水泥混凝土路面结构温度分布规律研究

水泥混凝土路面结构温度分布规律研究

黄可心

重庆交通大学 土木工程学院，重庆  400041

摘要：在路面结构为22cm水泥混凝土板+20cm级配碎石+土基的水泥混凝土路面板内埋设温度传感器，并对不同深度处路面温度进行测试，并根据实测数据研究了水泥混凝土路面的温度分布规律。研究结果表明：随着纵向深度的增加，各结构层温度日变化幅度逐渐减小，且变化存在滞后现象。

关  键  词：水泥混凝土路面；路面温度场；温度应力；纵向深度

1  引言

在水泥混凝土路面服役的过程中，主要受到车辆行车荷载以及环境温度荷载的反复作用，车辆超重超载，在很大程度上加速了路面的疲劳，致使路面病害的出现，这是水泥混凝土路面破坏的主要原因，但与此同时，由环境所引起的反复温度荷载，也致使路面产生温度疲劳，在一定程度上加速了路面结构的破坏在混凝土路面疲劳破坏的过程中，温度荷载在该过程中的作用尚不明确。因此，对水泥混凝土路面温度状况进行研究十分有必要。

国内对水泥混凝土路面结构温度场的研究较多，严作人根据传热学原理，推导出气候条件下路面温度场的解析解。吴小军通过对柔性基层、半刚性基层以及沥青功能层三种不同基层类型水泥混凝土路面结构温度场以及温度应力的研究。随着计算机技术的发展，目前多采用有限元数值模拟的方法进行沥青路面结构温度场分析；杨昌锐基于热力学原理，采用有限元方法建立了基于气象资料的路面温度场及温度应力计算模型；同时开展现场试验，对上海地区夏季高温天气下的水泥路面温度进行测试，验证计算模型的准确性。闵斌等水泥混凝土路面温度梯度特性的研究对其应力分析和道路设计具有重要意义。在国内外研究成果的基础上，基于传热学理论，优化边界条件，建立了水泥混凝土路面温度梯度计算模型，并对模型进行了验证。以哈尔滨气象数据为例，利用经过验证的温度梯度计算模型计算了不同板厚和混凝土密度条件下温度梯度时程曲线，并对结果进行了分析。

本文以重庆市某水泥混凝土路面为例，并分析夏季条件下其纵向温度变化规律，为西南地区水泥混凝土路面结构设计提供参考借鉴。

2 路面结构温度梯度特征

路面结构长期暴露于外界自然中，经历着太阳辐射、气温、风速、雨水等外界因素的作用，导致路面结构内部温度变化情况十分复杂。由于路面材料的热胀冷缩性质，路表和内部的温度变化对材料和结构使用耐久性有重要影响。水泥混凝土路面热传导性能较差,在气温和太阳辐射作用下,表面温度迅速上升或下降,但内部温度变化缓慢,会在路面厚度方向形成温度梯度。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。是描述温度在特定的区域环境内最迅速的变化会向何方向，以及是何种速率的物理量。

各种外界环境因素对水泥混凝土路面温度梯度的影响过程如图所示。影响路面温度梯度的水泥混凝土主要因素包括:外界气温、太阳直接辐射、散射辐射、地面辐射、大气逆辐射、风速、对流热交换、云量和雨雪等，路面温度场的分布与路面结构的内部物理性质也直接相关，如路面结构各层材料的导热系数与导温系数、材料对太阳辐射的吸收率、路表热交换系数等。

图1环境因素对水泥混凝土路面温度场的影响

在某一瞬间，路面结构中由温度相同的点构成等温面，沿等温面法线方向的温度变化率最大，称之为温度梯度，正温度梯度表示随着深度增加，温度降低；负温度梯度表示随着深度增加，温度升高。研究发现绝大多数时段，温度沿板厚呈非线形分布，越靠近路表面，温度梯度变异越大，整体从上到下是先陡后缓的分布情况，随着深度增加，温度梯度的波幅越来越小。

《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40-2011)在计算面板温度梯度时，将温度沿板厚的分布视为线性分布，并推荐了各地区最大的温度梯度值。温度梯度的计算公式如下：

温度梯度是一个向量，方向与该点等温面法线方向一致，指向温度升高的方向，其模等于温度场在该点的导数，记作：

式中：—某点等温面法线方向的单位向量；

—某点等温面法线方向的温度变化率。

图2 水泥混凝土路面各个深度间温度梯度

由上图可知，各个深度间的温度梯度的变化都呈现先增大后降低的趋势，但2cm和5cm之间的温度梯度随时间变化的曲线在14：00前起伏明显大于其他三条曲线。2cm和5cm之间的温度梯度在10：00前呈上升趋势，10：00之后成降低趋势且走势逐渐变缓；5cm和10cm之间、10cm和15cm之间的温度梯度在14：00之前呈上升趋势，14：00之后呈下降趋势；15cm和22cm之间额度温度梯度在16：00之前呈上升趋势，16：00之后呈下降趋势。且随着深度的不断增加，温度梯度的变化曲线逐渐变缓，以上表明距路表距离越近则受气温的影响越大。

4  结  语

（1）气温与辐射是影响道路温度场的最主要因素。路面结构温度随外界环境昼夜变化呈周期性变化，且随着深度增加，温度波动的幅度逐渐减小，波动滞后。距路表深度越小受气温变化影响速度越快。距路表深度越大滞后时间越久。

（2）不同时刻水泥混凝土路面温度随纵向距离的变化趋势基本一致，温度与温度变化幅度有所差别。各个时间段的温度随着纵向深度的增大，温度呈下降趋势；但在5:00这一时间点随着纵向深度的增加水泥混凝土路面的温度逐渐增加。

（3）且随着深度的不断增加，温度梯度的变化曲线逐渐变缓，表明距路表距离越近则受气温的影响越大。

参考文献(References)：

[1] 严作人. 层状路面体系的温度场分析 [J]. 同济大学学报, 1984（3）: 76 − 85.

[2] 吴小军.不同基层类型水泥混凝土路面温度场与温度应力分析[D].重庆交通大学,2020.

[3] 杨昌锐.极端高温天气水泥混凝土路面的温度及温度应力[J].筑路机械与施工机械化,2018,35(10):118-122.

[4] 闵斌.水泥混凝土路面温度梯度特性分析[J].北方交通,2015(12):80-82+86.

[5] 曾惠珍.水泥混凝土路面的温度梯度研究[J].四川理工学院学报(自然科学版),2015,28(05):62-68.