（道路与铁道工程专业论文）排水性沥青路面降温性能及衰变规律研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展，公路里程也在不断增加，其中占据主要地位的沥青 公路在长期的使用过程中，出现了各种各样的病害，其中车辙为沥青路面的主 要病害。在长期的研究中发现，最常见类型的流动性车辙发生的部位主要在沥 青路面中面层，而目前维修这类车辙还没有更好的方法。本文通过导致流动性 车辙的最大因素温度入手，针对排水性沥青路面大空隙的特性，监测排水性沥 青路面和s m a 沥青路面中面层温度，观察两种路面中面层温度的差异，找到另 一种降低沥青路面车辙的方法。 本文依托上海浦东五洲大道和滨洲路两条排水性沥青道路，通过在现场进 行预埋传感器以及在不同季节对排水性沥青路面和s m a 路面进行连续温度监 测，得到两种路面中面层的温度数据，经过对数据不同角度的比较，总结出不 论在哪个季节，和s m a 路面相比排水性沥青路面对中面层有降温效果，而且气 温越高降温幅度越大，降温幅度最大值可达到2 5 。 由于排水性沥青路面降温的主要原因是其排水层的大空隙特性，而路面经 过长时间的使用，排水层的空隙率会不断降低，因此需建立空隙率一降温幅 度之间的关系。本文利用不同空隙率的车辙板来模拟空隙经衰变后的排水性沥 青路面，在室内进行小规模的模拟试验。通过夏季高温时段的连续监测，得到 在相同环境条件下不同空隙率的降温幅度数据，发现随着排水层空隙率的不断 降低，排水性沥青路面的降温效果也逐渐消失，当排水层空隙率衰减到8 左右 时，排水性沥青路面对中面层的降温效果几乎丧失。 为了能进一步了解连续空隙率的降温幅度，根据现场采集的温度数据与室 内模拟试验得到的温度数据进行整理，运用多元线性回归的数学手段，将排水 性沥青路面排水层空隙率与中面层降温幅度建立起关系式，为以后的研究打下 基础。 关键词：车辙，中面层，温度，排水性沥青路面，空隙率 a b s t r a c t t h em i l e so fh i g h w a yi s i n c r e a s i n gr a p i d l yw i t ht h en a t i o n a le c o n o m i c d e v e l o p m e n t h o w e m r , v a v r i o u st y p e so fd i s e a s e si n e v i t a b l y o c c u r ei n a s p h a l t p a v e m e n td u r i n gi t ss e r v i c et i m e ，a n dr u t t i n gi st h em a j o rt y p eo fa l lp a v e m e n t d i s e a s e s f l o a t i n gr u t t i n g ，t h em o s tc o m m o nk i n do fr u t t i n g ，m a i n l yo c c u r e $ i nt h e m i d - l a y e ro fa s p h a l tc 4 ) u r s ea n di sd i f f i c u l tt or e h a b i l i t a l ec u r r e n t l y c o n s i d e r i n gt h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o rt h a tc a u s e s f l o a t i n gr u t t i n g ，t h e a u t h o rm e a s u r e dt h e t e m p e r a t u r eo f b o t hp o r o u sa l p h a l tp a v e m e n t ( o g f c ) a n ds m a p a v e m e n tt of m d a n e w a p p r o a c ht or e d u c er u t t i n gi na s p h a l tp a v e m e n t b yc o m p a r i n gt h ec o n s e c u t i v et e m p e r a t u r ed a t am e s a r u c do l lt h et e s tr o a d s ， i n c l u d i n gw u z h o ur o a da n db i n z h o ur o a di np u d o n gd i s t r i c to fs h a n g h a i ，i t i n d i c a t e st h a tt h em i d - l a y e rt e m p e r a t u r eo fo g f ci sa l w a y sl o w e rt h a nt h a to fs m a e s p e c i a l l yi nt h eh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t , a n dt h el a r g e s td i f f e r e n c er e a c h e d2 5 d u r i n gt h et e s t s t h ev o i dr a t i od e t e r m i n i n gt h ed r a i n i n ge f f i c i e n c yw o u l dd e c r e a s eg r a d u a l l ya s t h eo g f cp a v e m e n ts t a r t si t ss e r v i c e ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ht h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o i dr a t i oo fo g f ca n d t h es c a l eo ft e m p e r a t u r er e d u c t i o n a l a r g en u m b e ro fr u t t i n gb o a r dt e s t sa r ci m p l e t m e n t e dt os i m u l a t et h es c a l eo f t e m p e r a t u r er e d u c t i o nd u et od i f f e r e n tv o i dr a t i o so fo g f c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s c a l eo ft e m p e r a t u r er e d u c t i o nd e c r e a s e sw i t ht h ev o i dr a t i o d r o p s ，a n dt h e p h e n o m e n o no ft e m p e r a t u r er e d u c t i o na l m o s tv a n i s h e sw h e nt h ev o i dr a t i oo fo g f c d r o p s t o8 f i n a l l y , b ya n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r ed a t ao b t a i n e df r o mi n - s i t um e a s u r e m e n t a n di n d o o rs i m u l a t i o nt e s t s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev o i dr a t i oo fo g f ca n dt h es c a l e o ft e m p e r a t u r er e d u c t i o ni se s t a b i s h e du s i n gm u l t i - l i n e a r i t yr e g r e s s i o nm e t h o d k e yw o r d s ：r u t t i n g ，m i d - l a y e r ，t e m p e r a t u r e ，o g f ca s p h a l tp a v e m e n t , v o i dr a t i o 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：孑鄹文 劫酩年弓月劫日 伽 r 月u 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：乎癌泼 切年弓月如日 第1 章前言 1 1 研究背景 第1 章前言 改革开放以来，中国经济发展迅速，带动经济发展的交通事业也在高速发 展。据国家统计局统计，截止至2 0 0 5 年底，我国共有公路1 9 3 万公里，其中高 速公路4 1 0 万公里，一级公路3 8 3 万公里，二级公路2 4 6 4 万公里。这些公 路中，沥青公路约占公路总数的8 0 i j ，占有主导地位。与其它类型路面相比， 沥青路面有很多优点，例如：有较好的弹性，可以适应车辆对地面的作用力； 与汽车轮胎有足够的摩擦力，从而减少汽车的滑动，尤其是在雨天，增加了汽 车雨天行驶的安全性。此外，沥青路面还有减震、不扬尘、易清洁、易维修等 优点。 但是随着沥青路面的使用，各种路面损害就逐渐显现出来。沉陷、车辙、 疲劳开裂、反射裂缝和低温开裂、松散和坑槽、泛油和推移等都是沥青路面所 面临的损坏。车辙等沥青路面的流动变形是国际上最常见的沥青路面损坏现象。 与开裂、水损坏相比，车辙的危害性最大，直接威胁交通安全。 据日本、美国等工业发达国家的资料显示，由车辙引起的路面损坏所占的 比例有越来越大的趋势。2 0 世纪7 0 年代由美国从s h t o 发起的、在各州所进 行的路面损坏调查表明，在州际公路和干线公路上，由于车辙所致的路面损坏 约占3 0 ，2 0 世纪8 0 年代，日本由于车辙所引起的路面损坏比例高达8 0 。 在我国的高等级公路和城市道路中，路面的车辙也日趋严重。在城市主干 道的交叉口路段和行车渠化严重的非交叉口路段，甚至连高速公路上的某些路 段，在开放交通不久便出现过量的车辙，并且在这些路段交通事故率明显上升， 严重降低了道路的服务性能。在高速公路及城市干线道路上，过量的车辙造成 了路面使用性能降低、维修期提前及维修费用大幅度的增加。据不完全统计， 在高等级公路维修原因中，车辙病害发生比率高达8 0 以上，可见问题的严重 性 2 1 1 3 1 1 4 1 i j o 目前，国内外将沥青路面的车辙普遍分为四种【5 】【6 】【已结构性车辙、流动性 车辙、磨损性车辙和固结性车辙。 第1 章前言 ( 1 ) 结构性车辙。由于荷载作用超过路面各层的强度，沥青面层以下包括 路基在内的各结构层产生永久性变形。这种车辙的宽度比较大，两侧没有隆起 现象，横断面成浅盆状的u 字型( 凹型) ； ( 2 ) 流动性车辙( 失稳性车辙) 。在高温条件下，车轮碾压的反复作用， 荷载产生的剪切应力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成。 这种车辙在荷载中心位置产生下凹变形，材料从荷载下压挤向车辙两侧，并向 上鼓起，对主要行驶双向车的断面，车辙断面成w 型； ( 3 ) 磨损性车辙。在冬季，面层受到带钉轮胎和带链轮胎的磨耗，而形成 的车辙； ( 4 ) 固结性车辙。由于路面在铺筑过程中压实不足引起的，或混合料设计 不好引起的，开放交通后，轮迹带下的面层受到继续压实，产生压密形变形成 车辙。这种车辙两侧没有隆起，只有下凹，成u 字型或成w 字型。 在我国，由于基层基本上是半刚性基层，强度及板体性好，基层及基层以 下的变形极小，除了某些基层施工不良的路段外，第一类结构性车辙很少发生， 而磨损性车辙在我国几乎没有，第四类车辙我国偶有发生，主要由于沥青层面 本身的压密造成的，属于非正常车辙。因此目前所见到的车辙基本上都属于第 二种类型流动性车辙。对于这种车辙，目前还没有有效的维修方法，唯一只有 将车辙部位铣刨后用新的混合料修补，或将原有材料再生改造以更换产生车辙 的层次。因此，找到一种有效合理的减轻车辙的办法是解决沥青路面车辙问题 的另一条途径。 1 2 研究意义 根据目前研究，沥青路面车辙的产生与温度关系密切【引。温度越高，沥青混 合料的劲度模量越低，抗车辙能力越小，这是最普通的常识。关于温度与沥青 混合料的劲度模量的关系有过大量的研究，最有名的当属于当初v a nd e r p o e l 的 劲度模量诺模图。 我国大量发生车辙的高速公路，最一致的特点是发生在夏季高温季节，有 时仅仅发生在最高气温的几天里，而低于某个温度，路面几乎不会发生流动变 形。因此美国s u p e r p a v e 的沥青结合料的p g 分级采用一年中最高的“七天最高 路面温度”作为高温的特征分级指标，它是指沥青路面表面下2 0 m m 深位置的 2 第1 章前言 混合料温度。在2 0 0 2 年n c a t 的环道试验的研究报告中，提出沥青路面的车辙 发生在七天最高空气温度高于2 8 的日子里。 据直观观察，气温低于3 0 一般不会有大的车辙，甚至气温低于3 5 ，即 路表温度低于5 5 c 的情况下，车辙能够限制在几毫米的范围内，而气温超过3 8 ，车辙就会很快增长，如果气温连续超过4 0 ，几天就会使路面发生严重的 车辙损坏，车辙的深度将以厘米级的速度发展。所以在某个地区，即使多少年 不发生大的车辙，一旦遭遇到几十年不遇的极端高温，即路表温度处于5 5 西5 的范围内，严重的车辙损坏恐怕就难以避免了。 我国大部分地区是全球同纬度地区夏季高温严重的地区，气温普遍在3 6 3 8 以上。许多高速公路的车辙都是在夏季最高温度的很短时间，甚至3 5 天 内产生的。经调查，车辙不仅在表面层、中面层，甚至影响到下面层。关于温 度和荷载对沥青路面车辙的影响有许多研究。 各种试验均表明：路表温度升高车辙增加速度快。对刚性路面的车辙，加 载试验也证明了这一点。这是因为沥青粘度的大小反映了沥青抵抗蠕变的能力。 当温度升高时沥青粘度变小，其抵抗蠕变的能力下降，在受到外力时很容易产 生永久间歇变形导致沥青混合料横向流动而产生车辙。有资料认为，在 4 0 6 0 范围内，沥青混合料的温度每上升5 c ，其变形将增加2 倍嗍。通过 室内试验【l o 】，可以定量的说明沥青混合料的不同温度条件下的车辙变形特性， 温度升高，混合料的变形速率加快，车辙程度增加( 见表1 1 ，图1 1 ) 。 表1 1 温度与车辙变形量的关系 时间变形量( 咖) ( m i n ) 6 0 5 0 4 5 4 0 3 0 2 0 1 0 12 2 71 6 8 1 4 6 1 2 10 4 7 0 3 80 2 3 53 7 42 7 72 3 11 9 60 8 90 6 2o 3 6 1 04 7 63 4 02 8 62 3 31 - 1 20 7 4o 4 2 1 55 5 33 8 23 2 02 5 51 2 70 8 20 4 5 3 07 2 l4 6 03 7 92 9 51 5 80 9 5o 5 0 4 58 4 44 9 94 2 63 2 11 7 91 0 40 5 4 6 09 4 85 3 04 4 63 41 - 9 51 1 00 5 6 如果将表1 1 绘制成曲线图，则能很好的表现出温度与车辙的关系。具体 见图1 1 。 3 第1 章前言 图1 1 混合料温度与车辙的关系 由图1 1 中可以直观地看出：沥青混合料的温度越高，车辙变形的斜率越 大，也就是说温度越高越容易发牛车辙，特别是当温度高于5 0 以后，其车辙 深度的变化明显加快。由此可以推出：当温度高于6 0 。c 时，沥青混合料的车辙 程度将大大增加，路面破坏的将更加严重。 同时，车辙损坏的维修也最为困难，因为车辙彳i 仅发生在表面，也经常危 及中下面层，这就是世界各国在防治沥青路面的损坏中，历来把防治车辙放在 第一位的原因p j 。 武汉理工大学的张厚记等人通过钻取行车道车轮处的芯样与停车道的芯样 进行厚度变化对比试验【l ，结果表明，车辙变形总厚度变化率2 0 ，大于其总 厚度的6 1 0 ，即大于1 5 m m ，属于失稳性车辙，上中下面层的车辙变化率为： 上面层变化率1 4 3 ，中面层变化率3 4 5 ，下面层变化率8 8 ，中面层厚度 变化率最大，说明车辙主要发牛在中面层。 钻孔取芯后，没有来得及将芯样坑涧填补，过了7 d 后，发现芯样坑洞的表 面层基本没有发生啃边等变化，而中间层被严重挤出变形，下面层没有变化， 这个奇特的现象正好证明了车辙主要发生在中面层，而且属于失稳性车辙。这 主要是由于高温条件下，剪切力超过沥青混合料的抗剪强度，导致沥青混合料 侧向流动变形，不断积累而成。 4 第1 章前言 张厚记等人通过失稳性车辙的理论分析发现与试验相当吻合：中面层厚度 变化率最大，芯样坑洞的中面层被挤出变形。美国文献介绍，通常面层表面下 5 e r a 1 0 e m 是产生车辙的主要区域，这一区域正好位于中面层。另外，s u p e r p a v e 认为：沥青路面内部温度比表面温度还高，沥青面层下2 c m 处是路面温度最高 的地方，因此中面层更容易发生车辙。 目前，国内对于车辙损坏的态度有两种：一种是病害产生之后的修补，以 避免车辙对车辆及驾驶员造成伤害；另一种是在材料上下功夫，即使用高粘性、 高强度的改性沥青，提高沥青混合料的抗剪强度，从而增强沥青混合料的抗车 辙能力。还没有人从路面的结构方面考虑如何使路面的温度降下来，以达到减 轻车辙病害的目的。 最近几年开始铺设一种新型的沥青路面排水性沥青路面。排水性沥青 路面除了具有透水性好、良好的降噪效果、抗滑性能好、安全性高、强度和耐 久性好之外，还具有降温性能，特别是对中面层的降温效果，效果比较明显。 1 3 国内外路面温度研究现状 1 、普通沥青路面温度国内外研究现状 ( 1 ) 国外研究现状1 1 2 j ： 多年以来，各国学者关于路面温度预估方法作了大量的研究。综合其研究 方法，大致可以分为两大类：一是基于气象学和传热学的基本原理，采用数值 或者解析方法建立沥青路面温度长的预估模型，称为理论分析法；二是以路面 温度的实测数据和气象资料为基础，采用回归方法建立路面温度场与各环境因 素之间的定量关系，称为统计分析法。 路面温度预估方法的研究经历了半个多世纪的发展，研究的内容日益丰富， 手段不断进步，针对性越来越强，研究成果在实践中也得到了越来越广泛的应 用。根据不同时期研究内容、手段和目的的不同，可以将国外对沥青路面温度 场的研究分为三个阶段： 第一阶段( 2 0 世纪5 0 年代至9 0 年代) 【1 3 】1 l 町 这一阶段的研究，总的来说不够系统和全面，目的性和针对性也不强，研 究内容主要集中在路面温度的分布状况和变化规律，但对于如何将其应用于实 5 第1 章前言 践却几乎没有涉及。由于实测数据数量有限，且代表性不高，多数研究者选择 理论分析法，基于一维热传导模型，通过有限差分等数值方法解析沥青路面温 度状况。仅有少数研究者使用回归分析方法预估路面温度状况。 第二阶段( 2 0 世纪9 0 年代) 1 9 h 2 5 】 2 0 世纪9 0 年代美国和加拿大学者的研究，是路面温度研究领域的一个里程 碑。美国和加拿大在北美各地进行了大规模的实测工作，收集了大量路面温度 实测数据，建立了庞大的路面温度和气象资料数据库，不仅为当时的研究工作 提供了充分的数据支持，也为以后的研究提供了有力的数据支持。由于有了充 分的数据支持，美国和加拿大几乎所有研究者都采用统计分析方法建立沥青路 面温度模型。与早期的研究相比，该阶段研究目的十分明确，针对性很强，即 确定沥青路面在其使用年限内可能经受的极端温度条件。研究成果应用于 s u p e r p a v e 设计方法，对路面结构设计产生了很大的影响。 第三阶段( 2 0 0 0 年至今) 2 6 - - 3 2 j 这一阶段的研究，受到了第二阶段的影响相当大，但是研究的内容更为广 泛。基于2 0 世纪9 0 年代美国和加拿大积累的大量路面温度实测数据和气象资 料，各国学者在建立应用于弯沉修正及模量反算的温度模型和路面温度日温度 条件的预估模型时，都采用理论分析法。但在研究路面温度随小时的变化情况 时，还是采用理论分析法。这主要是由于路面温度实测数据和气象资料的采样 频率不够高。但是无论如何，这一阶段统计分析方法已经成为沥青路面温度场 研究的主流方法，所有广泛应用于世纪的研究成果都是采用统计分析方法得到 的。 ( 2 ) 国内研究现状【1 2 】【3 3 h 3 9 】： 国内关于沥青路面温度场较为系统的研究始于2 0 世纪8 0 年代末，多数研 究者采用理论分析法。1 9 8 2 年严作人将路表热平衡分量归结为温度、太阳辐射 和地面有效辐射，将路面视为二层或者三层结构组成的半无限体。根据热传学 原理建立了路面的导热方程组，给出在各类边界条件下的解，解决了周期热力 作用下层状路面温度场的热传导问题，该模型可以用以计算沥青路面的最高和 最低温度，以及日平均温度。 吴赣昌于2 0 世纪9 0 年代指出：在分析高等级公路的温度分布时，应将路 面视为多层体系进行分析；同时，路面结构的温度场同时在延深度方向和水平 方向变化，应将其视为二维分布。从气象学和传热学的基本理论出发，采用解 6 第l 章前言 析理论建立了半刚性基层沥青路面的二维非线性不稳定温度场的计算理论，对 于不同气候条件下路面温度、土基温度以及延深度和水平方向的温度分布都给 出了相应的计算方法，并编制了应用软件。 1 9 9 1 年，许世法以近两年的气温和路面温度实测数据为依据，分析了北京 地区沥青路面温度的分布规律，建立了路面温度与路表温度、平均气温、最高 气温、最低气温这4 种特征温度之间的回归关系。 同济大学的孙立军教授，通过对沥青路面的面层沿深度方向的不同位置的 温度监测，得出大量的温度数据，通过回归分析，得出了沥青路面温度场的预 估模型，并对不同地区之间的差异，将预估模型中的某些参数进行修正。同时， 又建立了路面日最高气温的预估模型、路面日最低气温的预估模型。 2 、排水性沥青路面温度国内外研究现状 ( 1 ) 排水性沥青路面的基本概念 排水性沥青路面是指表面的一层或两层具有排水功能，能够将渗入的雨水 直接从该层向路面边缘排出而不再向其下承面层渗透的沥青路面。其结构层组 合和所用材料的基本特点是排水功能层采用大空隙沥青混合料，粘结料为高粘 度沥青；下承面层采用不透水的密级配沥青混凝土，且在顶面洒布兼有防水功 能的改性乳化沥青粘层。国内现在一般采用一层厚度约4 c m 的大空隙沥青路面。 排水性沥青路面是一种具有大于1 5 ( 一般为1 5 之5 ) 空隙率的沥青路 面，由于其结构的关系，在不同的国家有不同的名称。在德国，称之为大空隙 或排水性路面( p o r o u sa s p h a l t ) ：在英国被称为大空隙沥青碎石( p e r v i o u s m a c a d a m ) ；美国和日本成为开级配沥青排水层( o p e n g r a d e da s p h a l tf r i c t i o n c o u r s e ，简称o g f c ) ；加拿大则称其为( o p e n g r a d e d a s p h g t ，简称o g a ) ；我 国按照美国和日本的方法，称之为o g f c 【4 2 】。 ( 2 ) 排水性沥青路面的特点 伴随着交通事业的快速发展，道路已逐渐称为人们日常生活中不可缺少的 一部分，对道路周边居民的正常工作和生活的影响越来越大，尤其在大力提倡 生态、环保、环境建设的今天，如何降低公路交通对环境的污染以及道路的可 持续性发展已逐渐被人们所重视。而排水性沥青路面具有噪声低、降低温度、 抗滑性高等优点，不仅满足道路行车的要求，同时对道路周边以及整个城市的 生态、环保等起到积极的影响。 7 第1 章前言 排水性沥青路面的主要优点如下： 1 ) 良好的生态环保性 排水性沥青路面的生态环保主要体现在两个方面： 降噪性能。奥地利测得排水性沥青路面比水泥混凝土路面降低噪声至少 6 - - 7 d b ( 分贝) ；比利时测得最大噪声传统路面比排水性沥青路面噪声大1 5 d b ；西 班牙测得该路面比普通路面降低噪声约4 5 d b , 上海浦东测得排水性沥青路面比 传统密级配沥青路面噪声低3 4 d b 。 雨水循环性能。如果排水性沥青路面面层和透水基层相结合，则雨水不 是通过排水管道进入污水中，而是通过其大空隙可以直接回到土壤，以便保持 水土、减轻城市下水道的负担和改善行人步行的舒适性等。但是现在国内采用 的排水性沥青路面将雨水通过路表或路内部流入排水管道，没有实现雨水循环 功能。 2 ) 抗滑性好 由于表面构造深度大，在路面干燥和潮湿状态，中、低速的抗滑性能比传 统的密级配沥青路面略高；在高速时，其抗滑性能更好，而且在潮湿路面状况 下，大大提高了路面的抗滑性能。 3 ) 安全性高 由于路表无积水，可提高路面与轮胎的附着力，防止水漂事故的发生，而 且可以减少溅水和喷雾，提高雨天行车的能见度。另一方面，由于表面粗糙， 易于形成漫反射，在白天可以防止阳光耀眼，在夜晚则能减缓对向车灯的炫目。 4 ) 降低路面内部温度 由于排水性沥青路面空隙大，在夏天高温季节，大空隙能够迅速排出接受 到的太阳辐射热能，降低路面内部温度，进而提高路面的高温稳定性和耐久性。 同时排水性沥青路面还能够减缓城市的热岛效应。 5 ) 透水性高 由于具有互通的空隙结构，空隙率达到1 5 2 5 ，铺筑厚度为4 5 咖的 排水性沥青路面结构存在大量的有效空隙，所以雨天路面不积水。 ( 3 ) 排水性沥青路温度国内外研究现状 国内外关于排水性沥青路面降温性能的研究比较少，但是在与排水性沥青 路面比较相近的透水性沥青路面的降温性能的研究却比较多。 排水性沥青路面和透水性沥青路面的特征都是其空隙率比较高( 一般在2 0 8 第1 章前言 左右) ，能在雨天将路表面的雨水迅速排出，提高轮胎与路面的附着力，防止水 漂事故的发生，而且可减少溅水和喷雾，提高雨天行车的能见度。 两种类型路面的不同点是：排水性沥青路面的排水层设在上面层，雨水透 过上面层，在中面层上方形成径流，将水排到旁边的边沟以达到排水的效果； 透水性沥青路面的排水层不仅设在路面的上面层，整个面层甚至面层、基层、 垫层都是排水层，有的透水性沥青路面直接将雨水排进土基。 但就路面降温性能来说，两种路面的降温原理是相同的，即由于两种类型 路面因其空隙率大，热传导率小，热容量也小，因此接受太阳辐射的时候，传 导的热量少，存储热量能力低，达到降温的目的；其次利用排水层的大空隙， 将上面层以下的温度通过空隙散发到空气中去，以达到降低道路温度的效果。 日本川崎制铁株式会社和鹿岛道路株式会社的研究人员于夏季高温时段， 同时在普通密集配沥青路面和透水性沥青路面进行洒水之后进行温度监测，结 果发现，透水性沥青路面的路面温度比密集配沥青路面的温度低1 5 。 中国科技大学( 台北) 建筑系游璧蓓( 也任职于东南大学建筑系) 教授， 对透水性沥青路面和普通沥青路面进行温度研究 4 0 l ，从实测数据初步可以得知 透水性沥青路面上方的温度明显比普通沥青路面上方的温度低。将试验数据进 行回归分析，得到以下回归方程式： e = 0 8 5 5 4 x l + 2 6 6 0 7 ( 1 1 ) 式中：y ，透水性沥青路面上方温度( ) z 。普通沥青路面上方温度( ) 另外，针对透水性沥青路面上方及下方的温度差异进行分析，发现透水性 沥青路面下方温度明显比上方环境温度低，将两组温度实测数据进行回归分析， 得到以下回归方程： l = 0 7 2 2 4 x 2 + 2 3 4 3 3 ( 1 2 ) 式中：】，透水性沥青路面透水面层下方温度( ) x ，透水性沥青路面透水面层上方温度( ) 将1 1 式和1 2 式合并，可以得出： 9 第1 章前言 y = 0 6 1 7 9 x l + 4 2 6 5 4 ( 1 3 ) 式中：y 透水性沥青路面透水面层下方温度( ) 彳普通沥青路面上方温度( ) 结果发现，普通路面温度为1 3 以上时，透水性沥青路面透水面层下方的 温度比普通路面上方的温度要低，而根据目前国内外对普通沥青路面温度的研 究结果，普通路面的中面层温度要高于上面层温度，由此可以得出透水性沥青 路面具有降温的效果。 东南大学倪富健教授经过试验研究发现【4 1 1 ，排水性沥青路面的导热系数为 0 8 0 5 3 ，普通密集配沥青路面的导热系数为1 2 5 0 8 ，相差为0 4 之多。另外在 夏季高温时段( 8 月份) 对沪宁高速镇江支线对排水性沥青路面和普通密集配沥 青路面温度进行监测，结果表明：1 ) 上面层顶部的温度，排水性沥青路面与普 通路面温度相差不大；2 ) 排水性沥青路面上面层底部达到日最高气温的时间较 普通沥青路面滞后l 2 h ，最高气温较普通沥青路面低2 左右，而最低气温相 差不大，日温度变化幅度较普通沥青路面较小。3 ) 半刚性基层顶面的温度，排 水性沥青路面夏季的日温度变化幅度为6 左右，普通沥青路面夏季的日温度变 化幅度为9 左右。 1 4 研究内容及技术路线 本论文的章节安排如下： 第一章前言，介绍本研究的历史背景、意义、国内外研究现状等。 第二章着重叙述排水性沥青路面降温的原理以及试验方案 第三章为本论文的核心之一，从不同季节阐述排水性沥青路面的降温性能。 第四章为本论文另一核心，研究在高温条件下排水性沥青路面降温性能的 衰变规律情况，并根据室内外的研究数据，运用线性回归等数学手段，得出排 水性沥青路面排水层空隙率与降温幅度之间的数学关系。 第五章为规律的总结和展望，总结本研究得到的一些规律以及有哪些不足， 对以后该问题的研究找出方向。 本论文的技术路线图见图1 2 。 1 0 第1 章前言 图1 2 技术路线图 第2 章排水性沥青路面降温原理及试验 第2 章排水性沥青路面降温原理及试验 2 1 排水性沥青路面降温机理 热力学第二定律指出，在一个物体内或物系之间，只要存在着温度差，热 量总是自发地由高温处传向低温处。从热量传递的机理上说，有三种基本热传 递方式，即热传导( 导热) 、热对流和热辐射。 1 、热传导 热传导简称导热。它是指热量由物体的高温部分向低温部分传递，或者由 一个高温物体向与其接触的低温物体的传递。例如，把铁棒的一端放入炉中加 热时，由于铁棒具有良好的导热性能。热很快从加热端传递到未端加热，使该 端温度升高。 导热可以在固体、液体和气体中发生，但在地球引力场作用的范围内，单 纯的导热只发生在密实的固体和静止的流体中。 从微观角度来看，导热是物质的分子、原子和自由电子等微观粒子的热运 动而产生的热传递现象。气体、液体、金属固体和非金属固体的导热机理是有 所不同的。在气体中，导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。高温 区气体分子的平均动能大于低温区气体分子的平均动能，不同能量水平的分子 相互碰撞的结果，就使热量由高温度传向低温度。在非金属晶体( 介电体) 内， 热量是依靠晶格的热振动波来传递，即依靠原子、分子在其平衡位置附近的振 动所形成的弹性波来传递。在金属固体里，这种晶格振动波对热量传递只起很 小的作用，主要是依靠自由电子的迁移来实现。至于液体的导热机理，至今还 不十分清楚。但近年来的研究结果表明，液体的导热机理类似于非金属晶体， 即主要依靠晶格结构振动来传递热量。 早在1 8 8 2 年，法国数理学家傅立叶( j o s e p hf o u r i e r ) 总结固体导热的实践 经验，提出了平壁中的导热公式： q = 从等 ( 2 - 1 ) 式中：q 单位时间通过面积a 的导热量，称为导热热流量( w ) ； 1 2 第2 章排水性沥青路面降温原理及试验 彳垂直于导热方向的截面积( m 2 ) ； 艿平壁厚度( m ) ； 允物体材料的导热系数( w ( m k ) ) ； a t 平壁两边的温度差( k ) 。 由公式2 1 可知，单位时间内的导热量与导热系数、截面积和温度差成正 比，而与导热距离成反比。 2 、热对流 依靠流体不同部分的相对位移，把热量由一处传递到另一处的现象，称为 热对流。例如，冬季房间内采暖器供热后，暖气片附近的空气因受热膨涨而向 上浮升，周围的冷空气就迁移过来补充，从而形成空气的循环流动。流动着的 空气将热量带到房间的各处。由此可见，热对流仅能发生在流体中，热量的传 递与流体的流动密度密切相关；并且，由于流体中存在着温度差，故流体中的 导热也必然同时存在。 工程上遇到的对流问题，往往不是单纯的热对流方式，而是流体流过物体 表面时，依靠导热和热对流联合作用的热量传递过程，称为对流换热过程，也 称为放热。 对流换热的基本计算式是牛顿1 7 0 1 年提出的，文献上称此式为牛顿冷却公 式，即 q = 鲥n t f ) ( 2 2 ) 或者 q = 鲥- a t ( 2 2 1 ) 式中：q 对流换热量( 对流换热热流量) ( w ) ； 彳与流体直接接触的壁面面积( m 2 ) ； f 为壁面与流体间的温度差( ) ； 口比例系数，称为对流换热系数。 3 、热辐射 热辐射是另一种热传递方式。它是指物体由于自身温度的原因而向外发射 可见的和不可见的射线( 称电磁波或光子) 来传递热量的方式。因此，热辐射 是消耗物体内能的电磁辐射，它与x 射线、紫外线和无线电波等的本质是相同 的，区别仅在于波长和发射源不同而已。 习惯上，“辐射 常被用来概括电磁波的发射；电磁波所载运的能量及物体 1 3 第2 章排水性沥青路面降温原理及试验 向外辐射的能量称为辐射能。对于热辐射来说，受热物体只要其温度高于绝对 零度，都在不停的向外发射热辐射；同时，又在不断的吸收周围其他物体发出 的热辐射。辐射与吸收的综合结果，就造成了以热辐射方式进行的物体间的热 量传递，称为辐射交换过程。若物体间的温度不相等，则高温物体辐射给低温 物体的能量，大于低温物体辐射给高温物体的能量，总的效果就是热由高温物 体传至低温物体；若物体间的温度相等，则相互辐射的能量相等，亦即辐射交 换热量等于零，但物体的辐射和吸收仍在不停的进行。 热辐射与热传导、热对流的不同点是：导热和对流这两种方式传递能量时 需借助某种材料介质，而热辐射的传递却无需材料介质。实际上，热辐射传递 在真空中最有效。例如，太阳将热量传给地球就是靠热辐射。热辐射区别于导 热和对流的另一点是，它在传播能量的过程中，伴随有效能量形式的转换，即 由内能转换为辐射能，再转换为内能。 以上分别讨论了热传导、热对流和热辐射三种传递能量的基本方式，扼要 说明了导热、对流和辐射换热三种传递热量的基本过程，明确了三种传递热量 的相同点与区别。然而在实际过程中，热量传递过程中往往是基本过程的不同 组合，由基本传递方式作用的结果。 根据上面所描述的热传递三种基本方式，可以知道沥青路面的温度变化是 由于路面表层接受太阳光照射，太阳光由内能转化为辐射能再转化为内能被储 存在沥青路面的表面，之后再通过热传导的方式将热量由路面表层一直向下传 递。 因此本论文排水性沥青路面温度规律的研究，可以认为沥青路面温度变化 的过程是热传导和热辐射两种过程的结合，但我们主要研究的对象是沥青路面 的中面层，即排水性沥青路面和非排水性沥青路面在相同条件下中面层的温度 对比，因此从这个意义上来说，热辐射过程的作用效果是相同的，我们只需要 考虑热传导一个过程即可。 排水性沥青路面和非排水性沥青路面( 本文选用s m a 路面作为非排水性沥 青路面进行研究) 中面层温度之所以会有差别，完全是因为排水性沥青路面的 独特结构所决定的。排水性沥青路面的最主要特点是排水层空隙率大，如果将 排水性沥青路面的排水层进行有限次数分层，其2 0 左右的空隙率就意味着在 层与层之间的接触面积比进行同样分层的s m a 路面接触面积小将近2 0 。而根 据热传导公式2 1 可知，接触面积将直接影响热传导的效果，即接触面积越小热 1 4 第2 章排水性沥青路面降温原理及试验 传导的效果越差，传递的热量越少，温度变化越小。 排水性沥青路面排水层的大空隙不光会影响传热面积，同时也会影响材料 的导热系数。同样根据公式2 1 ，导热系数a 越小，其传导热量的效果越差，温 度的变化越小。东南大学倪富健教授经过试验研究发现，普通密级配的沥青路 面导热系数是排水性沥青路面的1 5 倍。因此排水性沥青路面的温度传导性能比 非排水性沥青路面差得多，换句话说，排水性沥青路面的温度变化要比非排水 性沥青路面的温度变化小。 2 2 排水性沥青路面降温性能表征参数 排水性沥青路面和非排水性沥青路面热传导的效果有明显差异，一是由于 进行有限次数分层之后，层之间的接触面积不同，二是由于两种路面的导热系 数有所差异。接触面积不同与导热系数不同，都是由于排水性沥青路面的排水 层和非排水性沥青路面的上面层空隙率不同所造成的。因此进行研究排水性沥 青路面降温性能时，将排水性沥青路面排水层的空隙率与排水性沥青路面中面 层的温度这两个参数作为排水性沥青路面降温性能的表征参数。 由于排水性沥青路面的空隙率不唯一，并且道路在开放交通之后会因为种 种原因空隙率会有所变化，因此需要了解在不同空隙率的条件下排水性沥青路 面中面层温度的变化情况，即建立起排水性沥青路面排水层空隙率与排水性沥 青路面中面层温度的关系。 2 3 排水性沥青路面降温性能研究方案 研究排水性沥青路面的降温性能，需要掌握排水性沥青路面中面层和非排 水性沥青路面中面层在相同条件下的温度状况，因此需要在室外修筑一段试验 路，通过实际的环境条件，来收集两种类型路面中面层的温度数据，进行对比 和研究，最终得出排水性沥青路面的降温性能。 由于本论文的研究时间有限，而研究排水性沥青路面的降温衰变规律需要 路面经过长时间的使用，在排水层的空隙率逐渐减小的情况下，才能监测到排 水性沥青路面的降温性能衰变情况。因此，需要在室内进行小范围的模拟试验， 使用不同空隙率的车辙板，来模拟排水性沥青路面经过长期使用，空隙率减小 1 5 第2 章排水性沥青路面降温原理及试验 后的情况，在此状况下监测排水性面层的温度情况。 2 3 1 现场试验方案 上海浦东工程建设管理有限公司与同济大学交通运输工程学院联合进行研 究，在上海浦东新区五洲大道修建排水性沥青路面试验路段，新建了一段约3 0 0 m 左右的排水性沥青路面，紧接着排水性沥青路面的是s m a 路面。所有路面面层 分为上中下三层，排水性沥青路面只在上面层设排水性面层，中面层和下面层 与s m a 路面相同。在排水性沥青路面路段上，选取了五个点，每个点在上面层 与中面层之间埋设了铠装热电偶温度传感器。在s m a 路面路段上，选取了三个 点，每个点在上面层与中面层之间同样埋设了铠装热电偶温度传感器，对照在 相同环境条件下，两种路面中面层的温度差别，以便能更好的掌握排水性沥青 路面的降温特性。 同时，在上海浦东新区高科东路东段延伸段( 滨洲路) 也新修了一段排水 性沥青路面，紧接着排水性沥青路面也同样是s m a 路面。与五洲大道相同，滨 洲路的排水性沥青路面与s m a 路面中面层和下面层材料和结构也相同，只是上 面层两者不同：一个是排水层，一个是普通s m a 面层。两种路面各选取了3 个 点，每个点在上面层与中面层之间埋设铠装热电偶温度传感器。 具体埋设方法：在路面铺设的施工过程中，当中面层铺设完毕上面层没铺 的时候，用切割机分别在两种路面的中面层垂直于行车线的方向上切了一条浅 浅的缝，将铠装热电偶温度传感器埋设其中，固定好之后再铺设上面层，这样 既能保证上面层的完整性，又能获取两种路面中面层的温度数据。传感器的接 触插头在路边排水沟的墙壁上用铁丝等固定，保证其不受损害。 为了掌握两种路面在车辆的行驶的过程中温度的变化，因此两种路面的铠 装热电偶温度传感器的温度探头埋设在轮迹道的正下方。五洲大道与滨洲路的 两种路面铠装热电偶温度传感器的纵向埋设位置相同，示意图见图2 1 。铠装热 电偶温度传感器及温度显示器见图2 2 。 1 6 第2 章排水性沥青路面降温原理及试验 排水性沥青路面s m a 沥青路面 图2 1 铠装热电偶温度传感器的埋设位置 图2 2 铠装热电偶温度传感器及温度显示器 在道路开放通车后，对两种类型路面中面层温度数据进行收集。具体操作 是：在春季( 秋季与春季类似，故省略) 、夏季、冬季分别选取有代表性天气的 日子对两种路面的温度进行连续性监测。为了能更好的对比排水性沥青路面和 s m a 路面的中面层温度状况，要确保在相同时间点上对两种路面进行温度数据 采集，以此获取的排水性沥青路面和s m a