（道路与铁道工程专业论文）新铺和硬化水泥混凝土路面温度场研究.pdf

i i， 学位论文版权使用授权书 m l l l l l l i l l l l l l l l 删1 1 1 l l 洲 、t17 810 71 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 姒鹿 签字日期：卜年石月巧日 导师签名：扎扎( 逞二 签字日期：矽届年乡月哆日 ，。 一p， 中图分类号：u 4 1 6 2 1 6 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 新铺和硬化水泥混凝土路面温度场研究 s t u d i e so nt e m p e r a t ur ef i e l d o ff r e s ha n dh a r d e nc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t 作者姓名：张倩倩 导师姓名：孔永健 田波 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 7 4 4 职称：副教授 研究员 学位级别：硕士 学科专业：道路与铁道工程研究方向：水泥混凝土路面 北京交通大学 2 0 1 0 年7 月 致谢 弹指一挥间，研究生两年生活已经接近尾声。在本论文即将完成之际，谨此 向我的导师孔永健副教授和田波研究员致以衷心的感谢和崇高的敬意! 本论文的 工作是在两位老师的悉心指导下完成的。他们敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨 的治学态度、平易近人的工作作风给我留下了刻骨铭心的印象，这些使我受益匪 浅，并将成为我以后工作学习的动力。 与交通部公路科学研究院水泥混凝土课题组的罗翥、刘英、王稷良、王大鹏、 侯荣国、彭鹏、谢晋德、孙宏峰、何哲、莫秀雄以及沈磊等同事们真诚相处的时 光令人难忘，这将成为我人生中美好的回忆! 尤其是罗翥、王稷良、王大鹏、侯 荣国对我的论文和学业所给予的建议和帮助更是让我感激不尽! 感谢中国公路学会道路工程分会的王彦莹副秘书长对我学业和生活上的指点 和关怀! 论文的完成，还得益于我的同学姚章军、艾山丁、郭欢和郭丽娜对我的关心 和帮助，在此表示由衷感谢! 感谢我的家人给予的期望、关心和支持! 最后，再一次感谢我的老师，谢谢您! 感谢这段美好的岁月! 中文摘要中又手两晏 摘要：水泥混凝土路面承受着各种环境因素的综合作用，这种作用的结果直接体 现为路面温度场的复杂分布。温度对于路面结构的承载能力和使用性能都有重要 的影响。因此，正确地分析及预测水泥混凝土路面温度场的分布特性和变化规律， 对研究温度对路面结构的不利影响具有重要意义。 本研究首先采用2 0 0 8 - 2 0 0 9 年实测一年的气象数据及水泥混凝土路面板温度 场数据，分析了北京地区气温和太阳辐射的变化规律及其对硬化水泥混凝土路面 板温度场的影响。 其次，根据热传导基本理论，建立了硬化水泥混凝土路面板温度场预估模型， 并使用有限差方法对其求解；采用北京地区气温、太阳辐射和风速实测气象数据 及3 0 c m 厚路面板温度场数据修正理论模型参数，使模型预估的温度场数据与实测 数据能够很好地吻合，并以此模型作为北京地区水泥混凝土路面温度场预估模型。 第三，利用本文建立的温度场预估模型研究了2 0 0 8 , - - , 2 0 0 9 年北京地区2 2 c m 及2 6 c m 厚水泥混凝土路面板温度梯度分布规律。 最后，通过对比试验，研究了不同养生方式下，新铺水泥混凝土板温度场的 变化规律，以及板内应变变化与温度场的关系。 关键词：水泥混凝土路面；硬化；新铺；温度场；预估模型 分类号：u 4 1 6 2 1 6 ， a bs t r a c t a b s t r a c t ：e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，t ow h i c hc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sa r e c o n t i n u o u s l ye x p o s e d ，d e t e r m i n e t h e c o m p l i c a t e d d i s t r i b u t i o no ft h e p a v e m e m t e m p e r a t u r ef i e l d i ti si n d i c a t e dt h a tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sh a v es i g n i f i c a n te f f e c to i l t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s t h e r e f o r e ， a c c u r a t ea n a l y s i sa n dp r e d i c t i o nf o rp a v e m e n tt e m p e r a t u r ef i e l di so fs i g n i f i c a n c et o s t u d yt h ea d v e r s ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h ep a v e m e n ts t r u c t u r e w i t ht h em e a s u r e dm e t e o r o l o g i c a ld a t aa n dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tt e m p e r a t u r e d a t ab e t w e e nt h ey e a ro f2 0 0 8a n d2 0 0 9 ，t h i ss t u d ya n a l y s et h ee v o l u t i o no ft e m p e r e t u r e a n ds o l a rr a d i a t i o ni nb e i j i n ga r e a ，a n da l s oh a v eaa n a l y s i so ft h ee f f e c to nt h eh a r d e n c e m e mc o n c r e t ep a v e m e n tt e m p e r a t u r ef i e l d s e c o n d l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh e a tt r a n s f e r r i n g ，t h ep r e d i c t i o nm o d e lo n h a r d e nc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti se s t a b l i s h e d ，a n di ti sc a l c u l a t e dw i t hf i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d t om a k et h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sc o n s i s t e n tp r a c t i c i n gm e a s u r e ，w e r e v i s et h ep r e d i c t i o nm o d e lw i t ht h et e m p e r a t u r e 、s o l a rr a d i a t i o na n ds p e e dm e a s u r e di n b e i j i n ga r e aa n dt e m p e r a t u r ef i e l df i g u r e so n3 0 c mt h i c kc o n c r e t es l a b t h i r d l y ，b a s e do nt h ep r e d i c t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l d ，w es t u d yt h e t h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n td i s t r i b u t i o no f2 2 c ma n d2 6 c mt h i c kc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t b e t w e e nt h ey e a ro f2 0 0 8a n d2 0 0 9i nb e i ji n ga r e a f i n a l l y , t h r o u g ht h ec o n t r a s tt e s t ，w es t u d yt h et e m p e r a t u r ef i e l do ff l e s hc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n ta n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r a i na n dt e m p e r a t u r ef i e l du n d e r d i f f e r e n tc u r i n gw a y k e y w o r d s ：c e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t ；f r e s h ；h a r d e n ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； p r e d i c t i o nm o d e l c i a s s n o ：it 4 16 2 16 v l l 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 1 弓l 言1 1 1 问题的提出1 1 2 水泥混凝土路面温度场的研究现状l 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本文主要的研究内容6 2 硬化水泥混凝土路面温度场的研究分析7 2 1 环境因素对路面温度场的影响机理7 2 1 1 环境因素对路面温度场的影响7 2 1 2 影响路面温度场的主要环境因素8 2 2 北京地区水泥混凝土路面板温度场及气象数据分析9 2 2 1 北京地区气候特征9 2 2 2 北京地区太阳辐射及气温的变化规律9 2 2 3 路表温度与气温及太阳辐射量间的关系1 3 2 2 4 水泥混凝土路面温度场的变化规律1 4 2 2 5 水泥混凝土路面温度梯度l8 2 3 本章小结2 0 3 硬化水泥混凝土路面温度场预估模型的建立2 3 3 1 预估温度场模型的建立2 3 3 1 1 温度场的基本原理和方法2 3 3 1 2 差分法求解热传导方程2 5 3 1 3 水泥混凝土路面材料的主要热工参数2 8 3 1 4 预估模型的修正31 3 2 预估温度场的预测效果评价3 7 3 3 温度场影响因素灵敏度分析3 8 3 4 其它厚度水泥混凝土路面温度场的预估4 3 3 5 本章小结4 5 4 新铺水泥混凝土路面温度场研究4 7 4 1 试验方案4 7 4 2 不同养生条件下路面板沿深度方向温度变化规律4 8 4 3 不同养生条件下混凝土的初终凝时间5 2 4 4 路面板沿水平方向温度变化规律5 3 4 5 不同温度场环境对新铺路面板应变的影响规律5 4 4 6 本章小结5 7 5 结论与展望5 9 5 1 主要研究结论5 9 5 2 展望6 0 参考文献6 l 作者简历6 3 独创性声明6 5 学位论文数据集6 7 1 引言 1 1 问题的提出 水泥混凝土路面属于高等级路面型式。它较高的强度、稳定性、耐久性和良好的平 整度、粗糙度，能够适应繁重和快速交通的要求，在我国已经得到了广泛的应用。与其 它类型路面相比，水泥混凝土路面具有以下优点【l j ：( 1 ) 水泥混凝土路面具有较高的抗 压、抗弯和抗磨耗的力学强度，因而耐久性好，使用年限较长；( 2 ) 水泥路面的力学强 度不受自然气候温度和湿度的影响，因而热性、水稳定性和时间稳定性都较好，特别是 它的强度能随着时间而逐渐增高；( 3 ) 尽管水泥混凝土路面设有许多接缝，但它的表面 很少起伏，通行各种重型车辆，均能够保持良好的平整度。同时，路面在潮湿时仍能保 持足够的粗糙度，而使车辆不打滑，能够保持较高的安全行车速度。 由于水泥混凝土是体积敏感性材料，具有不可塑性，当温度发生变化时伴随着将产 生明显的体积变化，路面将由此产生膨胀、收缩等变形，称为温度变形。路面是一种带 状结构，因温度改变而引起的路面纵向的变形尤为突出。一旦路面因温度变化所产生的 变形受到约束，不能自由伸缩，则路面将产生巨大的内应力，称为温度应力。温度应力 是水泥混凝土路面产生破坏的主要因素之一【2 1 。因此，正确地分析及预测混凝土路面温 度场的分布特性和变化规律，对于研究温度对路面结构的不利影响具有重要意义。 引起水泥混凝土路面温度变化的因素除施工养护措施不当外，主要就是年温差、日 照、骤然降温等环境因素的影响。水泥混凝土路面直接暴露在大气之中，一年四季大气 温度和太阳辐射周期性的变化以及每一天白昼黑夜气温的变化，使得路面结构产生不稳 定的热传导，所以路面结构内部温度场的分布状况也不是均匀和稳定的，无论是在空间 上还是时间上都是一个复杂的变化过程。 准确地分析和预测水泥混凝土路面温度场的分布状况，可以为道路设计人员提供最 不利的环境参数，从而根据当地具体情况采取有效的措施保证路面结构在最不利条件下 不致损坏。另一方面，水泥混凝土路面温度场的分布与路面的承载能力和使用性能都有 着内在和必然的联系。因此，深入了解水泥混凝土路面温度场的分布特性和变化规律， 正确预测路面温度场的分布状况，也有助于分析水泥混凝土路面各种损坏形式的产生机 删。 1 2 水泥混凝土路面温度场的研究现状 实践表明，温度对于结构承载能力和使用性能都有显著的影响。理所当然的，路面 温度场的分布状况也早就引起了各国道路设计和研究人员的注意。 综合各国学者的研究方法，大致可以分为两类。一是根据气象学和传热学的基本原 理采用数值分析方法建立水泥混凝土路面温度场的预测模型，可以称之为理论分析法； 二是根据路面温度的实测数据和气象资料采用统计回归的方法建立路面温度场与环境 因素之间的定量关系，可以称之为统计分析法。 1 2 1 国外研究现状 国外对路面温度场的研究比较早，研究的内容也比较丰富。1 9 5 7 年，美国学者 b a r b e r 3 1 首先用无限表面的介质温度周期性变化时热传导方程的解来确定路面最高温 度。为对温度场模型进行简化，b a r b e r 作了部分假设：将路面视为均质半无限体，在路 表处受气温、太阳辐射和地面辐射的热力作用；其中气温按照正弦周期变化，太阳辐射 按照正弦正半波变化，而地面辐射为太阳辐射的1 3 ；气温、太阳辐射和地面辐射共向 作用的温度效应称为有效温度，也可以近似看作按照正弦周期变化。在以上假设的基础 上，b a r b e r 得到路面温度场的解析方程，并进一步推导出路表面最高温度表达式： t m 觚2t a + a l + b ( 0 5 t r + 3 a l ) ( 1 1 ) 式中： t m 觚路表最高温度，； t 。日平均气温，； t r 日最高与最低气温之差，； l 太阳日辐射总量，j m z ； a 、b 与路面材料热学参数有关的系数。 b a r b e r 给出了个别天实测温度和计算温度的比较，误差一般在0 - - 一3 ，个别超过了 6 。 s c h e n k 于1 9 6 3 年开发了利用有限差分方法求解一维热传导方程的f o r t r a ni v 程 序。1 9 7 2 年，w i l l i 锄s o n 4 】对这个程序进行了一系列改进，使其能够计算温度的日变化 情况。模型的输入参数包括各小时的气温和太阳辐射等气象参数，以及路面材料的热学 参数，包括路面材料的热传导率、比热和路表对于太阳辐射的吸收率和反射率。1 9 6 9 年，p c p r e t o r i o u s 5 】在他的博士论文中也采用了有限元法对层状路面结构温度场进行了 研究。 1 9 6 4 年，日本的岩间滋采用试验的方法，分析了温度沿板厚的分布规律以及它对温 2 度应力的影响，得出宜将温度翘曲应力折减3 0 作为路面温度应力的结论。但这一结 论如推广到与该项试验条件不同的情况，则精度难以保证l 6 j 。 h u b e r t7 】于19 9 4 年对5 个地区的气温和由热平衡方程计算得到的路表温度进行了回 归分析，建立了计算路表最高温度的确定型公式，模型的参数包括日最高气温和纬度。 如果要计算路面某一深度处的最高温度则再需加入距路表的深度参数即可。 1 9 9 5 年b o u z i dc h o u b a n e 和m a n gt i a 在美国佛罗里达对水泥混凝土路面的温度分 布状况作了研究【8 】，分析了水泥混凝土路面表面温度与气温和太阳辐射、表面温度与路 面内不同深度处温度的关系，得到计算水泥混凝土路面温度场的经验公式。 1 9 9 7 年，b h s a s s t 9 】开发了一个对丹麦公路站点路面状况进行自动预测的数值预报 系统，该系统建立在由大气有限区域业务模式输入的路面状况模式的基础之上。在经过 改进的、包括能对每个测站的通量资料进行订正的初始化程序中，使用了各公路站点观 测的云量、温度和湿度等资料。这个系统已在丹麦气象研究所答询业务中投入运行，目 前2 0 0 个公路站点每小时的新的预报，在5 h 前作出。 1 2 2 国内研究现状 国内对于路面温度的研究也是比较多的。自1 9 7 9 年6 月以来，空军后勤部工程设 计局在北京南苑验路段上对厚3 4 c m 的水泥混凝土路面进行了系统的温度状况测定【1 0 1 2 】。根据大量实测资料，采取实测路面温度与当地实测气象资料进行相关计算的方法， 推求了路面顶面温度计算公式。计算表明，两者之间存在着很密切的相关关系。 路表面的温度回归公式： t2 t o + ( t m 舣+ t o ) s i n c o t ( 1 2 ) 式中： t o 初始温度，一般以8 点作为计算起点； t m 找板顶的最高温度； t 时间； 角频率。 为了能在一定的理论指导下分析归纳大量实测路面温度资料，对太阳照射下的路面 进行了热传导理论分析，假定路面板在平面上温度均匀分布，只沿厚度方向有温度变化， 即为一维热传导问题。其微分方程为： 罂：口粤(1-3) = 口_) a钇2 z ：计算点的深度。即t = t ( t ，z ) 0 【：路面的导温系数。 式( 2 ) 满足在z = 0 的情况下，式( 1 ) 成立；据此边界条件，解得上述偏微分方程， 得： t = t o + ( t m a x + t o ) 唧心层巾t z 压， 4 ， 空军后勤回归公式中，总得说来，其回归思想非常正确，而且在特定环境中应该具 有相当好的计算精度。但在t m a x - t o 的计算中，t o 是认为温度梯度为0 时的路表温度，没有 振幅调整参数，不能完全适应各种情况。 1 9 8 0 年，景天然、严作人【1 3 】等在同济大学校内路段上对厚2 2 c r n 的水泥混凝土路面 进行了系统的温度状况测定。并根据大量实测资料建立了路面顶面温度与气温、与气温 和太阳辐射热、与地温的回归方程。 1 9 8 2 谢国忠等选用太阳日辐射量、日最高气温和日温差作为气象因素变量，并选取 面层标准厚度为2 2 c m 时的最大温度梯度作为温度状况预估变量，在综合整理各温度观 测点的测定数据，将它们调整到具备基本相同的条件后，通过逐步回归分析，分别选用 显著性高的自变量，建立了二元和一元的回归关系式f 1 4 】： 巳m = 0 0 8 6 + 0 ，0 0 3 4 a t e + 0 0 0 0 2 6 7 5 q，、 ( r o 8 4 5 ，s ：0 1 0 3 ) ( 1 - 5 ) t o 。= o 10 9 + 0 0 0 0 2 7 2 3 q 却 一 ，、 kl o ( 肛o 8 4 3 ，s = 0 10 4 ) 式中： t g ，m 最大温度梯度( 4 c c m ) ； t 。日气温差( ) ； q 太阳日辐射量( j c m 2 ) 。 上述二式具有相近的相关性和标准差。以全国5 6 个气象观测站历年的日辐射量和 日气温差资料代入上式后，可以相应得到各年的最大温度梯度，并进而推算到这些观测 点处2 频率的最大温度梯度值，该成果已被我国规范采纳。 1 9 8 4 年同济大学的严作人【”】在层状体系假设的基础上，从传热学和气候学的基本 理论着手，用解析法对水泥路面一维温度场作了较深入的分析，并从理论上分析了不同 基层对路面温度场的影响，其结果可用于计算路面结构内的最高和最低温度，以及水泥 路面的最大温度梯度等。 2 0 0 4 年刘熙明、喻迎春等人【1 6 1 应用能量守恒方法，考虑太阳短波辐射，大气和地 面长波辐射、感热和潜热等能量之间的平衡，并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太 阳短波辐射的吸收和散射，建立了一种较为实用的路面温度预报模型。 4 朱伯芳【l o 】【1 7 1 提出混凝土与空气接触时，应按第三类边界条件计算，今设气温作正弦 变化，计算混凝上内部温度，热传导方程与式( 1 3 ) 相同，但边界条件改为： 当z = 0 ，t 0 时，t i a s i n 兰至n p 当z = m 时，t o 时，t = o 式中：p 混凝土表面温度变化周期 a 混凝土表面温度变幅； t ( z ：4 e - z 厮s i n 丝一z ，三) pf口p(1-7) + 等j c o 踹咖础 其中亏为积分变量，上式右端第二项代表初始温度的影响，因它含有e x p ( o 【毛2 t ) 项， 随着时间的增加而逐渐衰减并变为零，最后只剩下了第一项，呈周期性变化，称为准稳 定温度场，即： t ( z , t ) ：舡：面s i n 丝一z 旦) ( 1 - 8 ) pv 仪p 从上式可以看出以下几点： ( 1 ) 混凝土内部温度呈周期性变化，变化周期为p ，与外温变化周期相同，但 最高最低温度出现的时间比表面温度滞后z 刀口p 。 ( 2 ) 在式( 1 8 ) 中取s i n 丝一z 三 ：1 ，得到混凝土内部的温度变幅如下： pv 口p a t ( z ) = a e 。z 、万7 甜p ( 1 9 ) 可见内部温度变幅t ( z ) 随着深度而减小。它与表面温度变幅的比值 t ( z ) a = e x p ( - z 刀口p ) ，其中p 为路表温度变化周期。因此，外温变化周期越短，则 内部温度变幅衰减越快。 对式( 1 9 ) 两边取自然对数，得到 z = 一兀o 【p i n t ( z ) a ) ( 1 1 0 ) 可见影响深度正比于周期的平方根。假设混凝土导温系数a = 0 1 0 m 2 d ，由式( 1 1 0 ) 即可计算得到路表温度变化时路面内部的温度影响深度。 在朱伯芳回归公式中，朱伯芳法对一定路面深度范围内的最大温度变幅模拟较好， 但对具体的温度计算并不很理想。因为他的温度模型中，以振幅作为主要计算参数，即 路表温度用a s i n m t 表示，而实际上，这只是表达出了温度的振幅而已。 1 3 本文主要的研究内容 路面温度场研究的目的在于：通过研究确立气象资料与路面任意时刻、任意位置的 温度及其变化关系，为研究水泥混凝土路面温度应力奠定基础，指导路面结构设计。本 研究根据热传导基本理论建立硬化水泥混凝土路面温度场的预估模型，同时采用北京通 州区试验场内的实测温度场和气象要素数据进行参数修正，得到北京地区水泥混凝土路 面温度场预估模型；通过对比试验，研究了不同养生方式下，新铺水泥混凝土路面板温 度场的变化规律。具体研究内容如下： ( 1 ) 采用2 0 0 8 - - 2 0 0 9 年实测一年的温度场及气象数据分析北京地区气温及太阳辐 射的变化规律，及其对硬化水泥混凝土路面板温度场的影响。 ( 2 ) 分析常用路面材料的热物理特性，如导热系数、导温系数、太阳辐射吸收率 等及其对道路温度场的影响； ( 3 ) 根据热传导基本理论，建立硬化水泥混凝土路面板温度场预估模型；采用北 京地区气温、太阳辐射和风速实测气象数据及3 0 c m 厚路面板温度场数据修正理论模型 参数，使模型预估的温度场数据与实测数据能够很好地吻合，并以此模型作为北京地区 水泥混凝土路面温度场预估模型。 ( 4 ) 利用温度场预估模型研究了2 0 0 8 - - - 2 0 0 9 年北京地区2 2 c m 及2 6 c m 厚水泥混 凝土路面板温度梯度分布规律。 ( 5 ) 通过对比试验，研究不同养生方式下，新铺水泥混凝土路面板温度场的变化 规律，以及路面板内应变变化与温度场的关系。 6 2 硬化水泥混凝土路面温度场的研究分析 2 1 环境因素对路面温度场的影响机理 2 1 1 环境因素对路面温度场的影响 路面结构处于自然环境的影响中，持续经受着各种环境因素的综合作用。各 种环境因素对路面温度场的影响过程如图 1 8 - 2 0 】： 图2 1 环境因素对路面温度场的影响 f i g 2 1t h ei n f l u e n c eo fr o a ds u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l df r o me n v i r o n m e n tf a c t o r 空气与地表构成对流换热系统，因而气温与地层结构温度的分布规律密切相 关。气体吸收的能量来源于太阳辐射以及地表辐射。地球绕太阳公转以及地球自 转是引起地球大气层温度周期性变化的原因。 路表所接受的热辐射有：波长范围在o 3 3 m 之间的太阳直接辐射、大气 散射辐射( 二者合起来称为总辐射) 、以及大气长波( 6 6 0 “m ) 辐射。太阳直 接辐射和散射的天空辐射的总和称为太阳总辐射，这是一种短波的热辐射。太阳 总辐射到达路面结构的表面时，大部分被路面结构吸收并转变为热量；其余部分 则通过表面的反射或散射被射回到大气中。云层状况、路面的表面特征、降雨、 降雪等因素都会对太阳总辐射被路面结构吸收和反射的比例产生影响。 在路面结构与大气接触的介质表面上，由于路表温度和气温之间存在差异， 因此会发生由于传导和对流引起的热交换。路面结构与大气之间的对流热交换主 要取决于风速和路表温度与气温之差。 7 地面辐射与大气逆辐射之差称为地面有效辐射，这是一种长波的热辐射i 纠l 。 若路面温度高于气温，则地面辐射要比大气逆辐射强，地面有效辐射为负值，表 示通过地面和大气之间的长波辐射交换，地面是损失热量的。若地面有效辐射为 正值，则地面是获得热量的。地面有效辐射主要取决于路表和大气的温度状况， 也与大气的相对湿度和云层状况有关。 路面结构表面和大气之间的复杂热量交换，使路表产生复杂的温度变化，从 而造成路表与路面其他部分的温度差异。路面结构中的这种温度差异促使热量沿 深度方向向温度较低处传导。 2 1 2 影响路面温度场的主要环境因素 影响路表温度的主要因素有外界气温、太阳辐射、风速、天空的云层状况、 降水等。 分析表明，在众多环境因素中，气温对水泥混凝土路面温度场的影响因素最 为显著。太阳辐射仅出现在白天，是促使路面温度在白天升高的重要因素，也是 除气温之外最主要的影响因素。昼夜平均气温每升高1 ，路面最高、最低温度 相应升高1 c 【1 8 】；昼夜温差每增加1 ，路面最高、最低温度分矍3 0 y l - 高约o 2 5 和降低o 3 0 。太阳总辐射对最低温度影响较小，总辐射每增加1 m j ，路面最高 温度升高0 6 5 。c ( 冬季卜_ o 9 7 ( 夏季) 。路面全年最高温度一般出现在仁8 月份， 最低温度一般出现在1 2 一1 月份。 虽然路面结构与大气之间的热交换和地面有效辐射对路面温度分布有重要 影响，但是目前无法从气象部门得到这方面的资料。热交换是由于路表温度和气 温之间存在差异而发生的，同样，地面有效辐射也是取决于路表温度和气温之间 的差异，所以由于传导和对流引起的热交换和地面有效辐射主要取决气温的变 化。因此，在路面温度场的预估模型中可以通过气温间接反映二者的影响。 风速是影响路面结构与大气之间对流热交换的另一个重要因素。最大温度梯 度随风速增大而减小。这是因为风速越大，路表热量交换越快，从而减小了热量 沿路面深度方向传递，导致路面最大温度梯度减小。温度梯度随深度变化稍有变 缓趋势。 相对气温和太阳辐射而言，云层状况、降水等环境因素影响到太阳总辐射被 路面结构吸收和反射的比例，因此与气温和太阳辐射之间具有一定的相关性。这 些因素对温度场的影响不是单独起作用的，它们的变化必然会引起气温、太阳辐 射量的变化，因此，不能抛开气温、辐射等因素来单独评价其对温度场的影响。 这些因素的影响可以通过气温和太阳辐射部分地体现出来。 8 塑丝丞遢逞超蹬画渔廑扬鲍硒究盆扭 综上所述，气温和太阳辐射是影响路面温度场的主要环境因素，二者具有与 路面温度场相似的变化规律；风速也是影响路面温度场的另一重要因素。本研究 在建立水泥混凝土路面温度场预估模型时，选取气温、太阳辐射和风速作为变量 进行预测路面温度，并用每隔半小时的实测气温、太阳辐射和风速数据修正理论 模型中的参数，使理论模型更好地模拟路面温度场。 2 2 北京地区水泥混凝土路面板温度场及气象数据分析 2 2 1 北京地区气候特征 北京气候的主要特点是四季分明，其特征如下： 春季：气温回升快，昼夜温差大。春季随着太阳高度角的逐渐增大，白昼时 间加长，地面所得热量超过支出，因而气温回升迅速。白天气温高，而夜间气温 低，是昼夜温差最大的季节。 夏季：炎热，降水集中，形成雨热同季，高温持久稳定，昼夜温差较大。 秋季：冷暖适宜，光照充足。入秋后，北方冷空气开始入侵，降温迅速。 冬季：降水量占全年降水量的2 ，常出现连续一个月以上无降水( 雪) 记 录。冬季虽寒冷干燥，但阳光却多，每天平均日照在6 小时以上。 北京市以上气候特点决定了水泥混凝土路面较少出现冻胀现象。但春末夏 初、秋末冬初气温骤升骤降时期及夏季高温期易引起水泥混凝土路面产生较大的 温差，引起极为不利的水泥混凝土路面温度梯度。 2 2 2 北京地区太阳辐射及气温的变化规律 2 0 0 8 年6 月至2 0 0 9 年5 月，在北京通州区试验场内对水泥混凝土路面板进 行一年的温度场观测，通过在结构层不同深度处埋设温度传感器，连续观测年内 不同时刻的温度变化，并使用便携式气象站( 图2 1 ) 采集气温、太阳辐射、风 速等气象数据。温度传感器的布置方式如图2 2 所示。 9 图2 1 便携式气象站图 f i g 2 - 1p o r t a b l ew e a t h e rs t a t i o n 面层。 i 圣直4 至i 基层 乃7 乃7 万7 7 7 7 乃7 7 7 7 7 7 7 万7 7 7 ， 土基 图2 2 温度传感器埋置位置纵断面图 f i g 2 2p r o f i l ed i a g r a mo fb u r r i e dp o s i t o no ft h et e m p e r a t u r e 太阳日辐射量整体趋势明显呈季节性变化，见图2 - 3 ( 受观测条件限制，实 测有效天数为2 2 9 天) 。冬季太阳目辐射总量较低，约6 m j m 2 ；日辐射最大值出 现于夏季，达到2 6m j m 2 。夏季由于辐射量较大，将造成路面白天和夜晚较大 的温度差。 6 月7 月 8 月9 月l o 月1 1 月1 2 月1 月 时间月 2 月3 月4 月5 月 图2 - 32 0 0 8 2 0 0 9 年太阳日辐射量年变化曲线 f i g 2 3c u r v eo fa m o u n to fd a i l ys o l a rr a d i a t i o nb e t w e e nt h ey e a ro f2 0 0 8a n d2 0 0 9 图2 4 是晴天情况下，不同季节太阳日辐射量变化曲线。一天中，太阳辐射 量以半正弦形式变化：日出以后，辐射强度逐渐增强，到中午1 2 ：0 0 时，辐射强 度最大，然后逐渐减小到太阳落山，增强和减弱基本对称。 l o 玎 抖 纠 他 佰 住 9 6 3 o 鼍宝霜=杂薄匝 龟 毛 咧 妥 臻 叮 uz4b8l ul z1 4l bl gz uz zz 4 时问h 图2 4 不同季节的太阳辐射量日变化曲线 f i g 2 4c u r v e so fa m o u n to fd a i l ys o l a rr a d i a t i o ni nd i f f e r e n ts e a s o n s 太阳日辐射量每个月内的值大致相等，雨天辐射量会明显减少。图2 5 所示 为雨天( 2 0 0 8 年8 月2 1 日) 与晴天( 2 0 0 8 年8 月2 3 日) 太阳辐射强度对比图， 2 0 0 8 年8 月2 1 日最大太阳辐射强度仅为1 0 9 w m 2 ，日辐射量只有2 4 2m j m 2 ； 而2 0 0 8 年8 月2 3 日辐射强度达到7 9 7w m 2 ，日辐射量为1 9 7 8 m j m 2 。 专 蜊 憩 杂 骤 十晴天 uz 4 68 l u l z1 4l b1 8z u z z2 4 时间h 图2 5 晴天及雨天太阳辐射强度对比图 f i g 2 - 5c o m p a r i s o nd i a g r a mo fs o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yb e t w e e nf i n ed a ya n dr a i n yd a y 图2 - 6 是根据采集的气温数据资料得到的气温日变化曲线，图中表明：晴天 情况下，无论什么季节，气温日变化曲线基本相同。规律为：日最高气温一般均 在1 4 ：0 0 左右出现，日最低气温在日出前达到。从最低气温上升到最高气温所需 时间最多不超过1 0 小时，而从最高温度降低到最低温度需要1 4 小时左右，气温 上升速度比下降速度快，上午8 ：0 0 , - - 一1 0 ：0 0 之间气温上升最快，下午1 8 ：0 0 - - - 2 2 ：0 0 4 2 0 8 6 4 2 0 l 1 1 o o o o o o o 0 o o o o o o o 舳 加 如 加 加 降温最快。气温日变化及其变化特征均与太阳日辐射量有关系。 一2 0 0 8 7 2 2 2 0 0 8 1 0 2 9 uz468l ul z1 4l b1 8z uz z z 4 时间h 图2 - 6 不同季节的气温日变化曲线 f i g 2 6c u r v e so fd a i l yt e m p e r a t u r ei nd i f f e r e n ts e a s o n s 图2 7 是年气温和月气温日较差变化情况【2 2 】，春季气温上升和秋季气温下降 均比较快，一年中7 月份温度最高，1 月份温度最低；月平均气温日较差变化不 大，相对而言，春季4 、5 月份和秋季1 0 月份日较差变化大，夏季和冬季较小。 3 0 2 5 2 0 p1 5 篝1 0 3 o b 一一月平均气温 6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月1 月2 月3 月4 月5 月 时间月 图2 7 年气温变化和月气温日较差变化曲线 f i g 2 7c u r v e so f a n n u a lt e m p e r a t u r ea n dd a i l yt e m p e r a t u r er a n g ep e rm o n t h 图2 8 是太阳辐射量和气温年变化比较图。由图可以看出太阳辐射量和气温 年变化基本同步，都是从1 月到7 月增大，7 月到1 2 月之间逐渐减小，二者都 是7 月左右达到最大值。 踮 撕 加 垢 加 0 o 巧 加 p 越赠 时间月 图2 8 太阳辐射量与气温年变化比较曲线 f i g 2 8c o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e na m o u n to fd a i l ys o l a rr a d i a t i o n a n dt e m p e r a t u r e 2 2 3 路表温度与气温及太阳辐射量间的关系 图2 9 是不同季节路表温度( 本文中指距路面板顶部o 5 c m 处，下同) 与气 温和太阳辐射量日变化曲线对比图。路表温度与气温同步变化，却滞后于太阳辐 射量变化，约滞后1 - 3 小时，夏季滞后时间比冬季滞后时间长约1 小时。春夏 两季，路表温度基本都大于相对应时刻的气温值，冬秋两季，路面温度的最高温 一般要低于相对应时刻的气温值。这些特点都是由于太阳辐射造成的，夏季太阳 辐射量大，路表吸收太阳辐射量要大于路表和大气之间对流换热和辐射换热之 和，相对年变化而言，路表处于吸热状态，冬季则相反，处于放热状态。 ，一路表温度一一气温 l _ 5 1 2 昌 0 9 宝 蛹 0 6 菸 蜱 o 3 o o o24681 01 2 1 41 6 1 82 0 2 2 2 4 时i 厅l h ( a ) 2 0 0 8 7 2 2 路表温度与气温和太阳辐射量 日变化曲线比较 ( a ) c o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e nt e m p e r a t u r eo f r o a ds u r f a c e ，a i rt e m p e r a t u r ea n da m o u n to f d a i l ys o l a rr a d i a t i o no n2 0 0 8 7 2 2 2 0 望一2 赠 圹- 4 6 8 + 路表温度n 气温 o 4 o 3 盲 、 咖 o 2 蚕 0 1 o o 02 4 6 81 0 1 21 41 61 82 0 2 2 2 4 时间h ( c ) 2 0 0 8 1 2 11 路表温度与气温和太阳辐射量 日变化曲线比较 ( c ) c o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e nt e m p e r a t u r e o f r o a ds u r f a c e ，a i rt e m p e r a t u r ea n da m o u n to f d a i l ys o l a rr a d i a t i o no n2 0 0 8 1 2 1 l 2 7 2 4 2 l 1 8 赠 圹1 5 1 2 9 6 + 路表温度气温 时间h ( b ) 2 0 0 8 1 0 1 9 路表温度与气温和太阳辐射量 日变化曲线比较 ( b ) c o m p a r i s o nd i a g r a mb e t w e e nt e m p e r a t u r eo f r o a ds u r f a c e ，a i rt e m p e r a t u r ea n da m o u n to f d a i l ys o l a rr a d i a t i o no