简论改性热反射改性沥青路面温度场数值模拟和模型试验选题

论文导读：热工参数见表1。表1模型各面层热工参数选择ANSYS有限元软件中固体热分析单元PLANEE55。各结构层单元划分情况如下：面层厚18cm，均匀划分为6层；基层厚40cm，均匀划分为8层；路基厚200cm，均匀划分为8层；土基厚492cm，划分为12层。收集宁波地区1971-2000年30年气象数据，整理可得年太阳能总辐射量约为4717，7月份
摘要：沥青路面的使用寿命与路面温度场休戚相关。本文以路面温度场物理模型为基础，采用ANSYS有限元分析软件对热反射改性沥青路面的温度场数值分析。结果显示，与一般沥青路面相比，其内部最高温度能降低约5℃。为了反映热反射改性沥青路面实际效果，进行实际环境下对比模型的温度观测。结果表明，热反射改性沥青路面的温度降低2℃，与模拟结果基本吻合。因此，增加沥青路面的热反射率，降低路面内部温度，能提高路面使用寿命。
关键词：沥青路面，温度场，热反射，对比模型
夏季，我国大部分地区高温炎热，气温普遍在35℃以上，太阳辐射强度高。沥青路面吸收大量的热量，并在沥青路面内蓄积，导致路表温度远高于气温，最高时超过60℃，形成了沥青路面的“热岛效应”。
沥青路面的使用寿命除受到车辆荷载影响外，还与路面内部温度场紧密相关。在温度荷载和车辆荷载的日复一日共同作用下，最终导致路面破坏，失去功能。因此，降低沥青路面的温度场是提高其寿命重要途径。
文献~[8]对各种情况下的沥青路面温度场分布规律、数值模拟、试验研究做了大量的研究，但关于由增加路表热反射率导致路面温度场变化的研究很少。本文以路面温度场物理模型为基础，采用ansys有限元软件进行沥青路面温度场模拟。通过计算分析，得出不同热反射率下沥青路面的温度场分布和变化规律。然后通过对比模型的试验结果验证其正确性。
1路面温度场物理模型

1.1传热模型基本假设

为了分析路面结构的温度场，对路面结构作如下基本假设：
(1) 路面各层材料是均质各项同性；
(2) 温度变化只与厚度有关，与道路长度无关；
(3) 路面各结构层接触良好，热传导连续。

1.2基本方程

从实际情况看，沥青路面结构温度场分布应视为二维分布。由n层组成的层状路面温度场，按平面应变问题进行研究，某一位置任意时刻的温度场 ，假设路面路面结构 层的导热系数和导温系数分别为 和 ，厚度为 ( ，其中 )，并令 ，
可推导出 满足热传导方程：

1.3层间接触边界条件

设路面各层接触良好，则在层间接触的上下层的温度和热流的连续的，即层间的温度函数 满足传热学的第四类边界条件：

上式中， 为路表按导热方式传给路面体的热量， 为沥青路面对太阳辐射的吸收率； 为太阳总辐射； 为空气与路表的辐射换热； 为空气与路表的对流换热系数； 、 分别为气温和路表温度。
2热反射沥青路面温度场数值分析

2.1模型的建立

选择典型的半刚性沥青路面结构作为研究对象。沥青面层由三层沥青混凝土层组成，5cmA-16上面层、6cmAC-20中面层、7cmAC-25下面层，基层为40cm厚的水泥稳定碎石，路面的宽度为12m，如图1所示。

图1 模型尺寸图
由于沥青混合料是温度敏感性材料，各混合料的热工参数有一定的差异，综合考虑，取个代表值，对计算分析结果影响可忽略不计。模型各面层热工参数见表1[9]。
表1模型各面层热工参数

选择ANSYS有限元软件中固体热分析单元PLANEE55。各结构层单元划分情况如下：面层厚18cm，均匀划分为6层；基层厚40cm，均匀划分为8层；路基厚200cm，均匀划分为8层；土基厚492cm，划分为12层。
收集宁波地区1971-2000年30年气象数据，整理可得年太阳能总辐射量约为4717 ，7月份平均最高气温31.6℃，平均气温27.8℃，平均最低气温2

4.8℃。根据文献[9]可得宁波地区气温的日变化曲线，见图2。

图2 气温变化曲线
有限元模型的边界约束和热荷载主要是温度以及考虑辐射而放大的空气对流荷载。根据有关文献，确定7.5m深度的土基底面温度恒保持在15℃。将面层的温度作为模型的一个已知的温度约束直接给定，以按照理论计算出的路表近地空气温度作为模拟气温值。中午时，路表温度远高于气温值，此时将计算值适当放大。
一般沥青路面、热反射率改性沥青路面太阳辐射吸收率分别为0.85和0.76，路表热交换系数B取20 W/m2•℃。选取夏天的某天10时刻、14时刻，对两路面进行温度场稳态模拟分析。模型热荷载加载图如图3所示。

图3 模型热荷载加载图

2.2计算结果与分析

经A论文导读：
NSYS运算分析，得到一般沥青路面和热反射改性沥青路面10时刻、14时刻温度云图见图4~7。

图4 一般沥青路面10时刻温度云图图5热反射改性沥青路面10时刻温度云图

图5 一般沥青路面14时刻温度云图图6热反射改性沥青路面14时刻温度云图
由上述温度云图，可以发现以下路面温度场变化规律：
(1) 路面同一深度不同位置的温度并不相同，这与假设存在一定的偏差。
(2) 路面各节点的温度变化趋势一致，随着深度的增加，其变化幅度呈下降趋势。
(3) 与一般沥青路面相比，热反射改性路面的最高温度降低了大约5℃。
10时刻、14时刻沥青路面温度沿深度变化曲线作图7~8。

图710时刻道路结构温度沿深度的分布 图814时刻道路结构温度沿深度的分布
由图7、图8可知，路表热反射率对路面内部温度的分布有很大影响。在靠近路表处，热反射改性沥青路面温度较一般沥青路面约小5℃，随着深度的增加，两种路面的温差幅度逐渐减少；气温低时，沿深度温度变化快，气温高时，反而变化慢。
3沥青路面面层模型试验

3.1试验模型

面层结构为18cm沥青面层(5cmA-16上面层+6cm中面层+6cm下面层)，在相应位置打孔，作为温度测点，见图9。

图9 模型测点布置图
将对比模型编号为A、B，A模型上面层的常规改性沥青中添加了6%Ti02，提高热反射率，其余均相同。将模型置于室外，利用温度采集仪每隔15分钟记录其温度变化情况。

3.2试验结果与分析

根据2010年5月31日、6月6日进行的模型试验温度场实际观测，上面层温度场和气温变化曲线见图10和图11。

图10 2010年5月31日上面层温度变化曲线 图11 2010年6月6日上面层温度变化曲线
从图可见，热反射改性沥青可使路面内部温度降低2℃左右。在改性沥青中掺入一定量的高折光指数的纳米材料TiO2后，可以有效降低沥青路面的太阳辐射的吸收率，减小热量在路面内的传导。
4结论
本文以沥青路面温度场物理模型为基础，利用ANSYS软件对沥青路面进行温度场模拟分析。与一般沥青路面相比，热反射改性沥青路面降低温度达约5℃。通过模型实验验证，热反射改性沥青路面内部温度要普遍低2℃以上。模拟的结果与现场结果的差异，主要在于模拟简化的条件与实际测试所处的环境条件存在一定的差异。因此，提高沥青路面的热反射率，降低路面内部温度分布，能提高路面使用寿命。
参考文献：
秦健,等.沥青路面温度场的分布规律[J].公路交通科技,2006,23(8): 18-21.
钟阳,等.沥青路面温度应力分析[J].大连理工大学学报,2007,47(6): 858-861.
[3]赵延庆,等.柔性基层沥青路面温度场测量与分析[J].中外公路,2006,26(6): 22-24.
[4]易富,等.周期性气候条件下路面结构体温度场模拟研究[J].地下空间和工程学报,2007,3(7):1378-1381.
[5]贾璐,等.沥青路面温度场数值预估模型[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(8):1039-1043.
[6]孙立军,秦健.沥青路面温度场的预估模型[J].同济大学学报(自然科学版),2006,34(4):480-483.
[7]宋福春,等.沥青路面非线性瞬态温度场的分析[J].沈阳建筑工程学院学报(自然科学版),2003,19(4):264-267.
源于：论文标准格式www.7ctime.com
[8]王昌衡,等.骤然降温下的沥青路面温度变化[J].中南公路工程,2007,32(2):113-115,126.
[9]吴赣昌.半刚性路面温度应力分析[M].北京:科学出版社,1995.
[10]ANSYS 1

1.0 有限元分析入门和提高[M].北京:国防工业出版社,2009.

作者简介: 开前正（1984-），男，安徽肥东人，硕士研究生，从事结构设计