沥青路面的高温蓄热能量及稳定性研究

沥青路面的高温蓄热能量及稳定性研究

杨九明

四川广巴高速公路有限责任公司四川成都610041

摘要：热能是沥青路面的基本能量。在夏季高温天气，沥青路面吸收并蓄积大量的热量，诱发路面的高温失稳。本文以高速公路现场连续实测的路面内部温度为基本数据，采用单位面积和单位体积2种计算单元，分别计算分析了沥青路面的热能及高温蓄热过程。结果表明，路面结构层的厚度是路面热能蓄积的首要参数；在连续升温的天气中，沥青路面处于净吸热状态，内部的热能呈波浪式上升；单位体积的热能蓄积能够描述路面的温度场及高温失稳状态，很好地表征了材料的基本物理力学性质。

关键词：道路工程；沥青路面；蓄热能量；热能计算；车辙稳定性

0引言

自然界中的所有物质都有一定的能量，能量的表现形式主要有动能、势能、内能、化学能等。显然，沥青路面静止于自然环境之中，不断地与大气进行热交换，可以认为它仅具有内能，且这种内能主要表现为热能[1]。同时，沥青路面的温度一般高于大气温度，特别是在夏季高温天气的中下午时段，会比大气温度高出20℃以上[2-4]，说明沥青路面尽管不断地吸热和放热，但总体上会有热能蓄积。热能的蓄积，必将对沥青路面的力学行为和技术性能产生重要影响[5-6]。

在夏季高温天气，由于热能的蓄积，使得沥青路面尤其是油面层的温度升高[1,7]，如果是连续高温天气，这种热能蓄积会更为显著，油面层的温度会达到45℃以上，并在行车荷载的作用下，导致油面层高温失稳，如车辙、拥包等粘塑性破坏[5-6]。特别是车辙，已成为国内外沥青路面的主要病害[8,10]，严重影响着道路的服务水平和行车安全，引起了研究人员的高度重视，并在形成机理和防治技术等方面开展了大量研究，但尚未从热能角度考察其高温车辙稳定性。

本文以高速公路现场连续实测的路面内部温度为基本数据[1,7]，结合热传导试验结果[9]，选取夏季连续高温天气时的路面温度数据和合适的材料热物性参数，应用热能分析法，计算了沥青路面各结构层单位面积和单位体积的热能，分析了沥青路面的高温蓄热过程和高温稳定性问题。并设定沥青软化点Trb=45℃为高温失稳的临界温度[1,10-11]，计算分析了沥青路面的临界热能、以及一年内车辙发生的月度分布情况[1]，为进一步优化车辙防治技术提供理论依据。

1沥青路面的蓄热

简单来讲，沥青路面在经过吸热和放热之后，会产生类似于蓄积的净吸收热量，这种现象称为沥青路面的蓄热[1]。沥青路面处于复杂的光热环境之中，投射到路面的太阳辐射和大气辐射，一部分被路面表面反射回去，余下部分被路面吸收转化为内能，使得沥青路面表面的温度最先升高，并沿深度方向逐渐向下传递。沥青路面在吸收辐射热量的同时，路表和路面底部都以不同的方式进行热量的交换，这样就形成了一个以沥青路面为中心的热量动态平衡系统[2-3]（图1），可用方程式表达为：

Q0+Qa=Qs+Qr+Qbp+Q（1）

式中：Q0—路面吸收的太阳辐射热量；

Qa—路面吸收的大气辐射热量；

Qs—路面辐射热量；

Qr—路表对流换热量；

Qbp—路面与路基交换热量；

Q—路面蓄积的热量。

显然，路面蓄热量Q=(Q0+Qa)-(Qs+Qr+Qbp)。当Q>0时，即为蓄热，路面内能（热能）增加。

图1沥青路面的动态热平衡示意图

应用能量法来研究沥青路面的热效应，温度场是最基本的数据。而与传统的温度场分析相比，热能分析具有这样3个特点：①考虑了热源、路面的热交换和热能变化；②考虑了任意结构层整体的热量变化，排除了温度场单点取值之困扰（不好描述某个或整个结构层）；③可以进行热能累积计算。

2路面的温度实测

本文以四川省广元至巴中高速公路为依托工程，施工过程中在路面各结构层之间埋设了温度传感器；运营过程中应用数据采集仪SZZX-MCU14对路面结构温度进行了全天候24h不间断采集（采集频率为1次/30min）。依托工程为双向四车道、沥青路面高速公路，课题研究分三个路段在超车道轮迹下的路面内布置了传感器，路面结构及温度传感器的埋设位置如图2所示。经过2年多的路面温度数据采集，建立了一个庞大的数据库，为科学研究提供数据支持[1,7]。

数据库包含了该路面一年四季的温度数据，但为了研究沥青路面的高温蓄热稳定性，本文选取了夏季高温天气的温度数据[1]。通过对2011年7～9月的温度数据筛选，发现路面在8月5～8日处于4天连续的高温状态，并在7日这一天表面层有最高值55℃。同时查阅四川省广元市的气象资料，2011年8月5～8日出现了高温天气，最高气温达到37℃。因此，论文研究选取这4天的温度数据进行计算分析，并提交路面各结构层的实测温度变化情况如图3所示。

图3路面各结构层的温度随时间变化图（2011.8.5～8）

3沥青路面的热能计算

本文以沥青路面各结构层的单位面积和单位体积为计算单元，取各结构层实测温度的平均值，计算单元体的热能，基本原理是：自然界中的所有物体在温度大于绝对零度K0（-273.15℃）时都具有内能，都能以电磁波的形式向外辐射能量，绝对零度是理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能[12]。

3.1基本计算方法

当物体的温度为T时，相对于绝对零度K0的温度改变量△T=T-K0，此时需要吸收或放出的热量（亦即内能）为Q，计算公式为：

4高温蓄热分析

以依托工程路面结构内部的实测温度为基本数据，用式（5）进行路面各结构层的热能计算，然后进行各结构层的组合分析，如：总体结构、油面层与基层、表中下面层分析。

论文把2011年8月5～8日作为路面处于夏季高温状态的代表时期，根据这4天的温度实测数据值（图3），并在表1中选取各结构层的热物性参数值，利用式（5），计算得到单位体积路面整体结构的累计热量变化（图5）和单位面积各个结构层的累计热量变化（图6）、以及单位体积各个结构层的累计热量变化（图7）。

利用这四天的路面温度数据，计算相应时刻各结构层的平均温度，将厚度参数和材料热物性参数一并代入式(6)，可以计算得到与时间相对应的单位面积的路面能量，如图4所示。

图5单位体积的油面层和基层能量变化曲线图

根据图5可以看出，在连续升温天气状态下，油面层和基层的能量都是波浪式增加的。油面层的能量变化曲线无论在波动幅度还是在能量值的大小都远大于基层，这说明：①沥青路面内部的热量交换主要发生于油面层；②对于热量的交换速度，面层中的热交换速度远大于基层，因此造成了面层温度的巨幅波动。

5蓄热稳定性分析

5.1沥青路面车辙的变温分析

沥青混合料的抗车辙性能随环境温度的升高不断下降，当沥青混合料温度超过某一温度（沥青软化点附近）时，在荷载的作用下，混合料具有了更强的流动性[7]。在本文中，将基质沥青的软化点定为45℃，改性沥青的软化点定为50℃。对于基质沥青混合料，当温度＞45℃时，塑性流动增加，结构层进入了易发生车辙的温度范围，因此以45℃作为基质沥青结构层车辙发展的临界温度。对于改性沥青路面结构层，定义其临界温度为50℃。根据实测的沥青路面温度数据，可以绘制出路面结构内部临界温度随时间和深度变化的趋势线，如图6和7所示。

图7上面层改性的沥青路面临界温度发展趋势图

在临界温度发展趋势线所围内部区域的温度高于结构层车辙发展的临界温度，在此区域内，沥青混合料的力学性能更多表现为粘塑性，在车辆荷载的作用下易发生不可恢复的永久变形，从而形成车辙，因此我们将此区域称为易发生车辙的车辙区。由图6和7可看出，沥青路面的上面层在使用改性沥青后，无论是车辙发生的时间还是发生区域都有大幅减小。

5.2沥青路面的高温失稳状态

目前在我国高等级公路的沥青路面结构中，改性沥青较多应用于上面层，中下面层一般采用基质沥青，应用改性技术后，路面的抗车辙能力大幅提高。在夏季，中面层内部能够达到很高的温度，在车辆荷载的作用下，会产生严重的车辙。中面层车辙所占比例远高于其他面层，约为路面总车辙的42%～54%，下面层占26%～40%，上面层占16%～26%[8]。在上面层改性后，中面层的高温不稳定状态很大程度上决定了整个沥青面层的状态。因此，将中面层的平均温度达到其软化点温度（45℃）的时刻定义为沥青面层达到高温状态的时刻。利用实测数据，根据沥青路面各结构层平均温度的计算方法，经计算，当中面层的平均温度为45℃时，上面层和下面层的平均温度分别为52℃和38℃，此时沥青面层具有的能量称为面层进入高温状态的临界能量。

根据式(6)，沥青面层的临界能量为：

图9各月份路面车辙发展时间示意图

由图9可以看出，沥青路面车辙发展时间随着月份的变化表现出十分明显的规律。对于四川广巴高速，其车辙的发展从4月份开始到9月份结束，但车辙发展时间主要集中于6、7、8三个月，这三个月的车辙发展时间月占总时间的91%。这段时间正好是夏季，平均气温高，日照辐射强，路面结构内部积蓄了大量的热量，路面较长时间处于高温不稳定状态。

6结语

（1）应用热能计算法，能够很好地描述沥青路面的热交换、热量积蓄，对进一步研究沥青路面的温度稳定性具有重要意义。

（2）通过单位体积（单位面积单位层厚）计算，沥青路面在夏季高温时，热交换、热能积蓄主要集中在油面层之中，变化量与幅度均远大于基层；基层的热能变化比较平稳、起伏不明显。

（3）对于高速公路的三层油面层结构，沥青路面的高温蓄热能量主要集中于中、下面层，高出表面层20％以上，再次证明在中、下面层发生车辙的权重大于表面层。

（4）沥青路面的车辙在春末、夏季、秋初较长时间内均会发生，但主要集中于6、7、8三个月的夏季高温，占全年时间总量的90%以上。

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