（道路与铁道工程专业论文）基于海南气候特点的沥青性能指标分析与评价.pdf

a n a l y s i sa n d e v a l u a t i o no fp e r f o r m a n c ei n d e xo fa s p h a l tb a s e do n h a i n a nc l i m a t e b y c h e ny u a n b e c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n r o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o uz h i g a n g a p r i l 2 0 1 1 3 iii l 9 3 8 8 iii l舢y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担 作者签名 啤龌 日期 沙 f 年 y 9 2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被 查阅和借阅 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 娅犯 日期 加 停 日期 c 彻年 日 日 1 1 r 二 夕 月 月 r 卜 摘要 沥青路面长期暴露在外界自然环境中 除了承受车辆荷载外 还经受着各种 外界自然因素周期性变化的影响 海南省属于低纬度地区 有其独特的气候特点 本文全面调查了海南省各地区气象资料 参照美国s h r p 计划研究成果 系统地 研究了海南特有的自然条件对沥青路面的影响 并在此基础上对项目选定的s k 7 0 号沥青的路用性能进行评价 首先 收集整理海南各地区近三十年来的气象资料 借鉴美国s h r p 计划中 相关公式计算出海南地区沥青路面高 低温设计温度 在此基础上对海南地区进 行了沥青路用性能温度分区 其次 根据实测的气象资料和沥青路面结构层内不同深度处的温度数据 采 用灰关联理论讨论影响海南地区沥青路面温度场的主要因素 用o r i g i n e 软件建立 了海口地区沥青路面高 低温设计温度及温度随深度变化的预估公式 并将回归 公式与s h r p 计划中确定高 低温设计温度的计算公式进行比较分析 第三 根据气象学和传热学的基本原理 在整理实测数据和气象资料的基础 上 采用有限元软件a n s y s 详细分析了海口地区沥青路面非稳态温度场的问题 同时对海南地区沥青试验路面温度场实测资料和数值计算结果进行比较分析 验 证了本文有限元模型的合理性和准确性 第四 根据收集的海南地区的气象资料和g 2 2 5 海榆西线试验路结构方案以及 实测的沥青路面层材料的热工参数 分别建立有限元模型分析了面层热传导系数 基层厚度的变化对海口地区沥青路面结构内温度分布的影响 并采用三因素三水 平正交试验法讨论了影响沥青路面结构温度场的结构和材料方案 最后 根据由海南地区气候特点确定的适合于海南地区沥青性能评价指标 对项目选取的s k 一7 0 号沥青进行了原样沥青的常规试验以及不同程度下的老化 包 括短期老化和长期老化 沥青残留物的常规性能指标 针入度 软化点 延度和 旋转粘度 和s h r p 高温性能指标的试验 并结合d s c 试验对s k 7 0 沥青的高温性 能和老化性能作出了评价 关键词 沥青路面 高温设计温度 低温设计温度 温度场 热工参数 正交试 验 性能评价 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n tl o n g t e r me x p o s u r et ot h en a t u r a le n v i r o n m e n t i na d d i t i o nt o t h ev e h i c l el o a d s i ta l w a y sw i t h s t a n d sp e r i o d i ci n f l u e n c e so fa l lk i n d so fc y c l i c a l c h a n g e si nn a t u r a lf a c t o r s h a i n a np r o v i n c eb e l o n g st ol o w l a t i t u d er e g i o n s s oi th a s i t su n i q u ec l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v es u r v e yo f r e g i o n a lm e t e o r o l o g i c a ld a t ai nh a i n a n o n es y s t e m a t i cr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h e i n f l u e n c eo fu n i q u en a t u r ec o n d i t i o n so na s p h a l tp a v e m e n ti nh a i n a nw h e nr e f e r r i n gt o t h eu s s h r pr e s e a r c hp r o g r a m f u r t h e r i ti st a k e nar o a d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f s k 7 0a s p h a l ts e l e c t e db yt h ep r o j e c t f i r s t l y a f t e rc o l l e c t i n gt h em e t e o r o l o g i c a ld a t ao f e a c hr e g i o no v e rt h ep a s tt h i r t y y e a r si nh a i n a n a n dc a l c u l a t i n gt h ed e s i g nt e m p e r a t u r eo fh i g h l o wt e m p e r a t u r eb yt h e r e l e v a n tf o r m u l ao fu s s h r pp r o g r a m i ti sc a r r i e do nt h et e m p e r a t u r ep a r t i t i o nf o r a s p h a l tr o a dp e r f o r m a n c ei nh a i n a na r e a s e c o n d l y a c c o r d i n gt om e a s u r e dm e t e o r o l o g i c a ld a t aa n dt h et e m p e r a t u r ed a t a c o l l e c t t e df r o md i f f e r e n td e p t h so fa s p h a l tp a v e m e n tl a y e r i ti sd i s c u s s e dt h em a j o r f a c t o r si m p a c t i n go na s p h a l tp a v e m e n tt e m p e r a t u r ef i e l du s i n gg r a yr e l a t i o nt h e o r y a n d e s t a b l i s h e dt h ep r e d i c t i o nf o r m u l ao fh i g h l o wd e s i g nt e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r e c h a n g i n gw i t ht h ed e p t hi nh a i k o uu s i n gt h eo r i g i n es o f t w a r e t h e n t h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i sw a sc a r r i e do u tb e t w e e nt h er e g r e s s i o nf o r m u l aa n dt h ef o m u l ai n t h es h r p p r o g r a m t h i r d l y a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fm e t e o r o l o g ya n dh e a tt r a n s f e r i ti s a n a l y z e dt h et r a n s i e n tp r o b l e mo fa s p h a l tp a v e m e n ti nh a i n a nd e t a i l l yb ya n s y s o n t h eb a s i so fm e a s u r e dd a t a m e a n w h i l e t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i si sc a r r i e do u tb e t w e e n t h em e a s u r e dt e m p e r a t u r ed a t aa n dt h en u m e r i c a lr e s u l tt e s t e do na s p h a l tp a v e m e n ti n h a i n a n w h i c hh a sv e r i f i e dt h er e a s o n a b l e n e s sa n da c c u r a c yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i nt h i sp a p e r f o u r t h l y a c c o r d i n gt ot h em e t e o r o l o g yd a t ai nh a i n a n t e s tr o a ds t r u c t u r es c h e m e o fg 2 2 5h a i y uw e s t l i n ea n dt h em e a s u r e dt h e r m a lp a r a m e t e r so fa s p h a l tp a v e m e n t m a t e r i a l s i ti se s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yv a r i a t i o no fs u r f a c el a y e ra n dt h ev a r i a t i o no fb a s et h i c k n e s so n t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ei n t e r n a la s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r er e p e c t i v e l y t h e n t h et h r e e f a c t o ra n dt h r e e 1 e v e lo r t h o g o n a lt e s ta r eu s e dt od i s c u s st h es c h e m eo f i i s t r u c t u r ea n dm a t e r i a li m p a c t i n go nt h et e m p e r a t u r ef i e l do fa s p h a l tp a v e m e n t f i n a l l y a c c o r d i n gt ot h ea s p h a l tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e xd e t e r m i n e db yt h e c l i m a t ei nh a i n a n i ti sc a r r i e do nt h er o u t i n et e s to fo r i g i n a la s p h a l tf o rt h es e l e c t e d s k 一7 0 井a s p h a l t a sw e l la st h er o u t i n ep e r f o r m a n c ei n d e x p e n e t r a t i o n s o f t e n i n gp o i n t d u c t i l i t ya n dr o t a r yv i s c o m e t e r t e s ta n dt h es h r ph i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ei n d e x t e s tf o rt h ea g e da s p h a l tr e s i d u ei nd i f f e r e n td e g r e e s c o n c l u d i n gs h o r t t e r ma g i n ga n d l o n g t e r ma g i n g t h e n i ti sv a l m a d ea ne v a l u a t i o no ft h eh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e s a n da g i n gp r o p e r t i e sf o rs k 7 0a s p h a l t c o m b i n e dw i t ht h ed s ct e s t k e yw o r d s a s p h a l tp a v e m e n t h i g h t e m p e r a t u r ed e s i g n e dt e m p e r a t u r e l o w t e m p e r a t u r ed e s i g n e dt e m p e r a t u r e t e m p e r a t u r ef i e l d s t h e r m a l p a r a m e t e r s o r t h o g o n a lt e s t p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i i i 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 沥青指标体系研究现状 2 1 2 2 沥青路面温度场研究现状 7 1 3 本文的研究内容 9 第二章海南省沥青路面气候分区研究 2 1 海南省气候概况 1 1 2 2 海南沥青路面设计温度 一1 5 2 2 1 海南省气候与美国气候的对比 1 5 2 2 2 海南省沥青路面高温设计温度 1 6 2 2 3 海南省沥青路面低温设计温度 1 8 2 2 4 海南省路面温度分区 2 0 2 3 本章小结 2 l 第三章路表温度场的模拟 3 1 沥青路面温度影响因素的灰色关联分析 2 3 3 1 1 灰色关联介绍 2 3 3 1 2 灰色关联度 2 3 3 1 3 路面温度影响因素的灰色关联分析 2 5 3 2 海口地区沥青路面温度场实测结果分析 2 8 3 2 1 试验路温度传感器设置 2 8 3 2 2 试验路实测温度场分析 2 8 3 3 道路结构高温季节温度场预测 2 9 3 3 1 沥青路面高温设计温度预测 2 9 3 3 2 夏季高温时期温度随深度的变化预测 31 3 4 道路结构低温季节温度场预测 3 2 3 4 1 沥青路面低温设计温度预测 3 2 3 4 2 冬季低温时期温度随深度的变化预测 一3 4 3 5 本文公式与s h r p 公式的对比 3 5 3 5 1 夏季路面最高温度公式及温度沿深度预估公式 3 5 3 5 2 冬季路面最低温度公式及温度沿深度预估公式 3 6 3 5 3 采用预估公式进行沥青p g 分级 3 7 3 6 本章小结 一3 7 第四章海南沥青路面温度场有限元数值计算验证 4 1 传热学基本原理 3 9 4 1 1 传热学基本理论 一3 9 4 1 2 沥青路面层状结构热传导方程 3 9 4 1 3 沥青路面层状结构热传导边界条件 4 0 4 2 海南沥青路面有限元分析参数 4 1 4 2 1 沥青路面温度场有限元路面结构材料热工参数 4 1 4 2 2 沥青路面结构温度场有限元计算边界参数 4 3 4 3 海南沥青路面温度场有限元数值计算验证 4 8 4 3 1 海口地区沥青路面热分析模型实例 4 9 4 3 2 模型的材料参数 气候条件以及边界条件 5 0 4 3 3 数值计算结果与实测值的比较 5 3 4 4 本章小结 一5 7 第五章海南地区沥青路面温度场数值分析 5 1 气温边界条件 5 8 5 1 1 海南地区气温条件 5 8 5 1 2 地温 6 0 5 1 3 其它参数 6 0 5 2 路面结构及材料热工参数 6 2 5 2 1 路面结构 6 2 5 2 2 路面结构层材料热工参数 6 2 5 3 沥青路面结构温度场分析 6 3 5 3 1 有限元模型示例 6 4 5 3 2 基层厚度对沥青路面温度场的影响 6 4 5 3 3 路面层材料热工参数对沥青温度温度场的影响 6 6 5 4 海榆西线沥青路面温度场正交试验分析 7 2 5 4 1 正交试验表表头设计 7 3 5 4 2 明确正交试验方案 7 3 5 4 3 正交试验指标结果计算及评价 7 4 5 5 本章小结 7 4 第六章海南道路沥青性能分析和评价 6 1 分析指标的确定 7 6 6 1 1 海南省地理 气候特点分析 7 6 6 1 2s k 7 0 性能指标分析 7 6 6 2s k 7 0 号沥青性能评价 一7 7 6 2 1s k 沥青胶结料常规指标 一7 7 6 2 2s k 沥青的老化特性及评价 一7 8 6 3s k 7 0 沥青热分析试验的分析与评价 一8 3 6 3 1 差热分析 d s c 在沥青分析中的应用 8 3 6 3 2 原样沥青的d s c 评价 8 5 6 3 3 老化沥青的d s c 评价 8 5 6 4 本章小结 8 7 第七章结论和展望 7 1 结论 8 8 7 2 建议 8 9 参考文献 9 0 致谢 9 3 附录a 攻读学位期间发表的论文及科研项目 9 4 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 随着经济的发展和人民生活水平的提高 海南省近年来修筑了越来越多的沥 青路面 沥青路面长期处于自然环境的影响中 除了承受车辆荷载作用以外 还 经受着持续变化着的各种环境因素如气温 太阳辐射 风 雨等综合作用的影响 随着作用时间的增长 修筑的沥青路面会不同程度产生病害 这将严重影响路面 结构性能和功能性能 造成了不良的社会影响 海南省公路交通量特点鲜明 运 输瓜果 蔬菜等的车辆超载 超限现象明显多于国内其他省份 海南省公路路基 土质条件复杂 如g 2 2 5 海榆西线老城至芙蓉田段存在大量的高液限土路基 考虑 到海南省气候条件 交通状况 土质和地方筑路材料特性 以及海南省既有公路 沥青路面结构和排水设计特点 沥青路面施工技术水平等 对海南省公路沥青路 面修筑的关键技术进行深入研究 提高沥青路面使用寿命和服务水平 显得十分 迫切 海南省地处我国最南端 纬度偏低 太阳辐射角大 尽管夏季日最高温在全 国范围内并不突出 但这里长夏无冬 高温天气持续时间长 而沥青路面的温度 要远远高于气温 夏季高温时期沥青路面温度甚至可以达到6 0 c 以上 可以说沥 青路面温度是影响海南地区沥青路面路面性能的直接因素 八五 国家科技攻 关项目 道路沥青及沥青混合料使用性能的研究 针对我国气候特点以气温为依 据提出了全国性的沥青气候分区 并将海南划为1 4 夏炎热冬温区 但是由于规 范分区没有考虑到路面温度 因此还是不能保证与沥青混合料的路用性能的良好 关系 我国公路自然区划曾将海南省分为i v 6 海南岛西部润干副区和i v 7 华南沿 海台风区 然而 仅有这些研究成果对海南省公路特别是沥青路面建设的指导是 不够的 而美国s h r p 计划研究成果 沥青及沥青混合料的气候分级 则将沥青 路面温度与路面性能直接联系起来 因此 如果我们可以参考美国s h r p 计划中 沥青路面分区的思想 根据海南地区实际的自然 气候条件特点确定沥青路面结 构内的温度分布状况 确定适应海南省气候环境和交通条件的高等级公路沥青路 面典型结构 同时研究适合于海南的沥青性能指标 并根据有关成果在省内路面 工程中选择段落铺筑沥青路面试验段 在试验段铺筑过程中进行施工质量抽检 在开放交通后进行跟踪观测 就可以大大提高海南地区沥青路面结构设计的针对 性 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青指标体系研究现状 1 2 1 1 国外研究现状 在现代公路建设中 沥青作为主要的材料 一直受到大家的重视 特别自从 9 0 年代开始 国外对沥青材料投入大量研究 与此同时许多国家和组织都结合其 地区的实际情况先后推出了针对各类道路石油沥青的技术规范和标准 各国现行的沥青标准主要分为三大类 一类是针入度级标准 一类是粘度级 标准 还有一类就是美国提出的s u p e r p a v e 性能级标准 1 9 8 7 年 美国国会批准建立公路战略研究计划 s h r p 历时5 年 投入1 亿5 千万美元 目的是为了改进美国道路的性能和耐久性 并提高道路的安全性 s h r p 计划的研究成果之一是提出了一个全新的 内容广泛的沥青混合料设计和分 析体系 s u p e r p a v e s u p e r i o rp e r f o r m i n ga s p h a l tp a v e m e n t s 规范 在s u p e r p a v e 中包括按性能分级 p e r f o r m a n c eg r a d e d 的道路沥青技术规范 它将沥青材料的粘 弹性能的本质用流变学指标进行量化 确定了沥青材料在高 中 低温三种情况 下与路面使用环境相关的流变特性指标 同时规范根据石油沥青适用的温度区间 将沥青分为7 个等级和3 7 个亚级 s u p e r p a v e 规范跟以往的规范之间的重要的区 别就是其要求的形式不一样 对于所有的性能等级 p g 来说 其物理特性指标 是不变的 而得到所有这些特性的温度却要根据沥青材料拟服务路面的外界气候 条件发生变化 s h r p 研究项项目投入了大量的人力和物力 研制出了许多昂贵的试验设备 其中包括动态剪切仪 弯曲梁流变仪 直接拉伸试验仪等 动态剪切仪d s r 主要 检测动态剪切模量g 和相位角6 以此来评价沥青的高温稳定性和耐疲劳性能 弯曲梁b b r 试验和直接拉伸d t t 试验主要是评价沥青的低温抗裂性 而旋转式 粘度计r v 则可以用来评价沥青的粘度特性 表2 1 性能等级胶结料规范节选1 1 ia a s h t om 3 2 0 0 3 性能等级 p g 4 6 3 44 04 6 平均7 d 最高路面设计温度 3 4 一4 0 4 6 原样胶结料 闪点温度 t 4 8 c 2 3 0 粘度 t 3 1 6 最大 3p a s 试验温度 1 3 5 动态剪切 t 3 1 5 g s i n 8 最小 1 0 0 k p a 试验温度 1 0 r a d s 4 6 2 旋转薄膜烘箱残留物 t 2 4 0 质量改变 最人 1 0 0 动态剪切 t 31 5 g s i n 5 t j 2 2 0 k p a 试验温度 1 0 r a d s 4 6 压力老化容器残留物 r 2 8 p a v 老化温度 9 0 动态剪切 t 3 1 5 g s i n 5 最大 5 0 0 0 k p a 试验温度 l o r a d s 1 07 4 蠕变劲度 t 3 1 3 s 最大 3 0 0 o m p a m 值 最小 0 3 0 0 试验温度 2 4 3 0 3 6 6 0 s c 直接拉伸 t 3 1 4 破坏应变 最小1 o 试验温度 1 o m m m i n c 2 4 3 0 3 6 s u p e r p a v e 沥青规范中最显著的优点是确定了沥青的各项指标与路用性能的 直接联系 规范中规定沥青结合料的选择必须与当地气温 路面温度状况 交通 状况相结合 同时规范还首次提出了沥青在路面使用过程中的长期老化 并利用 了研制出的压力老化容器 p a v 试验来模拟道路在使用期间内的老化性能 加拿大在1 9 9 0 年提出了新沥青标准 该标准仍然采用2 5 针入度对沥青进行 分级 但是在同一标号的沥青中又按6 0 粘度或1 3 5 粘度将沥青质量分成a b c 三级 如表2 2 所示 表2 2 加拿大新沥青标准对粘度的最小要求1 2 l 针入度 2 5 6 07 08 0l o o1 2 01 5 02 0 03 0 04 0 0 a 级 6 0 p 口 s 2 1 01 7 51 5 01 1 59 27 05 03 l2 1 5 1 3 5 2 m m 2 s 4 0 03 6 03 3 02 9 02 5 52 2 518 51 4 51 2 0 b 级 6 0 p 口 s 1 5 01 2 5l1 08 56 85 33 92 4 51 7 5 1 3 5 c m m 2 i s 3 l o2 8 02 6 02 2 52 0 01 7 51 4 51 1 59 5 c 级6 0 p 口 s 1 1 09 07 55 54 33 22 31 4 58 8 1 3 5 m m 2 s 2 3 52 0 5 1 8 5l5 01 3 01 0 78 46 04 6 澳大利亚并没有全面地依据其不同地区的实际情况来对沥苛进行分级 而是 简单地将沥青按粘度分为四级 如表2 3 所示 表2 3 澳大利亚沥青粘度分级 g r a d e p r o p e r t y c l a s s 5 0c l a s s l 7 0c l a s s 3 2 0c l a s s 6 0 0 m l nm a xm l nm a xm l nm a xm l nm a x 粘度6 0 尸口 s 4 06 01 4 02 0 02 6 03 8 05 0 07 0 0 粘度1 3 5 cm m 2 s m i n 0 20 3o 2 50 4 50 4 0o 6 5o 6 00 8 5 针入度2 5 c1 0 0 9 5 s0 1 m m 1 3 06 6 24 02 0 闪点 2 5 02 5 02 5 02 5 0 3 三氯乙烯不溶性物质 20 0 0 16 0 0 2 0 0 0 h i r o l 2 0 7 o 3 0 5 关联度越大 表示该指标对路面温度的影响越大 由此可以得到各指标对路 面温度的影响程度排序 日最高气温 气压 海拔 纬度 平均相对湿度 平均风速 日照时数 根据关联度排序结果可知 气温对路面温度的影响最大 众多资料表明 路 表温度几乎与气温同步周期性变化 其他条件相同时 气温越高 路面温度也越 高 2 7 3 2 海口地区沥青路面温度场实测结果分析 3 2 1 试验路温度传感器设置 为了研究外界气温变化与海南地区沥青路面结构内部温度变化的关系 本项 目在海口地区修建一段沥青路面 埋设相应的温度传感器 在路旁架设小型气象 站 监测自然气温 风速 湿度 降雨等因素 修建的沥青路面采用铣刨出的旧 路中的沥青混凝土作为整平层和基层 然后铺筑路面 面层结构为三层 4 c ma c l 3 6 c m a c 2 0 s c m a c 2 5 传感器的布置如图3 1 所示 传感器埋设前全部重新标定 在结构层底部埋设6 个温度传感器测定结构内温度分布 在试验路旁架设小型气象 站 4 c ma c 1 3 溉吾混浚土t 竺竺 兰兰竺兰 卜一温度传感踟 j i l 一 一 8 c ma c 2 0 沥青混凝土 2 0 c m 旧沥青混凝土碎块 图3 1 海口地区试验路段温度传感器埋设图 3 2 2 试验路实测温度场分析 收集海口地区试验道路温度场实际观测数据 选取任意一天之中路面层各深 度处的温度和该天的气温绘制成图 如图3 2 所示 图3 22 1 9 海口地区沥青路面各深度处温度随气温e l 变化图 由图3 2 可知 1 在一天之中而言 最低气温一般出现在凌晨4 0 0 6 0 0 最高温度一 般出现在1 4 0 0 1 6 0 0 在凌晨o 0 0 6 0 0 这段时间内 气温很低 路面层 结构内的温度皆大于气温 路面结构中的最高温度发生在0 1 8 m 深度处 在白天 路表面的温度变化趋势与气温的变化大约吻合 可以看出气温是影响路表面温度 最重要的因素 路表温度的变化几乎与气温同步 2 随着深度的增加 温度波动的波幅逐渐减小 直至趋于稳定 从图可以 看出在道路0 1 8 m 处 温度变化曲线较平缓 而且最高温度出现在1 6 0 0 1 8 0 0 说明在0 1 8 m 深度处温度变化比气温变化要滞后 这是由于热量沿路面深度 方向的各层传导需要一定的时间 因此 外界环境的影响并不能马上反映在路面 结构的下层 因此随着深度的境加 道路内各层的温度变化比气温而占越来越滞 一 口o 3 不同深度处的路面结构内的温度差别较大 温度梯度也十分明显 从图 中可以看出路表0 0 4 m 处和0 1 8 m 处在同一时刻的温度差可以达到1 0 左右 同时路面结构同一深度处昼夜温差也较明显 越靠近路表 昼夜温差越大 例如 在道路结构性层0 0 4 m 处 一天之中的温差可以达到1 3 以上 同时 我们可以 发现 在沥青路面表面层0 0 4 m 处 温度变化的速率较大 上午9 0 0 1 2 0 0 温度上升很快 下午1 6 0 0 1 8 0 0 温度下降很快 而随着深度的增加 温度的 变化速率也显著减小 这也从另一个方面说明了导致沥青路面开裂的原因之一是 沥青面层本身的温缩 图3 2 虽然只显示了海南2 月一天之中的路面结构内不同深度处的温度变化情 况 但是通过对该试验路其它月份每天路面结构各深度温度的变化的统计分析可 以发现 图3 1 反映的温度场的变化趋势具有代表性 3 3 道路结构高温季节温度场预测 采用统计法来预测沥青路面结构温度场 需要很多的环境资料 特别气温和 太阳辐射的数据 太阳辐射对道路温度场有重要的影响 但是考虑到实际情况 太阳辐射并不易测得或者测得的太阳辐射与实际太阳辐射误差较大 相反 气温 资料较容易取得而且准确 因此 本文选取气温作为变量来预测海南地区沥青路 面温度 为了考察海南各地区沥青路面在最不利的温度条件下结构层内的温度分布情 况 本文选取海南省海口地区夏季高温和冬季低温时的极端温度进行道路结构温 度预测分析 3 3 1 沥青路面高温设计温度预测 以下是海口地区试验路2 0 0 9 年7 月份日最高气温值与对应的沥青路面表层以 下深度为2 0 m m 处的最高温度值的拟合关系 如图3 2 所示 6 6 5 4 y 2 h 48 彳 芸 嚣嚣x一 二二三 雩 主 y 孳 皂 t 妄i尹 784 5 2 p 蚕5 0 萋4 8 蓄4 6 交 4 4 系列1 澎一 啪7 魄5 4 6 6 虬2 2 4 一线性 幕列1 4 2 一多项式 系刮1 r 2 0 9 4 8 2 一多项式 系列1 t v 2 53 0 日最高气温 3 54 0 图3 3 路面层最高温度与气温拟合曲线 从图3 3 可以得到夏季高温季节沥青路面结构层内最高温度与气温的相关系 数 如表3 5 所求 表3 5 路面层最高温度与日最高气温相关系数表 一次方二次方三次方 相关系数 0 9 1 0 7o 9 1 1 80 9 4 8 2 从表3 5 可以看出三次方有较较高的相关系数 从图3 2 可以看出 三次方曲 线明显的随气温的起伏而变化 二次方和一次方对应的路面层最高温度虽然也随 着气温的升高而变化 但是并没有贴近气温的起伏 因此相比起来 三次方曲线 更符合实际情况 所以本文采用三次方拟合 拟合公式如下所示 互 缸 爿砭 b r 2 c 瓦 d 3 1 其中 相关系数r 0 9 4 8 2 收集整理根据实际观测得到的海口地区气象资料 引入日最高气温 纬度 海拔 日照时间 日风速 湿度等因素 采用o r i g i n e 软件 3 8 3 9 4 0 1 对沥青路面结构 层内最高温度进行回归后可以得到 夏 联 1 4 9 乙 1 4 8 k o 1 8 s 一0 2 8 v 0 0 1 u 一6 2 9 a t 1 1 l a t 一6 3 5 9 3 2 式中 巧一 一路面层结构内最高温度 乙 一日最高气温 k 一日气压 s 一日平均相对湿度 v 一日平均风速 u 一日照时间 a l t 一海拔 l a t 一一纬度 采用式 3 2 对海口地区实际测得的气象资料进行回归 并比较根据回归公 式计算得到的沥青路面结构层内的最高温度值与实测沥青路面结构层内最高温度 值 如图3 3 所示 图3 4 海口7 月份每天路面层最高温度实测值与回归值比较 从图3 4 可以看出 根据公式3 2 计算出来的海口沥青路面层的最高温度值总 体略高于实测温度值 从曲线走势来看 计算值与回归曲线幅度大致相同 说明 采用公式3 2 描述海口地区夏季高温时期沥青路面结构层内的最高温度具有一定 的准确性 3 3 2 夏季高温时期温度随深度的变化预测 综合各方面研究可知 沥青路面结构层内不同深度处的日最高温度与其深度 之间存在一定的关系 因此 我们可以先确定沥青路面结构层某一确定深度处的 日最高温度预估关系 再根据路面结构内日最高温度沿深度的分布趋势 得到任 意深度处的沥青路面的温度预估关系式 由图3 4 可知 随着深度变化 沥青路面结构层内的温度也相应地发生变化 且这种变化具有一定的规律性 因此 通过对收集到相关实测资料采用o r i g i n e 软 件进行回归 可以得出海南沥青路面层不同深度处的温度与路面层内最高温度的 关系 图3 5 距路表l o o m 深度处夏季高温时期的温度与路面层最高温度的关系 3 i 图3 6 距路表l e m 深度处夏季高温时期的温度与路面层最高温度的关系 表3 6 路面层各深度处与路面层最高温度相关系数表 一次方二次方 三次方 深度为1 0 c m 处 相关系数0 9 3 3 20 9 3 5 60 9 3 9 9 深度为18 c m 处 相关系数0 9 4 20 9 4 4 l0 9 4 4 2 由表3 6 可以看出 二 三次方的相关系数都很高 为了计算的简便 沥青路 面结构层内任意深度处的温度与路面层最高温度用二次方回归更合适 根据以上 两图的拟合曲线 可以得到夏季高温时期海口地区沥青路面温度场在不同深度处 的最高温度与路表最高温度的关系 拟合公式如下 疋 一 o 1 5 0 7 x 疋o z 一0 0 2 一3 0 5 4 8 t 2 0 z 一0 0 2 5 3 4 3 3 其中 c 一沥青路面结构下z 深度处的最高温度 瓦o m m 一沥青路面层内2 0 r a m 处温度 z 一沥青路面结构层下任意深度 m 3 4 道路结构低温季节温度场预测 3 4 1 沥青路面低温设计温度预测 整理海口地区1 月份每天的最低气温与对应的沥青路面结构层内的最低温 度 进行回归分析 可以得到以下相关系数 如表3 7 所示 表3 7 路面层最低温度与日最低气温的相关系数表 一次方 二次方三次方 相关系数 0 9 4 4 l 0 9 4 4 90 9 4 4 6 从表3 7 可以看出 二 三次方的相关系数略微大于一次方的相关系数 但 为了计算更加简便 本文采用一次方拟合 3 2 图3 7 海口地区试验路1 月份日最低气温与路表最低温度拟合曲线 从表3 7 和图3 7 可以知道 对气温进行一次方拟合预测符合海口地区的实际 情况 经整理后可以得到拟合公式 如下所示 互嗽 a 乙 d 3 3 4 f 恤缸 2 kj 4 其中 相关系数r 0 9 8 1 9 收集整理海口地区的1 月份实际观测到的沥青路面结构层内最低温度的资料 引入日最高气温 纬度 海拔 日照时间 日风速 湿度等因素 采用o r i g i n e 回 归软件对路面层结构内最低温度进行回归后可以得到公式 t m m 1 0 7 t o 3 3 7 k 0 0 1 s 0 0 3 v 0 1 2 u 6 2 9 a t 1 6 l a t 6 5 1 0 3 5 式中 t 衄 一路面层结构内最低温度 乙一日最低气温 k 一日气压 s 一日平均相对湿度 一一日平均风速 u 一一日照时间 么厅一海拔 l a t 一一纬度 采用式 3 5 对海南实测气象资料进行回归 并比较回归得到的路面层内的 最低温度值与实测路面层最低温度值 如图3 8 所示 3 3 图3 8 海口地区1 月份路面层日最高温度实测值与回归值比较 从图3 8 可以看出 根据回归公式 3 5 计算出来的海口地区1 月份沥青路 面层的最低温度值明显低于实测温度值 从曲线走势来看 计算值与回归曲线幅 度较相同 说明采用公式 3 5 描述海口地区沥青路面结构层内最低温度具有一 定的准确性 3 4 2 冬季低温时期温度随深度的变化预测 对海口地区1 月份低温时期所观测到的沥青路面层内不同深度处的最低温度 值进行整理分析 采用o r i g i n e 回归分析的可以知道 沥青路面层内各深度处的最 低温度与路表最低温度的关系用二次方回归最合适 由图3 8 和图3 9 是海南沥青 路面层不同深度处的温度与路面层内最高温度的关系曲线图 图3 9 距路表l o c m 深度处冬季低温时期的温度与路面层最低温度的关系 图3 1 0 距路表1 8 e r a 深度处冬季低温时期的温度与路面层最低温度的关系 表3 8 路面层各深度处与路面层最高温度相关系数表 一次方二次方 深度为1 0 c m 处 相关系数 0 9 5 2 l 0 9 5 8 2 深度为1 8c m 处 相关系数 0 9 4 4 8 0 9 4 6 9 从表3 8 可以知二次方的相关系数比较高 因此 路面层各深度处温度与路面 层最低温度用二方次回归是可行的 根据以上两图的拟合曲线 可以得到冬季低 温时期海口地区沥青路面温度场在不同深度处的最低温度与路表最低温度的关 系 拟合公式如下 乃 缸 0 7 4 7 x t 2 0 搠肘 z o 0 2 一4 0 2 8 9 t 2 0 z 一0 0 2 1 2 1 3 6 其中 劬一沥青路面结构下z 深度处的最低温度 疋 一沥青路面层内2 0 m m 处温度 z 一沥青路面结构层下任意深度 m 3 5 本文公式与s h r p 公式的对比 3 5 1 夏季路面最高温度公式及温度沿深度预估公式 下表是假定空气温度为3 5 5 和3 3 5 下 分别用s h r p 公式和本文根据实 测数据和气候资料计算出来的海口地区高温季节沥青路面表层以下2 0 m m 处的日 最高温度值以及路面结构层内不同深度处的温度值的对比结果 如表3 9 所示 表3 9 各高温公式计算路面层内不同深度处的温度结果对照表 气温 深度 2 03 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 计算值 r a m m m m m m m m m m m m m m m m m m m 3 5 5s h r p 值 6 0 86 05 9 3 5 7 8 5 6 35 4 85 3 35 1 85 0 34 8 8 拟合值 5 6 85 1 75 0 14 7 24 4 74 2 64 0 93 9 63 8 63 8 1 3 3 5s h r p 值5 8 85 8 15 7 45 65 4 65 3 25 1 95 0 54 9 14 7 7 拟合值5 3 9 5 1 8 5 0 34 7 54 5 1 4 34 1 33 9 93 8 93 8 3 图3 1 1高温季节气温为3 5 5 下沥青路面温度场沿深度分布结果 图3 1 2高温季节气温为3 3 5 下沥青路面温度场沿深度分布结果 从表3 9 和图1 1 图1 2 可以看出 根据本文回归公式计算得海口地区沥青路 面层内的温度值都明显的低于同一深度处的s h r p 公式的温度计算结果 通过以 上分析可以知道 采用s h r p 公式预估海南沥青路面结构内的温度是合适的 而 且在高温时期采用s h r p 公式更加偏于安全 3 5 2 冬季路面最低温度公式及温度沿深度预估公式 以下是假定空气温度为1 6 3 下 分别用l t p p 公式和本文根据实测数据和气 候资料回归公式计算出来的海