多孔改性混凝土复合式路面温度场分析

总第３０１期交　通　科　技
ＳｅｒｉａｌＮｏ．３０１
　２０２０第４期ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｎｏ．４Ａｕｇ
．２０２０ＤＯＩ１０．３９６３／ｊ
．ｉｓｓｎ．１６７１ ７５７０．２０２０．０４．０１９收稿日期：２０２０ ０４ １４
多孔改性混凝土复合式路面温度场分析
谭细明　王泽华
（中交第二公路勘察设计研究院有限公司　武汉　４３００５６
）摘　要　文中应用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立了ＰＭＣＣＰ模型，分别分析不同自然区划下和沥青层厚度变化下的温度场分布规律，从而得到推荐温度梯度值和温度梯度修正系数。

关键词　多孔改性混凝土　温度场　梯度值中图分类号　Ｕ４１６
近年来，
多孔改性混凝土上覆沥青层复合式路面结构（ｐｏｒｏｕｓｍｏｄｉｆｉｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐ
ａｖｅｍｅｎｔ，ＰＭＣＣＰ）应用普遍。

路面结构完全暴露于外界环境时，部分太阳辐射与大气辐射的能量从路面反射，其余部分会被路面吸收并以热能的形式存储在路面内部，导致路表温度很高，并受环境状况动态改变。

较高的路表温度可能严重危害路面结构强度和路面的使用效果，故分析路面温度场的影响规律非常重要，同时，对ＰＭＣＣＰ结构设计也具有一定的指导意义。

１　温度场计算模型的建立
１．１　单元选取
采用三维实体模型仿真路面结构温度场的变化情况。

运用ＡＮＳＹＳ有限元软件计算分析路面结构温度场，热单元选取三维实体热单元
ＴＨＥＲＭＡＬＳＯＬＩＤ７０单元［１］
，
结构模型图见图１。

图１　ＳＯＬＩＤ７０单元结构模型
ＳＯＬＩＤ７０作为三维实体单元用于三维热传
导分析，
单元由８个节点及正交异性材料特性所定义。

本单元适用于三维、稳态或瞬态热分析，对于稳态分析，
忽略比热和密度。

１．２　计算模型
根据多孔改性水泥混凝土的特性，结合文献
资料［２
］，确定多孔改性水泥混凝土路面结构横断
面图见图２。

路面宽１２ｍ，上面层为４ｃｍ沥青层作为功能层，提供道路结构的平整度，下部为３０ｃｍ的多孔改性水泥混凝土层，基层为１８ｃｍ水泥稳定碎石，底基层为１８ｃｍ水泥稳定砂砾。

边坡坡度为１∶１．５，地基深度取３ｍ，犡轴表示路面横向方向，犢轴表示路面结构厚度方向，犣轴表示路线方向。

图２　道路典型横断面图
在用ＡＮＳＹＳ软件计算分析时，通常把横断面图作为基础，运用扩大地基的形式，建立温度场有限元模型，再对网格进行划分，面层的单元格尺寸设定为０．２ｍ×０．２ｍ，高度为０．０１ｍ，基层和底基层单元格的高度为０．０１ｍ，土基单元格的高度为０．５ｍ，
温度场模型网格划分图见图３。

图３　温度场模型网格划分
１．３　边界条件及计算参数
在路面结构内，温度变化相对较小，路面结构参数可看做常数。

根据相关研究，通过回弹模量、密度、线膨胀系数和导热系数等参数来区别多孔改性水泥混凝土和普通水泥混凝土路面。

对路面结构层热物性参数取值见表１。

表１　道路结构层热物性参数
材料类型温缩系数／
℃－１
导热系数／
（Ｗ·ｍ－１·℃－１）
多孔改性水泥混凝土０．６×１０－５１．１
水泥稳定碎石０．８×１０－５１．２
水泥稳定砂砾１．４×１０－５１．２
土基５．０×１０－５１．３
不同温度的导热系数取值见表２，温缩系数取值为２×１０－５℃－１。

热交换系数的选取根据气候不同而选取不同的值。

表２　沥青层导热系数取值
温度／℃－２００２０６０
导热系数（Ｗ·ｍ－１·℃－１）　１．８３５１．２２２１．５６９２．３６４２　犘犕犆犆犘温度场分析
２．１　不同自然区划气候条件分析
在计算温度应力时，温度场的变化主要由气候的温度变化引起，其变化主要受太阳辐射的影响。

对各地区的气候条件进行简化，以热量资源作为分区的主要指标，根据温度的不同，对不同自然区划的温度场进行分析［３］。

参照ＪＴＪ００３－８６《公路自然区划标准》及中国气候分区图集等相关资料，对不同自然区划地区的温度特征进行划分，结果见表３。

表３　不同自然区划地区的温度特征℃公路自然区划ＩＩ，ＶＩＩＩＩＶ，ＶＩＶＩＩ
　７月平均最高
气温３４～３７３０～３５３６～４０２７～３１
　１月平均最低
气温－１０～－５－１２～－８３～７－１４～－１９ 根据各地区气候条件的不同，计算不同自然区划条件下温度场的分布状况，本文对气候的分区仅从一级区划来考虑。

２．２　不同自然区划温度场分布规律分析
根据模型及计算参数得出不同自然区划地区在不同季节下的温度场分布。

因为在路面温度分析中，最大温度应力主要发生在夏季炎热季节，对每一自然区划取具有代表性天气后进行夏季最不利状况的温度场分析，根据模型得出某一时刻路面结构的温度场分布图见图４。

图４　ＩＩＩ区夏季１４：００时的路面结构温度分布（单位：℃）根据不同的气温时刻表，取夏季１ｄ中的０６：００、１４：００、２２：００３个时刻，通过ＡＮＳＹＳ计算不同时刻道路结构的温度场分布，可得到温度随结构深度、时间的变化曲线见图５～图８。

图５　ＩＩＩ区ＰＭＣＣＰ温度随结构深度变化情况
由图５可见，在自然区划ＩＩＩ区，夏季炎热季节，１４：００时的温度路面结构温差最大，此时多孔水泥混凝土面层会达到最大正温度梯度，随着深度从路面延伸到路面底部，温度从５０℃降低到２０℃左右，温差变化较大。

在０６：００、２２：００时路面结构温度差呈现先增大、后减小的趋势，其在中面层及下面层时温度差达到最大值，然后随深度变化呈减小趋势，当深度到达１ｍ时，温度差变化幅度变小，基本保持不变。

图６为自然区划ＩＩ、Ｖ夏季高温季节的３个不同时刻的温度变化。

从图６可见１４：００时路面结构温度梯度达到最大，温度在路表达到最高。

６：００时，从路表面到底基层底部温度增大了４５％，在混凝土层温度达到最大。

２２：００时，从路表面到底基层底部温度增大了２５％，当深度增加时，温度基本不再随深度而变化。

图６　ＩＩ、Ｖ区ＰＭＣＣＰ温度随结构深度变化情况
图７为自然区划ＩＶ、ＶＩ夏季高温季节的３个不同时刻的温度变化。

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８谭细明　王泽华：多孔改性混凝土复合式路面温度场分析２０２０年第４期
图７　ＩＶ、ＶＩ区ＰＭＣＣＰ温度随结构深度变化情况
由图７可知，在自然区划ＩＶ、ＶＩ中，夏季路面结构温度随时间的变化呈现正弦变化，混凝土的上、中、下表面均在１４：００时达到最大值。

在夏季、炎热季节，１ｄ内，路面温度可以从２５℃变化到６０℃左右，变化幅度可达５５％，中部和底面由于温度相对较低，变化幅度相对较小。

图８为自然区划ＶＩＩ区夏季高温季节的３个不同时刻的温度变化。

图８　ＶＩＩ区ＰＭＣＣＰ温度随结构深度变化情况
由图８可以看出，在１４：００时，路面结构温度随着深度的加深逐渐减小，路表温度可达３７℃，随着深度加深，达到７０ｃｍ深时，温度减小到了１６℃，当深度达到１ｍ时，温度为１２℃左右，此时温度变化不是很明显。

２．３　不同自然区划的温度梯度分析
路面温度随路面结构深度的变化而产生变化，多孔改性水泥混凝土板的温度梯度是指板顶与板底的温差与厚度的比值，即温度梯度＝（混凝土板顶面温度－底面温度）／结构层厚度，温度梯度在温度场分析中有着重要的作用，温度梯度可以更加直观地反映路面结构的温度变化状况。

根据温度场计算结果，对不同区划采取的温度梯度值进行推荐，结果见表４。

表４　最大温度梯度标准值
公路自然区划ＩＩ、ＶＩＩＩＩＶ、ＶＩＶＩＩ
狋犵，犿／（℃·ｍ－１）６３～６８７１～７６６７～７３７５～８１
由表４可知，多孔水泥混凝土板的最大正温度梯度值为８０℃／ｍ，而普通混凝土最大正温度梯度可达１００℃／ｍ，因此，多孔混凝土的温度梯度一般小于普通混凝土。

２．４　沥青层对温度场的影响
由于沥青材料的温度敏感性，在水泥混凝土面层上加铺沥青面层时，多孔水泥混凝土面层的温度状况将会发生改变。

模型中ＰＭＣ表层距表面４ｃｍ，中部距表面１６ｃｍ，底部距表面３４ｃｍ，分析沥青层厚度变化对温度场的影响，从而提出合适的温度梯度修正系数。

２．４．１　沥青层有无对温度场的影响
以ＩＩＩ区夏季高温季节温度分布为例，分析沥青层对温度场的影响。

路面结构热物性参数选择见表５，据此得出夏季不同沥青层厚的温度场。

表５　道路结构热物性参数
狋ｍａｘ／
℃
狋ｍｉｎ／
℃
辐射吸
收率α狊
有效辐射
系数犆
犳
放热系数犅／
（Ｗ·ｍ－１·℃－１）３４．３２７．０
０．８７（有沥青层）
０．７６（无沥青层）
５．０１０．７
当不铺设沥青层时，路表温度较沥青层薄时稍小，夏季不同沥青层厚的多孔层温度分布曲线见图９。

图９　夏季不同沥青层厚的多孔层温度分布
由图９可以看出，当不铺设沥青层时，沥青材料在太阳辐射、对流作用下吸收了大量热量，导致热量传递到ＰＭＣ表层时，温度仍高于不铺设沥青层时的温度；当沥青层厚度大于２ｃｍ时，ＰＭＣ表层温度开始逐渐减小。

ＰＭＣ层深度越深，温度变化越小，当到达底层时，温度基本保持不变，这是因为随着热量向下传递，热量产生一定损耗，导致热量到达底部时相差不大。

２．４．２　冬季与夏季沥青层厚度变化对多孔层温度的影响
沥青混合料是一种典型的温度敏感性材料，随着温度变化，其力学指标与路用性能受到显著影响。

分别分析夏季高温季节与冬季严寒季节沥青层厚度变化对温度场的影响。

冬季ＩＩＩ区气温取值为２．４℃，地温为０℃，其余参数与计算方法同夏季一致，经有限元模拟分析，可得冬季不同沥青层ＰＭＣ层温度分布见图１０。

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２０２０年第４期谭细明　王泽华：多孔改性混凝土复合式路面温度场分析
图１０　冬季不同沥青层ＰＭＣ层温度分布
从图１０中可知，随着沥青层厚度的增加，ＰＭＣ层温度呈现先增大后减小的趋势，规律与夏季相似。

在沥青层厚度为２ｃｍ时，ＰＭＣ层温度达到最大，随后随着沥青层厚度的增加逐渐减小。

ＰＭＣ表层温度随着沥青层厚度变化较明显，中部及底部温度则变化不大。

２．４．３　不同沥青层厚的温度梯度修正系数温度梯度的变化对温度应力有较大影响，温度梯度受外界气温、太阳辐射及路面材料特性的影响。

由于不同材料的导热性能，对热量的传递、扩散效果不同，沥青层在路表通过辐射与对流作用，从大气中获得热量，并通过传导作用向路面结构传递，故其厚度的变化影响着混凝土板的温度梯度。

不同沥青层厚度的ＰＭＣ层温度梯度见图１１，由图９～图１１可知，在夏季时，ＰＭＣ层温度梯度达到最大，即最大正温度梯度在高温季节产生，为７３℃／ｍ。

图１１　不同沥青层厚ＰＭＣ层温度梯度
由图１１可以看出，起初沥青层在０～２ｃｍ时，温度梯度呈增加趋势，从６７℃／ｍ增大到７３℃／ｍ。

当沥青层厚度大于２ｃｍ时，随着沥青层厚度的增加，温度梯度逐渐减小，且减缓的趋势也逐渐减小，沥青层厚度从０ｃｍ增加２０ｃｍ，混凝土层的温度梯度先增大后减小，变化幅度达到６９．７％。

根据图１１试验数据的整理及分析，提出考虑沥青上面层厚度影响的修正系数ξ，其数值见表６。

表６　有沥青上面层的混凝土板的温度梯度修正系数ξ
沥青层厚度／ｃｍ２４６８１０１２１４１６１８２０温度梯度修正系数ξ１．１２０．９８０．８２０．７３０．６１０．５２０．４４０．３６０．３３０．３０
３　结语
通过对温度场、热物性参数进行选择并应用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立多孔改性混凝土路面ＰＭＣＣＰ三维模型的温度场进行分析，得到以下结论。

１）在夏季、炎热季节，路面结构温度场在１４：００时，ＰＭＣ层温度应力达到最大。

此时路面结构内温度随着路面深度的加深逐渐降低。

在６：００时及２２：００时，路面温度随路面加深呈现先升高后降低的趋势。

冬季温度变化同夏季基本相同，冬季时ＰＭＣ层的最大正温度梯度小于夏季时的温度梯度。

２）不同自然区划下，ＰＭＣ层的温度梯度有各自的推荐值。

３）通过分析沥青层对ＰＭＣ层温度分布的影响，得出当沥青层小于２ｃｍ时，ＰＭＣ表层温度升高，随着沥青层厚的增加，表层温度开始逐渐减小。

４）通过对夏季及冬季不同沥青层厚度下ＰＭＣ层温度的变化进行研究，提出了针对多孔改性混凝土复合式路面结构的温度梯度修正系数。

参考文献
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（下转第９０页）
６
８谭细明　王泽华：多孔改性混凝土复合式路面温度场分析２０２０年第４期
数逐渐降低，表面传荷能力逐渐降低。

故在设计过程中应在保证经济性的前提下，
加大布设密度。

３）当传力杆安装部位为上、中、下时，其中上、下布设为对称布置，上、下部位布设传力杆时，挠度传荷系数相同，表面传荷能力一致，当传力杆布设在中部时，
挠度传荷系数明显增加，故在设计时应当将传力杆布设于混凝土面板中部。

参考文献
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犛狋狌犱狔狅狀狋犺犲犐狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳狋犺犲犛犲狋狋犻狀犵犉
狅狉犿狅犳犉狅狉犮犲犜狉犪狀狊犿犻狊狊犻狅狀犚狅犱狅狀狋犺犲犔狅犪犱犜狉犪狀狊犳犲狉狅犳犔狅狑 犵
狉犪犱犲犆犲犿犲狀狋犘犪狏犲犿犲狀狋犢犃犖犌犑犻狀狓犻犪狀
（ＨａｉｎａｎＲｏａｄ＆ＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓａｎｙ
ａ５７２０００，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆａｌｏｗ ｇｒａｄｅｃｅｍｅｎｔｐ
ａｖｅｍｅｎｔｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎ，ｓｐａｃｉｎｇａｎｄａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｆｏｒｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒｏｄａｔｔｈｅｊｏｉｎｔｏｆｔｈｅｃｅ ｍｅｎｔｐａｖｅｍｅｎｔｏｎｔｈｅｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｕｎｃｈａｎｇｅｄａｓｔｈｅａｎｇｌｅｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ０°ｔｏ４５°，ｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａ ｔｉｏｎｓｐａｃｉｎｇｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ０．３ｍｔｏ０．５ｍ，ａｎｄｔｈｅｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｇｒａｄｕａｌｌｙ
ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｔｈｅｓａｍｅ，ａｎｄｔｈｅｌｏａｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｈｅｎｉｎｓｔａｌｌｅｄｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｌａｙ
ｏｕｔ．Ｆｏｒｔｈｅｌｏａｄｔｒａｎｓｍｉｓ ｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒｏｄｃａｎ＇ｔｃａｕｓｅｍｕｃｈｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅｗｏｒｓｅｔｈｅｌｏａｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙ
．Ｗｈｅｎｉｎｓｔａｌｌｅｄｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅ，ｔｈｅｌｏａｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｉｓｓｔｒｏｎｇ．犓犲狔狑
狅狉犱狊：ｄｏｗｅｌｂａｒ；ｌｏｗ ｇｒａｄｅｃｏｎｃｒｅｔｅｐａｖｅｍｅｎｔ；ｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ（上接第８６页）
犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犉犻犲犾犱犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犘狅狉狅狌狊犕狅犱犻犳犻犲犱犆狅狀犮狉犲狋犲犆狅犿狆
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犓犲狔狑
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９羊金贤：传力杆设置形式对低等级水泥路面传荷的影响研究
２０２０年第４期。