沥青混合料摊铺碾压温度场模拟分析
Simulation Analysis of Paving Temperature Field of Asphalt Pavement
夏明1，徐邱彬2
（1.江苏省南京市公路管理处，江苏 南京 210016 2.江苏省常熟市交通局工程管理处，江苏 苏州 215500）
摘 要： 通过运用ABAQUS有限元软件，模拟了沥青混合料摊铺碾压后的温度变化情况，并结合京福高速公路徐州西绕城段试验路沥青混合料上面层摊铺时现场测试的数据，研究了沥青面层混合料在摊铺碾压过程中温度的变化情况，探讨了诸如大气温度、太阳辐射、风速等外界环境因素对混合料摊铺碾压时温度的影响关系，对指导现场施工、保证施工质量具有重要意义。
关键词： 沥青混合料、摊铺碾压温度场、模拟分析
良好的沥青路面质量最终要通过碾压来实现，如果碾压过程中出现任何质量问题，必将导致前功尽弃。据调查，我国许多新建高速公路的沥青路面通车后不久就出现早期损坏，很大一部分就是因为碾压时没有在适宜的碾压温度范围内进行碾压成型造成的。然而，由于受气温、风力、太阳辐射等各方面因素的影响，热拌沥青混合料降温规律极其复杂，实际操作这个碾压温度的范围是很难控制下降的规律，确定其有效压实 时间，才能保证沥青的。因此，只有通过掌握沥青混合料摊铺碾压温度混凝土路面压实度和实用性能的要求，这对于控制好沥青路面的质量具有重要的意义。本文运用ABAQUS有限元软件模拟了沥青混合料在摊铺碾压过程中的温度变化规律，并结合京福高速公路徐州西绕城段试验路的现场测试试验，分析沥青混合料摊铺碾压时的温度场变化关系。
在满足使用精度要求的基础上，根据已有的实测试验结果，采用最简单的边界条件和参数值，进行一定的简化理论分析还是很有必要的。以理论结合实测能更好的从根本上去把握沥青摊铺碾压温度场的一般规律，能为更精确的对沥青摊铺碾压温度场进行理论计算积累资料，同时在精度允许的范围内也可用模拟值来代替实测值。综合以上考虑，本文路面结构温度场的分析采用理论法的有限元数值方法。
沥青混合料摊铺碾压温度场随周围环境因素的变化而不断变化，为瞬态温度场。而瞬态温度场与稳态温度场主要的差别是瞬态温度场的场函数不仅仅是空间域?的函数，而且是时间的函数。但是时间域与空间域并不耦合，因此建立有限元格式时空间域?上用有限元离散，而在时间上则采用差分法。
本文采用有限元分析软件ABAQUS进行数值求解，具体建模分析过程如下： 1.1
1温度场分析方法
沥青路面温度场的分析方法主要有以温度检测数据为基础的统计分析法和以热传导学和气象学为基础的理论分析法两类。由于统计分析法需大量的人力、物力投入和长时间的观测统计，且通行性相对较差，因此，从工程实用考虑，
温度场数值分析时的热特性参数
本研究重在规律性，因此，沥青路面材料热
物理参数从相关研究文献中收集参考取值，鉴于在计算中采用不断变化的热物理参数会使数值求解方法过于复杂，故而在求解的过程中将沥青混合料的热物理参数视为常数，具体取值如下
表：
表1 本研究沥青混合料热物理参数取值
沥青混导热系合料类数λ 比热容C 密度ρ 文献来型 w/(m.℃) J/(kg.K) kg/m3 源 SMA-13 1.48 955 2200 兰中秋[1] AC-13 1.30 860 2100 倪富健[2] 基层对于沥青路面温度场的影响不容忽视，合理确定基层材料热物理参数也是非常重要的。吴赣昌等给出了高等级公路半刚性基层沥青路面中基层材料热物理参数的建议值[3]，本文取值如下表2所示：
表2 本研究基层材料热物理参数取值
基层材导热系数密度ρ 文献来料类型 λ 比热容C w/(m.℃) J/(kg.K) kg/m3 源 级配碎石 1.39 921 1800 任瑞波[4] 水稳碎石 1.10 810 2077 孙树利[5] 土基 1.30 860 1700 文献[3] 1.2
温度场分析的边界条件
对于路面结构，假设水平方向的温度梯度为
零，侧面的边界条件就可以不予考虑，因此，路面的上表面为主要边界，底部无限深处为次要边界。
1.2.1表面边界条件
表面为路面热传导的主要边界，路表与外界
环境主要通过三种方式进行着热交换，即太阳辐射、空气对流换热和空气辐射换热，即：
q=qs+qh+qap
式中，q为进入路面的热流密度；qs为路表吸收的太阳辐射强度；qh为空气与路表的对流换热；qap为空气和路表的辐射换热[6]。 ① 太阳辐射
路表作为一种黑体，其吸收的太阳辐射强度qs为
qs?as?q
式中as为路表对太阳辐射的吸收率，沥青混凝土为0.80～0.85[6]，本文取为0.85。 ② 空气对流换热及辐射换热
沥青路表和空气之间进行着对流换热与辐射换热，在ABAQUS中可以通过Surface film condition和Surface radiation to ambient来定义。路面表面与大气产生热交换的热交换系数hc主要受风速vw的影响，根据国内外研究结果[7,8]，两者之间呈现线性关系：
hc?3.7vw?9.4
式中：hc——热交换系数，W/(m2·℃)；
vw——平均风速，m/s；
对流换热及辐射换热与空气温度相关，空气温度采用实测值。 ③ 路面有效辐射
在ABAQUS中可以采用如下计算公式直接实现地面有效辐射的边界条件：
qF???[(TZ1|z?0?TZ)4?(Ta?T)4]
式中：qF——地面有效辐射，W/(m2·℃)； ?——路面发射率（黑度），沥青路面取0.81[9]； σ——Stefan-Boltzmann常数（黑体辐射系数），5.6697×10-8W/(m2·K4)； T1|Z=0——路表温度，℃； Ta——大气温度，℃；
TZ——绝对零度值，℃，-273℃；
1.2.2层间连续条件及底部边界条件 设路面各结构层之间的接触良好，在界面上既无热源，也无热量损失。也即，在层间界面，上下两层的温度T及热流q是完全连续的。 此外，对于半无限空间，在足够深处，由于表面热传导影响较小，其温度场随时间以及深度的变化均不明显，可以忽略不计，因而可以认为该处温度值为常数（地下常年不变温度值），取底部边界恒温T=20℃。在ABAQUS中通过Creat boundary condition定义底部边界条件。
通过以上分析，在路面结构（厚度、热学特性等）确定的情况下，影响其温度场的主要环境因素有沥青混合料的温度T、大气温度Ta、太
阳辐射瞬时值Q以及瞬时风速vw。在正确掌握
合理的边界条件及路面材料热特性参数的情况下，利用理论分析法可以方便、可靠地进行路面温度场的计算，研究沥青混合料的温度变化情况。 1.3 温度场的分析建模
京福高速公路徐州西绕城段采用了组合式基层沥青路面结构，其结构形式如下图1所示： 图1 试验路沥青路面结构 为此，建立沥青路面结构温度场分析模型，采用的单元类型为二次热传导单元。y方向沥青上面层网格尺寸为0.005m，中、下面层及基层网格尺寸为0.01m，土基网格尺寸按等比系数2扩大，网格数为30；x方向网格尺寸均为0.01m。 2温度场数值模拟结果及对比分析
2.1 温度场计算结果分析
取摊铺面层中点研究，其温度模拟计算结果
如下图：
图2 混合料上面层中点摊铺后温度变化曲线
由图我们可知，热拌沥青混合料在摊铺后及最初的碾压过程中温度急剧下降，在摊铺后的5
分钟内，一般会下降20～25℃左右，特别是中面层的温度，降幅甚至可达30℃左右，这主要是因为中面层的高热量源源不断地向上面层和下面层传递。而随着时间的推移，温度下降幅度减
缓，主要原因是热拌沥青混合料面层逐渐散失的
热量使得混合料表面附近的空气形成一个较高
的温度区域，这一高温度区域的形成对抑制热量的过大散失起到一个屏蔽作用（混合料与附近热
空气的温差缩减而热损失减少），热的空气屏蔽区一旦形成，外界环境中的常温区就已经远离混合料，相对较低气温对混合料的影响暂时减弱，从而保护了热拌混合料热量，使其以较缓慢的速度逐渐损失。
一般来说，聚合物改性沥青混合料的最佳压实温度大约在130℃～160℃之间，最高压实温度
最好不超过170℃。若压实时混合料温度过高，
会引起压路机两旁混合料隆起、 碾压后的摊铺层
裂纹、碾轮上粘器沥青混合料( 尽管用水喷洒) 及前轮推料等问题。而碾压温度过低时( 80℃以下)，由于混合料的粘性增大，导致压实无效或起副作用。研究表明：当混合料的初始温度每提高10℃，则碾压时间就可缩短16%；而最低碾
压温度每降低10℃，碾压时间需延长近30%。可见沥青混合料温度较高时，有利于提高路面的压实度，保证施工质量，由此更说明了对于混合料碾压时温度场研究的重要性。 综合分析数据可知，由于在摊铺后20分钟
时间里，混合料的温度就降到了100℃左右，因
此要抓住这一关键时间段碾压。 2.2 温度场计算结果与实测结果对比分析
为验证理论法数值计算分析的正确性，我们将京福高速公路徐州西绕城段试验路沥青混合料的上面层中点实测路面温度作为比较条件，进行同条件下的结果对比验证分析。在计算模拟中，根据实测时的外界各种条件参数，对沥青混合料上面层中点在摊铺碾压后的温度降温过程进行分析计算,将实测值和模拟计算结果一并绘制于图3中。
图3 混合料上面层温度场计算值与实测值的比较
从计算与实测图的比较可见，在摊铺后近40分钟时间内，计算结果与实测结果比较吻合，最大误差为3℃左右，其余大部分点位计算值与实测值均比较接近。分析可知，两者之间的误差可能由于模型与气象条件的简化以及材料参数的不同引起，但计算结果可以满足工程精度要求。在40分钟以后，随着时间的延长，实测中沥青混合料降温速度明显变慢，而模拟计算的温度值降温幅度仍然很大，这说明本文理论计算难以较好地反映后半段时间内混合料的降温规律，且理论计算得到的降温速度偏快。这些差别主要是因为理论计算模型中，材料的热物理性能参数的取值以及模型计算环境的假设上。首先。热传导方程中的材料热物理性能参数差异较大，同类材料在不同环境下也有差异，计算中采用的参数值应该在特定的应用环境中，通过物理实验得到，否则难免有误差。其次，在本文的理论计算模型中，采用的环境温度是大气温度，且只作用在混合料表面层上，而实际上，经上面分析可知，170℃左右的高温热拌沥青混合料摊铺在下承层上后，一段时间内，摊铺混合料面层上方就逐渐形成了一个热的高温空气屏蔽区，利于热拌混合料的温度保持，从而使混合料的温度下降缓慢，而在理论计算中是没有这层“高温保温层”。所以，在后时段理论计算得到的降温速度比实际要快，且理论计算降温速度也较快。
因此，在正确地掌握边界条件及路面材料特性参数的情况下，在摊铺碾压后大约40分钟时间内，路面温度场的理论计算与实测值非常接近，在40分钟时混合料的温度已经降到70℃～80℃，基本到了可压实温度的临界下限值。因而
用ABAQUS有限元软件程序可以用来模拟沥青混合料的降温情况，近似地得知混合料的实际降温规律。
2.3不同条件下沥青混合料温度随时间的变化关系
利用前面的数值计算分析，可以得出在各种不同条件下的路面结构摊铺温度场，模拟出其大概的降温规律（如下列各图），得知混合料降到可压实温度下限时的时间，进而为碾压施工服务。
图4 不同类型混合料的摊铺温度随时间的变化
图5 不同风速下混合料的摊铺温度随时间的变化
图6 不同气温下混合料的摊铺温度随时间的变化
