水泥混凝土路面结构层温度场研究

水泥混凝土路面结构层温度场研究

黎龙1

(1. 重庆交通大学土木工程学院，重庆  400041)

摘要：温度是土体中水分迁移的动力和水分发生相变的条件,分析路基中温度的分布和变化规律,有利于研究混凝土路面稳定性。在水泥混凝土路面不同深度处埋设传感器，本文通过埋置在水泥混凝土内深度不同的几组传感器对水泥混凝土路面温度分布规律进行分析。通过分析温度数据，我们可以得出结论：混凝土路面各深度结构层温度具有良好的相关性。

关键词：水泥混凝土路面，相关性分析，温度场

0  引言

在行车荷载作用下,水泥混凝土路面将会发生断裂、拱起、唧泥等破坏,直接影响道路的使用功能和寿命[1]。温度是土体中水分迁移的动力和水分发生相变的条件,分析路基中温度的分布和变化规律,是研究季节性冰冻地区水泥混凝土路面稳定性的基础。因此研究温度场的规律对于混凝土的使用和寿命有很大帮助。 陈延国提出的计算模式编制的计算程序可以针对各地具体的环境气候条件计算最不利气候条件下路面结构的温度分布及其与各因素的关系，预测路面在设计年限内路面温度场的极端情况,从而指导路面设计[2]。孙强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[3]。王丽选择了运营中典型的水泥混凝土路面,对其所处的温度场及其影响因素进行实际观测，通过对实测数据的处理、分析, 得出气温、辐射、风速、云量、雨量等为道路结构温度场的环境影响因素[4]。王骁帆依据“潭耒高速公路”的结构和相关气象数据用ABAQUS模拟了CRCP的高、低温季节温度场,并用实测温度对计算进行验证,分析了板厚、配筋位置和材料热力学性质对最大温差、温度梯度的影响,计算了最大温差的减小对纵向配筋的影响[5]。

1  实验背景

某水泥混凝土路面，其路面结构为：22cm水泥混凝土板+20cm级配碎石+土基。分别在水泥混凝土板内埋设温度传感器，并于2020年6月5日对不同深度处路面温度进行了测试。

表1水泥混凝土路面温度分布

Table 1 Temperature distribution of cement concrete pavement

2  温度场规律分析

在这里我们可以引入温度梯度这个概念。温度梯度(temperature gradient)是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。温度梯度又分为水平和垂直温度梯度。这里的实验是研究的垂直方向上的温度变化，因此我们研究路面不同深度处的温度变化可以从垂直温度梯度下手。在这里我们分别把在路面下2cm,5cm,10,cm,15cm,22cm处各看为一个温度梯度。

根据表1我们可以发现以下规律：随着埋置深度的增加早上的初始温度在增加。温度的峰值在降低，即可以发现随着埋置深度的增加，传感器的温度变化在减小。路面结构受大气温度的影响主要体现在路面面层,达到路面结构一定深度后,对路面结构的温度场的影响很小。

我们通过这次实验可以发现，不同温度梯度之间具有良好的相关性。那么我们可以通过这个规律建立公式或模型来计算不同深度处的结构层温度。

3  建立模型

有限元数值解析法是很好的理论分析方法,相比统计分析法(最典型的是Superpave温度场模型)，两大通用有限元软件ANSYS及ABAQUS都能较好地模拟路面温度场,计算出路面内部温度分布[6]。

借助合理的有限元软件模拟路面温度场分布,能更定性地认识环境荷载对路面温度场分布的贡献,以及路面内部温度传导规律,进而更合理地对路面温度场进行预估。

但由于荷载模型与实际有别,且计算模型相对理想,计算值与实测值存在差别。而基于弹性层状体系的沥青混凝土路面温度场模型具有较强的适应性,不受地区及路面结构类型的限制[7]，该方法相对是两种分析方法的折中办法。我们可以建立弹性层状体系的水泥混凝土路面温度场模型用来分析特殊地区的水泥路面温度场。有了这些模型，我们可以将它们应用不同的场合，现如今温度场的理论研究和预估研究比较多，但是由于实测耗费精力较大，实际测试的研究较少，一切的应用还是要有实测研究的基础上才能成立。因此，在建立好模型之后，需要有一定的实测研究来证明它的可行性。

4  温度场与温度梯度的应用

分析路基中温度的分布和变化规律,是研究季节性冰冻地区水泥混凝土路面稳定性的基础。通过温度场的角度去研究新型混凝土的温度应力的分析，从而可以研发抗裂性能更好，使用寿命更长的混凝土路面。例如橡胶混凝土，相比普通混凝土，它在温度应力的作用下具有更好的抗裂性能。早龄期混凝土由于水化热的原因使其温度应力很复杂。通过温度场和温度梯度的角度去研究早龄期混凝土的抗裂性，对混凝土路面服役期的寿命很有帮助。

5  结论

1.路面结构受大气温度的影响主要体现在路面面层,达到路面结构一定深度后,对路面结

构的温度场的影响很小。

2.混凝土路面各深度结构层温度具有良好的相关性，建立相应的关系式可以预测任何深度的路面温度。

3.影响路面结构层温度场的原因有大气温度，太阳辐射，风速，雨量，云量以及路面材料的特性。

4.通过对水泥混凝土温度场的研究，我们可以开发出更好的水泥混凝土以此更好的满足道路水泥混凝土路面的需求。

参考文献(References)：

[1] 毛雪松, 陆鹿, 格桑泽仁, et al. 水泥混凝土路面的路基温度场测试及数值模拟 [J]. 长安大学学报(自然科学版), 2011, 31(02): 1-5.

[2]陈廷国, 王宪年, 段红波. 水泥混凝土路面温度场研究 [J]. 公路, 2002, (06): 72-4.

[3]孙强, 李进, 胡腾飞, et al. 实测沥青路面温度场分布规律研究 [J]. 中外公路, 2015, 35(01): 32-6.

[4] 王丽. 道路结构温度场实测研究 [J]. 公路, 2003, (S1): 30-5.

[5] 王骁帆, 应正兵, 刘朝晖, et al. 温度场对连续配筋混凝土路面纵向配筋的影响 [J]. 公路交通科技, 2017, 34(04): 16-24+57.

[6] 谢来斌, 张倩, 李彦伟. 沥青混凝土路面温度场有限元模拟比较 [J]. 公路, 2013, (07): 38-42.

[7] 左兴, 蒋永祥. 基于弹性层状体系的沥青混凝土路面温度场模型分析 [J]. 公路, 2013, (06): 31-5.