的温度数据进行路面结构温度场模拟。
1 热传导的理论基础
1.1 温度场
温度场根据是否沿空间的三个方向变化，又可以分为一维热传导、二维热传导、三维热传导。
1.2 温度梯度
1.3 热流密度
在导热分析中，导热系数是一个很关键的材料热物性参数，表征了材料的导热能力，可以采用相应的试验进行测试，也可以只测定热流密度及物体内的温度分布，通过相应的计算公式求得导热系数。
2 热传导边界条件
式子中，B为路表的放热系数，单位W/m2 ·℃。
第三类边界条件是：假设已经进如路表的热流函数为
3 模型的建立
3.1道路结构参数的确定
道路为半空间带状多层弹性体系，设计中假设土基在水平方向和深度方向为无限大，土基以上为多层弹性体，深度方向有限，水平方向无限，本文利用有限元ABAQUS软件进行路面结构温度场数值模拟，参考文献本文选取的模型尺寸为，宽度6m，深度6m的二维道路结构模型，可以满足计算精度要求。路面面层结构由三层沥青混凝土组成（AC-13 、AC-16、AC-20），厚度分别为4cm、5cm、6cm，基层由20cm水泥稳定碎石组成，底基层由20cm石灰土组成。记录了历史上低温季节一天24h具有代表性的气温，如图1所示，太阳总辐射为10920 J/m2，风速1.9m/s，日最高气温-0.6℃，日最低气温-11.3℃。沥青路面各结构层材料的热物性参数见表1所示。
表1 沥青路面结构的材料热物性参数表
图1 气温日变化规律
3.2有限元模型的建立
模拟一个完整的路面结构温度场，需要建立Part模块、Property属性模块、Assembly模块、Step模块、Interaction模块、Load模块、Mesh模块和Job模块。Part模块主要用来定义路面结构的几何尺寸，包括路面结构长度、各结构层的厚度、定义计算点等。Property模块主要是用来定义各结构层的材料属性，包括材料的各项同性，力学参数和热物性参数指派给路面各结构层。Assembly作用是将不同的Part进行组装，形成实际的路面结构体。Step模块是设置分析步类型，确定计算时的增量值，定义瞬态和稳态分析步，本文把瞬态时间步设为24，增量步为1。Interaction模块主要是定义外界环境与路面表面的大气热换作用。Load模块是定义热荷载和边界条件。Mesh模块是划分网格，定义分析类型DC2D8。Job模块主要是提交作用且调入子程序，也可以进入结果可视化模块，建立的有限元模型如下图2所示。
图2 有限元模型
4 温度场分析
沥青路面结构内部的日温度场演化规律如图3所示，可以看出，随着外界气温周期性的变化路面结构内部温度也在变化，从4时到24时路面结构内部温度先上升后下降，温度梯度比较明显。有图4可以看出，路面结构内部温度变化也呈现周期性变化，变化趋势与外界环境温度一致，土基受外界环境温度敏感性较小，日变化几乎为0，温度成一条直线分布；而沥青本身属于温度敏感性材料，且暴露在大自然环境中，因此沥青面层容易受温度影响，在外界环境变化下沥青层表面呈现大幅度变化，最高气温-3.1℃，最低气温-10.8℃。
图3 路面结构温度场日演化规律
图4 沥青路面结构不同深度日演化规律
5小结
由热传导的基本理论出发，研究了热传导边界条件，沥青路面结构受外界环境的变化很明显，其温度变化趋势与外界环境一致，要想减少沥青路面结构的低温开裂或者高温车辙，必须严格要求路面材料的温度敏感性，为路面结构设计提出限制温度方面导致路面结构破坏的参数，根据不同地区设置不同的参数，减少沥青路面结构内部的温度梯度对路面结构受力的影响，提高路面的使用品质，延长道路使用寿命。
参考文献
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