賀志良

（宣廣高速公路有限責(zé)任公司）

關(guān)于瀝青路面混凝土表層溫度應(yīng)力的探討

賀志良

（宣廣高速公路有限責(zé)任公司）

為分析各參數(shù)對(duì)耐久性瀝青路面混凝土基層溫度應(yīng)力的影響，分析了路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，計(jì)算混凝土基層的溫度應(yīng)力，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析。此外，利用均勻設(shè)計(jì)表安排參數(shù)組合求解混凝土基層溫度應(yīng)力，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行回歸，得出瀝青路面混凝土基層的溫度應(yīng)力實(shí)用計(jì)算公式，以指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

路面工程；耐久性瀝青路面；混凝土基層

引言

實(shí)踐證明，缺乏基層強(qiáng)度和衰減過(guò)快的主要原因是瀝青路面的早期破壞。瀝青路面的耐久性是指影響路面結(jié)構(gòu)耐久性內(nèi)部和外部的因素，在設(shè)計(jì)時(shí)期使用瀝青路面，不需要花很多錢修理和維護(hù)就可以滿足道路使用功能。瀝青路面的耐久性壽命的設(shè)計(jì)可以根據(jù)需求，如30年，50年甚至更長(zhǎng)的生命。減少瀝青路面的損壞，只要定期對(duì)路面銑和表面修補(bǔ)就可以確保功能的正常使用。因?yàn)闉r青路面的耐久性，瀝青路面可以制成如國(guó)外的一個(gè)完整深度，也可以使用貧混凝土、水泥混凝土或鋼筋混凝土剛性材料作為底物。由于相似性貧混凝土的力學(xué)性能和普通水泥混凝土基礎(chǔ)很相似，所以貧混凝土基礎(chǔ)課程和普通水泥混凝土基礎(chǔ)稱為混凝土基礎(chǔ)。

1 溫度應(yīng)力概述

溫度應(yīng)力，也被稱為熱應(yīng)力，通常認(rèn)為產(chǎn)生的原因有兩個(gè)：①結(jié)構(gòu)加熱或冷卻時(shí)，由于熱膨脹和收縮變形，如果變形受到一定的限制，如位移約束或相反的力，結(jié)構(gòu)中就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；②由于不同的材料和不均勻變形的形成（如不同的熱膨脹系數(shù)）。求熱應(yīng)力，有必要確定溫度場(chǎng)，還要確定位移、應(yīng)變、應(yīng)力場(chǎng)，解決步驟：①通過(guò)熱傳導(dǎo)方程和邊界條件（對(duì)于非穩(wěn)定溫度場(chǎng)必須初始條件）求溫度分布；②由熱彈性力學(xué)求位移和應(yīng)力。

路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與變溫速率和溫度梯度沿深度的變化有關(guān)。路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的差異前后不同時(shí)間溫度直接決定了溫度應(yīng)力的大小，表征溫度變化特征的大小是表面溫度的變化率，稱為溫度的變化率。溫度的變化率越大，此之前和之后的溫差大，因此溫度應(yīng)力也大，反之亦然。通常在一天內(nèi)路面結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的加熱和冷卻過(guò)程中，溫度變化速率將從正到負(fù)。路面溫度上升，當(dāng)溫度變化速率是正的，反之是負(fù)的，正變溫速率使路面有一個(gè)壓應(yīng)力，負(fù)變溫速率率使路面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)溫度變化速度是0，相應(yīng)時(shí)間路面溫度應(yīng)力為零。同時(shí)在路面不同深度的溫度差異稱為溫度梯度，一般當(dāng)上面溫度大于下面溫度時(shí)，稱為正溫度梯度，反之亦然稱為負(fù)溫度梯度。由于白天路面最高溫度和其下某一深處溫度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深夜路面最低溫度和其下某一深處溫度。因此最大的正溫度梯度一般比最大負(fù)溫度梯度絕對(duì)值大。

2 溫度梯度

在瀝青混凝土路面的水泥基地建設(shè)，溫度條件和表層變化。長(zhǎng)安大學(xué)使用溫度場(chǎng)的有限元方法求有瀝青加鋪層的混凝土面層的溫度場(chǎng)，瀝青層每增加4cm，混凝土表面的最大溫度梯度層降低約30%，最高表面溫度發(fā)生延遲1h后的結(jié)果。通過(guò)使用有限元方法在空間上求解，采用時(shí)間差分法獲得溫度場(chǎng)，和最大溫度梯度不同的自然分工建議值，結(jié)果為現(xiàn)行規(guī)范（由長(zhǎng)安大學(xué)。此外，結(jié)合混凝土強(qiáng)度和混凝土基礎(chǔ)瀝青路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、計(jì)算了混凝土基礎(chǔ)瀝青路面溫度梯度（見(jiàn)表1）。其中包括瀝青層的厚度是0～20cm，基礎(chǔ)厚度h2是22cm時(shí)，最大的自然分工溫度梯度變化范圍。在計(jì)算時(shí)采用瀝青層的太陽(yáng)輻射吸收率0.85，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0018；0.63的太陽(yáng)輻射吸收率，導(dǎo)熱系數(shù)為0.00312。

表1 不同自然區(qū)劃的最大溫度梯度推薦值表

當(dāng)基層厚度h2不等于22cm時(shí)，可按表2進(jìn)行修正。

3 路面結(jié)構(gòu)溫度狀況概述

在一年和一天，大氣的溫度是有周期性改變的，與大氣直接接觸的道路表面溫度也是有周期性改變的。調(diào)查結(jié)果顯示：路面溫度周期性起伏和大氣溫度的變化幾乎同時(shí)。由于地表吸收太陽(yáng)輻射熱量，路面溫度高；路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度在不同深度也會(huì)顯示周期性變化，但波動(dòng)的振幅隨深度的增加而減小，峰值也隨深度增加越來(lái)越多的延遲發(fā)生在路面溫度的狀況受內(nèi)部和外部因素影響。外部因素主要包括氣候條件，如太陽(yáng)輻射、陽(yáng)光和云層覆蓋），空氣溫度、風(fēng)速、降水、蒸發(fā)等。其中，太陽(yáng)輻射和空氣溫度是來(lái)確定表面溫度的主要因素。內(nèi)部因素是熱導(dǎo)率、熱容比熱和輻射熱量的吸收能力。

表2 不同h2的最大溫度梯度修正系數(shù)表

有兩種方法來(lái)估計(jì)路面結(jié)構(gòu)的溫度，包括統(tǒng)計(jì)方法和理論方法。所謂的統(tǒng)計(jì)方法是在路面結(jié)構(gòu)層不同深度嵌入式溫度測(cè)量元件，前提是在年度周期的連續(xù)觀察不同時(shí)間的溫度變化，并收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)（溫度和熱輻射），然后逐步回歸分析對(duì)路面溫度的觀測(cè)和氣象因素，建立表面溫度指數(shù)回歸方程，也稱為實(shí)證方法，適用于特定區(qū)域和路面，這并不一定適用于其它地區(qū)或路面結(jié)構(gòu)。理論法是基于氣象數(shù)據(jù)依據(jù)熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)來(lái)的。

4 瀝青加鋪層的溫度應(yīng)力分析

因?yàn)闉r青材料高溫敏感性（即在不同溫度下有不同的強(qiáng)度和軟化特征）在夏季高溫的作用下強(qiáng)度降低，如果不控制路面就會(huì)發(fā)生發(fā)軟泛油或推移剪裂破壞的問(wèn)題；冬天在低溫的條件下瀝青材料具有脆性，可能引起路面開(kāi)裂。

瀝青材料是一種典型的粘彈性材料，粘彈性性質(zhì)主要體現(xiàn)在以下方面：其力學(xué)特性和加載速率，速度越大，材料破壞的極限強(qiáng)度和剛度將增加，其力學(xué)性能對(duì)溫度非常敏感，溫度高，材料的物理特性變軟，強(qiáng)度和剛度退化，非常明顯的蠕變和松弛現(xiàn)象以及應(yīng)力硬化特征。由于其高溫敏感，溫度變化在瀝青混凝土路面產(chǎn)生溫度應(yīng)力，積累的一部分，另一部分會(huì)由于松弛效應(yīng)被釋放了。因此，工程學(xué)者使用流變學(xué)理論分析瀝青路面。

基于上述理論，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在瀝青路面溫度應(yīng)力的效果上做了很多工作。華中科技大學(xué)的羅輝等利用熱粘彈性性質(zhì)，對(duì)不同冷卻條件下的瀝青路面溫度應(yīng)力使用有限元程序進(jìn)行了響應(yīng)和分析，并研究了初始溫度，降溫幅度，表層厚度、基礎(chǔ)模量和溫度收縮系數(shù)對(duì)溫度應(yīng)力的影響，并得出結(jié)論：初始溫度和冷卻速度對(duì)瀝青路面溫度應(yīng)該有顯著影響；薄瀝青表層很容易出現(xiàn)反射裂縫，厚的瀝青表層可能從表面瀝青表層的基礎(chǔ)裂縫發(fā)展相應(yīng)的裂縫。同濟(jì)大學(xué)的錢國(guó)平等使用熱粘彈性力學(xué)理論和有限元方法，以廣義Maxwell模型模擬瀝青混合料的粘彈特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析得到增量型熱粘彈性本構(gòu)關(guān)系，對(duì)環(huán)境條件下瀝青路面的溫度應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算方法進(jìn)行了建立。

5 溫度應(yīng)力實(shí)用計(jì)算公式

為方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要研究混凝土基層溫度應(yīng)力的實(shí)用計(jì)算公式。為了確保溫度應(yīng)力的實(shí)用計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，必須進(jìn)行大量的計(jì)算?；貧w公式，考慮到面層厚度h1，基層厚度h2，基礎(chǔ)模量E2，地基模量E0和溫度梯度Tg5因素，選擇的因素水平見(jiàn)表3。同樣，為了減少計(jì)算的數(shù)量，而不是失去的表示結(jié)果的前提下，利用均勻設(shè)計(jì)表安排參數(shù)。根據(jù)U19*（197）和它的使用表，選擇3，4，5，6，7列計(jì)算設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

對(duì)表4所示的溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，采用二次多項(xiàng)式模型進(jìn)行公式回歸，并運(yùn)用篩選變量的回歸技術(shù)，回歸得出置信水平為0.05時(shí)混凝土板底的溫度應(yīng)力如式（1）所示。

式（1）表明，主要影響因素的主要壓力溫度的溫度梯度，基基體的模量和厚度，和正交設(shè)計(jì)找出的因素影響的大小相同。和正交設(shè)計(jì)基礎(chǔ)厚度效應(yīng)主要是由于溫度梯度值，因?yàn)橐粋€(gè)巨大的影響和實(shí)際使用是由于表層厚度和基層的厚度，基層的溫度梯度一般介于0.2～0.7℃·cm-1。

需要指出的是，混凝土基礎(chǔ)包括普通混凝土基礎(chǔ)和貧混凝土基礎(chǔ)和廣泛的模量、和實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中貧混凝土基礎(chǔ)和普通混凝土基底剪力聯(lián)合間距存在差異，不同模量對(duì)應(yīng)的有限元分析過(guò)程可以采用不同的模型尺寸，這是今后需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)瀝青路面溫度應(yīng)力分析，跟板塊結(jié)構(gòu)的水泥混凝土路面不同（主要研究在一定溫度梯度下水泥混凝土板翹曲和收縮應(yīng)力），這是主要研究溫度變化產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力，以及在此情況下是否路面開(kāi)裂和開(kāi)裂規(guī)律。

表3 因素水平表

表4 根據(jù)U19*（197）表安排參數(shù)組合

[1]崔鵬，孫立軍，胡曉.高等級(jí)公路長(zhǎng)壽命路面研究綜述[J].公路交通科技，2005（10）：14.

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U416.217

A

1004-7344（2016）20-0138-02

2016-7-3

賀志良（1990-），男，助理工程師，本科，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)工作。