加熱型瀝青路面路表溫度預(yù)估分析模型研究

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(1.金華市公路管理局， 浙江 金華 321013； 2.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院， 浙江 金華 321004；3.金華市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站， 浙江 金華 321013； 4.磐安縣公路管理局, 浙江 磐安 322300)

加熱型瀝青路面路表溫度預(yù)估分析模型研究

湯振農(nóng)1，陶玨強(qiáng)2，林文巖3，周土瑤4，何敏芳3

(1.金華市公路管理局， 浙江 金華 321013； 2.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院， 浙江 金華 321004；3.金華市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站， 浙江 金華 321013； 4.磐安縣公路管理局, 浙江 磐安 322300)

加熱型瀝青路面防冰效果通常受路面結(jié)構(gòu)組合、加熱層溫度以及外界環(huán)境條件的影響,并可用路表溫度作為融雪化冰的控制指標(biāo)。采用有限元數(shù)值分析方法,探討了路表溫度與結(jié)構(gòu)層厚度、熱夾層溫度、環(huán)境溫度以及對流系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了熱穩(wěn)態(tài)瀝青路面路表溫度預(yù)估模型。結(jié)果表明：對流系數(shù)與道路面層厚度是影響熱夾層條件下瀝青路面路表溫度的主要因素，加熱層溫度與環(huán)境溫度是次要因素；瀝青路面路表溫度預(yù)估模型顯著性明顯，模型系數(shù)置信概率較高，溫度預(yù)測值與計算值之間誤差較小，模型預(yù)估精度良好。研究成果為低溫地區(qū)加熱型瀝青路面防冰控制策略提供了理論依據(jù)。

道路工程； 瀝青路面； 融雪化冰

0 前言

21世紀(jì)以來，全球氣候逐漸變暖，世界范圍內(nèi)的極端災(zāi)害天氣越來越頻繁。其中，冬季極端結(jié)冰天氣對車輛行駛安全造成極大威脅，據(jù)統(tǒng)計，因道路積雪結(jié)冰而導(dǎo)致的道路交通事故占冬季交通事故總量的35%以上[1]，同時，對受災(zāi)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響也不容小覷，如2008年初的特大雪災(zāi)，給中國南方地區(qū)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)537.9億元[2]。如何高效、便捷地融化路面冰雪已然成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點，目前最常用的方法是化學(xué)法，該方法通過在結(jié)冰路面噴灑融冰鹽溶液融化路面冰雪，其優(yōu)點包括使用成本低、噴灑簡單，但存在一些致命缺陷，如: 腐蝕道路材料、破壞道路附近生態(tài)等，使路面在既定維護(hù)周期內(nèi)出現(xiàn)意外路面損壞，大大縮短了路面養(yǎng)護(hù)周期，造成了無形的經(jīng)濟(jì)損失，難以滿足高效率、低成本、無環(huán)境污染的綜合要求，因此有必要尋求一種快速、經(jīng)濟(jì)、高效的除雪化冰措施。從能源角度看，路面加熱法融雪化冰過程的效率更接近于1∶1，同時通過風(fēng)能、地?zé)嵋约疤柲艿瓤稍偕茉吹挠行Ю?，可達(dá)到更高的能源利用率，體現(xiàn)了綠色低碳交通的發(fā)展方向。路面加熱法主要包括地?zé)峁芊ā㈦姛峤z法、太陽能蓄熱法、發(fā)熱電纜加熱法、碳纖維發(fā)熱線法、導(dǎo)電混凝土法等[3]，但其中大部分方法受安全性、耐用性、穩(wěn)定性以及材料制備難易性等因素制約，并不適用于實際道路，而發(fā)熱電纜加熱法由于其具有安全、耐用(壽命長達(dá)50 a)、環(huán)保等優(yōu)點，將鎧裝發(fā)熱電纜置于瀝青混凝土中有很好的抗壓性能，因此，利用發(fā)熱電纜進(jìn)行融雪化冰熱量可以保證，是一種安全、可靠的融雪化冰手段[4]。但天氣條件的變化會對路面的溫度場空間分布造成影響，如何在不斷變化的天氣條件下改變加熱層控制策略，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的路面融雪化冰效果，對于提高發(fā)熱電纜加熱法在實際使用中的適用性起到至關(guān)重要的作用。

為了定性分析路面熱處理方法的融雪化冰效果，本文采用有限元數(shù)值分析方法，充分考慮環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度以及路面結(jié)構(gòu)層厚度的影響，構(gòu)建了加熱型瀝青路面路表溫度的預(yù)估分析模型，研究成果為低溫地區(qū)結(jié)冰路面的加熱條件控制提供了技術(shù)依據(jù)。

1 瀝青路面溫度梯度分析模型

1.1 結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)

采用有限元實體建模技術(shù)，通過逐步試算，確定了用于模擬典型含熱夾層瀝青路面結(jié)構(gòu)的最佳計算模型尺寸為10 m×10 m×10 m的分層立方塊，瀝青面層底部施加一無厚度薄層，用以模擬瀝青路面內(nèi)置熱夾層。此外，根據(jù)不同等級的瀝青路面施工要求，確定了3種瀝青路面結(jié)構(gòu)層計算參數(shù)組合，如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)層計算參數(shù)結(jié)構(gòu)組合編號結(jié)構(gòu)層組合厚度/cm模量/MPa熱傳導(dǎo)系數(shù)/(W·m-1·K-1)面層1616001．781基層4020001．3墊層158001．3路基601．3面層1216001．782基層3420001．3墊層108001．3路基601．3面層1016001．783基層3020001．3墊層108001．3路基601．3

1.2 有限元網(wǎng)格劃分及邊界條件

有限元計算分析模型的網(wǎng)格劃分，如圖1所示。邊界約束條件為側(cè)立面為絕熱面，以防止熱夾層產(chǎn)生的熱量從模型側(cè)面流失；模型底端設(shè)置為4 ℃的恒溫面，以反映路面結(jié)構(gòu)下臥層溫度趨向穩(wěn)定的特征；模型頂面通過施加路表環(huán)境溫度和對流系數(shù)，以模擬由于環(huán)境溫度、風(fēng)速以及濕度的變化而形成的路表與外界環(huán)境之間熱量的傳遞。

圖1 有限元模型的網(wǎng)格劃分

1.3 計算分析方案及參數(shù)

結(jié)合南方地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)資料，認(rèn)為結(jié)冰時的路表環(huán)境溫度為-10 ℃，對流系數(shù)在7.8～22.6 W/(m2·℃)之間服從一定概率分布，且對流系數(shù)為15.3 W/(m2·℃)時概率最大，因此確定對流系數(shù)的計算值為7.8、15.3及22.6 W/(m2·℃)，具體計算分析方案及條件參數(shù)，見表2。

表2 道路環(huán)境及熱夾層計算參數(shù)熱夾層溫度/℃路表環(huán)境溫度/℃對流系數(shù)/(W·m-2·℃-1)780153226107．8-1015．322．67．8015．322．6207．8-1015．322．6

2 計算結(jié)果與分析

不同路面結(jié)構(gòu)層組合及對流系數(shù)的瀝青路面溫度梯度計算結(jié)果，如圖2和圖3所示。由此可知，①環(huán)境溫度、路面結(jié)構(gòu)與加熱層溫度相同時，在不同對流系數(shù)下，路表溫度隨對流系數(shù)的上升而下降，且下降速度逐漸變緩； ②環(huán)境溫度、加熱層溫度與對流系數(shù)相同時，在不同路面結(jié)構(gòu)下，路面溫度隨面層厚度增加而下降；③路面結(jié)構(gòu)、加熱層溫度與對流系數(shù)相同時，在不同環(huán)境溫度下，路面溫度隨環(huán)境溫度下降存在一定幅度的下降；④路面結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度與對流系數(shù)相同時，在不同加熱層溫度下，路面溫度隨加熱層溫度上升而上升。分析表明：在有熱夾層情況下，環(huán)境溫度及加熱層溫度的改變均會導(dǎo)致路面溫度的變化，變化的比例分別為10∶3和10∶7；面層厚度及對流系數(shù)的增加，降低了熱量傳遞的效率并增大了路面與外界環(huán)境間的熱傳遞能力，使路表溫度下降。

圖2 環(huán)境溫度0 ℃時有熱夾層條件下各路面溫度變化趨勢

圖3 環(huán)境溫度-10 ℃時有熱夾層條件下各路面溫度變化趨勢

3 路面溫度預(yù)估分析模型

3.1 條件參數(shù)組合

為了獲得不同加熱條件下的路面溫度，根據(jù)上述有限元分析模型及材料參數(shù)，結(jié)合我國近幾年氣象資料數(shù)據(jù)，共計組裝了1048組瀝青路面環(huán)境及熱夾層參數(shù)組合，如表3所示。通過計算不同工況條件下的路表熱穩(wěn)態(tài)溫度，構(gòu)建環(huán)境溫度、對流系數(shù)、熱夾層溫度、面層厚度與路表溫度的對應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

表3 瀝青路面環(huán)境及熱夾層參數(shù)取值范圍對流系數(shù)/(W·m-2·℃-1)環(huán)境溫度/℃熱夾層溫度/℃面層厚度/cm78～2260～-300～5010～16

3.2 路面溫度回歸分析模型

利用DataFit數(shù)據(jù)分析軟件，以路表溫度為因變量，環(huán)境溫度、對流系數(shù)、面層厚度與熱夾層溫度為自變量，通過系統(tǒng)逐步回歸分析，建立了瀝青路面路表溫度預(yù)估模型，如式(1)所示。

Y=-0.72×h+0.46×te-0.83×H+

0.51×th+20.92

(1)

式中:Y為路表溫度，模擬熱穩(wěn)態(tài)條件下的瀝青路面路路表溫度；h為對流系數(shù)，W/(m2·℃)，模擬道路表面與空氣間的對流傳熱；te為環(huán)境溫度，℃，模擬路表附近的環(huán)境溫度；H為道路面層厚度，cm；th為加熱層溫度，℃。

3.3 回歸方程顯著性檢驗

回歸方程(1)的顯著性F檢驗及回歸系數(shù)置信概率的t檢驗計算結(jié)果，如表4、表5所示，其中R2為0.92。由此可見，在顯著性水平為0.01的條件下，F(xiàn)觀測統(tǒng)計值>F0.01(3,1035)，回歸方程高度顯著，回歸系數(shù)具有很高的置信概率。

表4 回歸方程F顯著性檢驗數(shù)據(jù)來源自由度殘差平方和F值F001(3，1035)回歸410271887498944334殘差1035868919總和103911140806

表5 回歸方程及回歸系數(shù)t檢驗系數(shù)t值置信概率/%常數(shù)項2092363100h-072-4153100te0465089100th0518589100H-083-2300100

3.4 回歸模型精度分析

路表溫度預(yù)估模型的誤差分析結(jié)果，如圖4和圖5所示。由此可知，熱夾層溫度預(yù)測值的誤差變化范圍處于-13.50～13.48 ℃之間，平均絕對誤差為9.72 ℃，最大相對誤差為13.48 ℃；熱夾層溫度預(yù)測值的絕對誤差范圍主要集中在0～3 ℃之間，占總體誤差數(shù)的83.07%。誤差分析結(jié)果表明該模型具有良好的路面溫度預(yù)測效果。

圖4 熱夾層溫度預(yù)測值與計算值對比

圖5 誤差分布直方圖

4 結(jié)論

通過有限元數(shù)值分析方法，探討了瀝青路面路表溫度與路面結(jié)構(gòu)層厚度、熱夾層溫度、環(huán)境溫度及對流系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了瀝青路面路表溫度預(yù)估分析模型。分析表明瀝青路面路表溫度預(yù)估分析模型具有高度顯著性，模型系數(shù)置信概率較高，預(yù)測精度良好，能夠預(yù)估加熱型瀝青路面在不同外界條件下的路表溫度；各影響參數(shù)與路表溫度的相關(guān)性排序，由大到小依次為道路面層厚度、對流系數(shù)、加熱層溫度以及環(huán)境溫度，研究成果為路面加熱技術(shù)在低溫地區(qū)道路工程融雪除冰控制策略提供了技術(shù)支撐。

[1] 趙四龍,原鵬博,王少松, 等.高寒地區(qū)隧道路面發(fā)熱電纜融雪化冰試驗研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015,11(3):6-10.

[2] 王選倉,陸凱詮. 公路路面融雪化冰技術(shù)與發(fā)展[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2013,30(1):26-31.

[3] 尉學(xué)勇. 西藏高寒地區(qū)水泥混凝土路面太陽能融雪(冰)技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué), 2011.

[4] Rafferty N R,Baen P,Brown D O,et al. Considerations for application of mineral insulated electrical resistance heating cable[C].In:Petroleum and Chemical Industry Conference,Miami,2005.

1008-844X(2017)03-0022-03

U 416.217

A

2017-01-16

浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2015-2-21)

湯振農(nóng)(1985-)，男，工程師，從事道路工程養(yǎng)護(hù)及檢測工作。