实测沥青路面温度场分布规律研究

　文章编号:1671-2579(2015)01-0032-05实测沥青路面温度场分布规律研究孙强1,李进2,胡腾飞3,韩文扬1(1.高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南),山东济南　250031;2.安徽省高速公路控股集团有限公司;3.安徽水利水电职业技术学院)摘要:通过在实体工程中埋设温度传感器,以准确获得环境因素作用下的沥青路面温度场分布情况。根据大量的实测沥青路面温度场数据,对不同气温和气候条件下沥青路面温度场的分布规律进行了深入系统的分析和研究。对高温期温度场数据针对性分析后发现,路面温度与结构层深度之间具有良好的相关性并建立了相应的关系式,以此可预测结构层任何深度处的路面温度,为研究夏季高温条件下沥青路面的抗车辙性能提供了依据。关键词:沥青路面;温度场;分布规律;相关性分析收稿日期:2014-03-20基金项目:安徽省交通建设科技项目(编号:皖交科技2012296)作者简介:孙强,男,硕士,助理工程师.E-mail:[e-mail]　　沥青混合料作为一种典型的温度敏感性材料,其力学特性和路用性能随温度的变化而显著变化。夏季高温环境下,沥青混合料劲度模量降低,在荷载的重复作用下容易产生推挤和车辙等病害;而温度较低时,沥青混合料抵抗变形的能力显著降低,因此在冬季温度骤降或高低温的反复交替情况下,沥青路面往往产生温度收缩裂缝。此外,沥青路面的其他损坏形式,如疲劳裂缝、反射裂缝等,也直接或间接地与沥青路面温度的分布状况有关。准确地预测沥青路面温度场的分布状况,可以为道路设计人员提供最不利的环境参数,从而根据当地具体情况优化选择合适的沥青混合料,使路面结构在最不利的温度条件下仍具有足够的高温稳定性和低温抗裂性;另一方面,沥青路面温度场的分布与路面的承■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■[3]　Witczak,M.W.,D.Andrei,andW.N.Houston.GuideforMechanistic-EmpiricalDesignofNewandRe-habilitatedPavementStructures.AppendixDD-1:Re-silientModulusasFunctionofSoilMoisture-SummaryofPredictiveModels,June2000.[4]　Wen,H.,J.Warner,T.Edil,andG.Wang.Labora-toryComparisonofCrushedAggregateandRecycledPavementMaterialwithandwithoutHighCarbonFlyAsh,GeotechnicalandGeologicalEngineering,Vol.28,Number4,2010,28(4):405-411.[5]　MohamedH.M.,G.Nenad,andJ.P.Walter,Jr.Re-cycledAsphaltPavementasaBaseandSubbaseMaterial.TestingSoilMixedwithWasteorRecycledMaterials.ASTMPublication04-012750-38,Fredericksburg,VA,1997:42-53.[6]　Woosung.K.ResilientModulusofBaseCourseContai-ningRecycledAsphaltPavement.TransportationRe-searchRecord:JournaloftheTransportationResearchBoard,No.2005,TransportationResearchBoardoftheNationalAcademies,Washington,D.C.,2007:27-35.[7]　Attia,M.,M.Abdelrahman,andT.Alam.Investiga-tionofStrippinginMinnesotaClass7(RAP)andFull-DepthReclamationBaseMaterials.ReportNo.MN/RC2009-05,MinnesotaDepartmentofTransportation,St.Paul,MN,2009.[8]　Saeed,A.Performance-RelatedTestsofRecycledAg-gregatesforUseinUnboundPavementLayers.Finalre-porttoNationalCooperativeHighwayResearchPro-gram,ReportNo.598,Washington,D.C.,2008.[9]　Trzebiatowski,B.D.andC.H.Benson.SaturatedHy-draulicConductivityofCompactedRecycledAsphaltPavement[J].GeotechnicalTestingJournal,2005,28(5).[10]　Gupta,S.andA.Ranaivoson.HydraulicandMechani-calPropertiesofRecycledMaterials.ReportNo.MN/RC2009-32,MinnesotaDepartmentofTransporta-tion,St.Paul,MN,2009.23　中　外　公　路第35卷　第1期2015年2月2015-03-0517:13载能力和使用性能以及沥青材料的强度参数都有着内在和必然的联系,因此,深入了解沥青路面温度场的分布特性和变化规律,正确预测路面温度场的分布状况,对分析沥青路面各种损坏形式的产生机理和确定沥青路面的强度参数,具有重要的理论和现实意义。1　实测温度场方案设计大量实测数据的采集是深入了解沥青路面温度场分布特性和变化规律的前提,该文以安徽省京台高速公路合肥小西冲至方兴大道段改扩建工程为依托开展相关研究。1.1　温度传感器选择温度传感器用于测量路面结构内部不同深度的温度,以得到路面温度场。试验选用美国DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20芯片,温度测量范围为-55~+125℃,分辨率可达0.0625℃,精度0.5℃,该芯片功耗很低,可以实现长期自动监测。1.2　温度传感器布置为了获得沥青路面不同深度的温度场,沿路面结构设置7个温度传感器,可24h采集结构层不同深度的温度数据。7个温度传感器分别设置在道路表面、上面层中部、中面层中部、下面层中部、下面层底部、水泥稳定碎石基层中部和水泥稳定碎石基层底部(图1)。4cmSMA-136cmAC-206cmAC-2010cmLSPM-2536cm水泥稳定碎石道路表面深度2cm深度7cm深度13cm深度16cm深度44cm深度62cm图1　温度传感器埋设位置示意图2　温度场数据采集及分析数据采集时间从2013年2月3日至9月23日,温度传感器数据采集频率为48次/d,即每隔30min系统自动采集各测点的温度并保存在数据存储器中,总共采集了70000多组温度数据。在气象学中,将全年气温划分成高温期、低温期和常温期3个时期。高温期代表性季节为夏季,代表性月份为7、8月份;低温期代表季节为冬季,代表性月份为1、2月份;常温期代表性季节为春季和秋季,代表性月份为4、10月份。根据以上分析,研究将数据采集区间(2013年2月3日—2013年9月23日)划分为高温期、低温期和常温期,并选取2、4、8月份来分别表征低温期、常温期和高温期。2.1　高温期温度场分析沥青路面测试范围内最高温度出现在2013年8月15日14:30,选择该日为高温期特征天并以此分析高温期温度场。特征月与特征天的温度场数据分别如图2、3所示。距路表62cm20距路表44cm距路表16cm距路表13cm距路表7cm距路表2cm道路表面3040506070温度/℃08-0108-0508-0908-1308-1708-2108-2508-29日期/（月-日）图2　8月份沥青路面温度场变化曲线(2013年)时刻距路表62cm20距路表44cm距路表16cm距路表13cm距路表7cm距路表2cm道路表面3040506070温度/℃02：000：0006：0004：0010：0008：0014：0012：0018：0016：0022：0020：0024：00图3　8月15日沥青路面温度场变化曲线(2013年)从图2、3可知:在高温期代表月份,沥青路面温度场的主要变化规律为:1)温度曲线随昼夜气温及太阳辐射变化呈周期性波动,并围绕水稳基层温度曲线上下波动,且曲线分布重心位于基层温度曲线上方;2)结构层内不同深度处温度变化趋势基本相同,但温度变化幅度却大不相同;3)一天内的温度变化幅度与深度大小呈反比,距路表62cm的水稳基层底部最大温差只有0.77℃,而道路表面处最大温差却高达31.4℃;4)结构层极端最高温度为65.7℃,出现在道路表33　2015年第1期　孙强,等:实测沥青路面温度场分布规律研究　　面,此时距离路表2、7、13、16、44和62cm结构层内温度分别为63.5、56.8、49.6、47.1、40.7和40℃;5)8月份整个结构层最低温度大部分时间都超过35℃,这将对沥青混合料抗车辙性能形成严峻挑战。图3反映了高温期一天内结构层温度场的波动情况,主要变化规律为:1)不同深度处结构层温度受环境因素影响存在滞后性,表现为不同深度处最高温度出现的时刻不同,层位越深最高温度出现时刻越晚,道路表面最高温度出现在14:30,距路表16cm处出现在17:00;2)层位越深温度波动幅度越小,距路表44和62cm的水稳基层内日温度基本保持不变,温度曲线基本为平直线;3)温度曲线整体日波动十分明显,一天中路表最高温度出现在14:30左右,最低温度出现在06:00左右。在08:00左右整个结构层温度场达到平衡稳定状态,之后距路表越近温度升高越快,到18:00左右温度场再次达到平衡;4)在一天24h中,08:00至18:00和18:00至08:00两个时段内,温度场弯曲不同,在相同荷载作用下,结构层内部的应力状态也将差别较大;5)一天内结构层的温度交替现象与太阳的运行轨迹是一致的,早上太阳升起后在太阳辐射和气温上升的作用下,道路表面温度升高,随着时间推移热量逐渐由表面向下传递;下午太阳消失后外界环境温度降低,在热传导的作用下结构内部温度逐渐降低,而且越靠近道路表面热量散失越快。2.2　低温期温度场分析沥青路面测试范围内最低温度出现在2013年2月9日07:00,选择该日为低温期特征天并以此分析低温期温度场。特征月与特征天的温度场数据分别如图4、5所示。距路表62cm-5距路表44cm距路表16cm距路表13cm距路表7cm距路表2cm道路表面05102030温度/℃02-0302-07日期/（月-日）152502-1102-1502-1902-2302-27图4　2月份沥青路面温度场变化曲线(2013年)从图4、5可知:在低温期代表月份,沥青路面温度场的主要变化规律为:1)温度曲线随昼夜气温及太阳辐射变化呈周期性波动,并围绕水稳基层温度曲线上时刻距路表62cm距路表44cm距路表16cm距路表13cm距路表7cm距路表2cm道路表面温度/℃02：000：0006：0004：0010：0008：0014：0012：0018：0016：0022：0020：0024：00-50510201525图5　2月9日沥青路面温度场变化曲线(2013年)下波动;2)水稳基层温度随月份变化较小,随日基本保持不变;3)结构层极端最低温度为-1.8℃,出现在道路表面,此时距路表2、7、13、16、44和62