濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度分布影響因素與最高溫度擬合研究

陳全

摘要：受濕熱地區(qū)氣候環(huán)境的影響，水泥混凝土路面瀝青加鋪層溫度場備受關(guān)注。文章選取濕熱地區(qū)典型路段觀測點，設(shè)計瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)溫度場測試方案，實測瀝青加鋪層溫度場，灰關(guān)聯(lián)分析加鋪層溫度場影響因素，并采用Matlab軟件，對加鋪結(jié)構(gòu)中的最高溫度進行回歸擬合研究。結(jié)果表明：路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度隨太陽輻射和氣溫的晝夜變化而呈現(xiàn)出周期性變化，隨著路面深度的增加，溫度的變化幅度減少，路表2 cm處溫度為極端高溫和極端低溫區(qū);各因素對路面結(jié)構(gòu)溫度場影響顯著性排序為：日太陽總輻射>日最高氣溫>日平均相對濕度>日平均風(fēng)速，并得到路表2 cm處最高溫度線性回歸分析方程。

關(guān)鍵詞：道路工程;濕熱地區(qū);瀝青加鋪層;溫度場;影響因素;回歸分析

0 引言

濕熱地區(qū)氣候以氣溫高、濕度高、雨量大、日溫差小、無風(fēng)或少風(fēng)為特點，多分布在廣東、廣西、福建等南方地區(qū)。自20世紀(jì)90年代以來，濕熱地區(qū)建有大量的水泥混凝土路面，受重載交通、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及養(yǎng)護等多種因素的影響，水泥混凝土路面常出現(xiàn)裂縫、錯臺、破碎、唧泥等病害，嚴(yán)重影響車輛通行安全和路面服務(wù)質(zhì)量，亟待維修改造[1-2]。加鋪瀝青混凝土罩面層是一種較理想的改造方案[3]，但因瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的特殊性，濕熱地區(qū)瀝青加鋪層易出現(xiàn)車轍、水損害等早期破損，加鋪層溫度場催生了車轍病害的發(fā)育。盡管國內(nèi)外對瀝青路面溫度場已有較多研究[4-9]，但針對濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度場研究尚未有報道。因此，對濕熱地區(qū)水泥路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)溫度場及影響因素進行研究顯得尤為必要，可為瀝青加鋪層材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計及溫度應(yīng)力分析奠定基礎(chǔ)。

1 溫度場實測方案

1.1 儀器選擇及布置方案

1.1.1 儀器選擇

選用Cu50溫度傳感器，量程在-80 ℃～400 ℃，精度為0.1 ℃，WST-XSL智能巡回檢測報警儀自動讀取并打印溫度數(shù)據(jù)。

1.1.2 布置方案

為掌握濕熱地區(qū)典型路段瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的溫度變化情況，考慮到加鋪結(jié)構(gòu)、地理位置等多種因素的影響，選取多處觀測點，分層埋設(shè)溫度傳感器。對于舊混凝土路面和基層，采用鉆芯機鉆孔到一定深度，埋設(shè)傳感器后立即澆筑水泥混凝土固定。為確保溫度傳感器的有效性，在舊水泥路面和基層中同一位置布置2根傳感器，面層中同一位置布置多根傳感器。代表性的觀測點溫度傳感器埋設(shè)及布置方案如圖1所示。

1.1.3 觀測周期、頻率

觀測周期為3年，每月3次，分別是每月上旬、中旬和下旬，每次觀測時間為1 d（共24 h）。在氣溫最高的7月、8月及溫度最低的12月、1月，選擇連續(xù)高溫及連續(xù)低溫的時間各加密觀測一次。智能溫度巡檢儀WST-XSL可任意設(shè)置檢測時間間隔，設(shè)定為每小時記錄一次數(shù)據(jù)，并自動打印。

2 溫度場測試與結(jié)果分析

溫度對瀝青加鋪層最不利的影響常發(fā)生在夏季高溫期和冬季低溫期，本文著重分析其溫度場。

2.1 夏季高溫期濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度場

濕熱地區(qū)典型路段水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度變化代表性曲線見圖2、圖3。由圖可知，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度因太陽輻射和氣溫的晝夜變化而呈現(xiàn)出周期性變化，并隨著路面結(jié)構(gòu)深度增加，溫度變化幅度逐漸減少，路表晝夜溫差高達22.5 ℃，距路表63 cm處的路基溫度變化幅度卻僅有2 ℃。整個路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在距路表2 cm左右的SMA層內(nèi)，出現(xiàn)時間在14∶00左右。由于濕熱地區(qū)典型的氣候特征，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度在夜間比路表和大氣溫度更高，這是由于濕熱地區(qū)夏天溫度高，太陽輻射強，白天路面及整個路基吸收太陽輻射熱量，雖然夜間氣溫有所下降，但導(dǎo)熱慢使路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部熱量無法快速傳導(dǎo)，當(dāng)溫度還沒來得及下降時氣溫又往上升了。路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)升溫和降溫速度最快的都出現(xiàn)在距路表2 cm處的SMA層內(nèi)，升溫速度最快的時刻在10∶00左右，降溫速度最快的時刻在下午日落18∶00左右。結(jié)構(gòu)層內(nèi)最低溫度出現(xiàn)在距路表2 cm左右的SMA層內(nèi)，出現(xiàn)時間在日出前6∶00左右。路表溫度的波動與大氣溫度波動較為相似，并且隨路面結(jié)構(gòu)深度的增加，溫度波動滯后時間逐漸增加。

2.2 冬季低溫期濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度場

由圖4可知，在冬季低溫期，瀝青路面加鋪層路表下2 cm處溫度最低，最低溫度達0 ℃，各時刻溫度都比路表及路面各結(jié)構(gòu)層溫度低。路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)各點溫度最低時刻大約在6[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00-8[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00，溫度最高時刻大約在12[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00-14[KG-0.8mm]∶[KG-0.8mm]00。路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)各點溫度變化規(guī)律比較相近，升溫速度快，降溫速度相對比較緩慢。

從圖5、圖6可以看出，冬季寒冷時節(jié)，濕熱地區(qū)水泥混凝土路面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)層內(nèi)距路表2 cm處的SMA中溫度最低，在10 cm以內(nèi)的結(jié)構(gòu)層溫度都比路表溫度低。加鋪層內(nèi)溫度隨路面結(jié)構(gòu)深度變化先降低，而后逐漸升高。溫度梯度隨路面結(jié)構(gòu)深度增加而減小，到舊路基中已經(jīng)趨于零。

2.3 不同季節(jié)瀝青加鋪層溫度分布

由圖7可知，不同季節(jié)、月份的路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度隨大氣溫度和太陽輻射量的變化而波動，夏季路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度普遍比冬季溫度高。而且，無論夏季還是冬季，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度最高處在距路表2 cm處，這是因為距路表一定深度內(nèi)輻射吸收的熱量比對流換熱而散失的熱量多。但隨路面結(jié)構(gòu)深度的增加，溫度逐漸趨于穩(wěn)定常態(tài)，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的溫度梯度隨深度的增加而呈現(xiàn)衰減的趨勢。

因此，無論是夏季高溫期還是冬季寒冷期，路表2 cm處溫度都是極端高溫和極端低溫區(qū)，瀝青加鋪層的高溫車轍、低溫開裂等病害都與其有關(guān)。

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種分析系統(tǒng)影響因素主次的方法，作為一種系統(tǒng)分析技術(shù)，可分析系統(tǒng)中各因素的關(guān)聯(lián)程度[10]。根據(jù)濕熱地區(qū)水泥混凝土路面瀝青加鋪層現(xiàn)場溫度場測試數(shù)據(jù)，選取2008年4月到10月的20組現(xiàn)場測試結(jié)果，對路表下2 cm處最高溫度的影響因素進行灰關(guān)聯(lián)度分析，影響因素選取日最高氣溫（℃）、日太陽總輻射量（MJ/m2）、風(fēng)速（m/s）和空氣相對濕度（%）。數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

利用表1中的數(shù)據(jù)，計算各影響因素與路表下2 cm處最高溫度之間的灰關(guān)聯(lián)度為：E1=0.996 443（路表下2 cm處最高溫度與日最高氣溫的灰關(guān)聯(lián)度），E2=0.999 024（路表下2 cm處最高溫度與日太陽總輻射量的灰關(guān)聯(lián)度），E3=0.978 148（路表下2 cm處最高溫度與日平均風(fēng)速的灰關(guān)聯(lián)度），E4=0.990 902（路表下2 cm處最高溫度與日平均空氣相對濕度的灰關(guān)聯(lián)度）?；谊P(guān)聯(lián)度順序為：E2>E1>E4>E3（見圖8）。

由此可見，對于濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度場影響最大的因素是日太陽總輻射量，其次是日最高氣溫、相對濕度、風(fēng)速。濕熱地區(qū)大多在赤道附近，太陽輻射強度大，日最高氣溫高，空氣濕度大，從而引起瀝青加鋪層車轍病害。

濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度場測試結(jié)果表明：同一時刻下瀝青加鋪層內(nèi)溫度最高出現(xiàn)在瀝青路面面層下2 cm處。以瀝青加鋪層路表下2 cm處最高溫度為因變量，利用表1中數(shù)據(jù)，選取日最高氣溫、日太陽輻射總量、日平均風(fēng)速、日平均相對濕度為自變量，采用Matlab軟件對現(xiàn)場測試結(jié)果進行擬合回歸分析，進一步研究濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度場的影響因素?；貧w分析結(jié)果見表2。

從一次、二次線性擬合結(jié)果可知，在瀝青加鋪層路表下2 cm處最高溫度與日最高氣溫、日太陽輻射總量、日平均風(fēng)速、日平均相對濕度具有較好的線性關(guān)系，一次、二次線性擬合絕對誤差均值分別為0.77 ℃、0.29 ℃，相對誤差均值分別為1.79%、0.69%，計算誤差很小。因此，選用一次或二次線性擬合方程均可作為濕熱地區(qū)加鋪層層內(nèi)最高溫度（路表下2 cm處）的預(yù)測方程，二次線性擬合方程計算精度較高，計算誤差相對較小。實測加鋪層層內(nèi)最高溫度與一次、二次線性擬合方程計算結(jié)果見圖9。

5 結(jié)語

（1）瀝青加鋪層路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度因太陽輻射和氣溫的晝夜變化而呈現(xiàn)出周期性變化，并隨著路面結(jié)構(gòu)深度增加，溫度變化幅度逐漸減少。無論是夏季高溫期還是冬季寒冷期，路表2 cm處溫度都是極端高溫和極端低溫區(qū)。

（2）根據(jù)瀝青加鋪層溫度場測試數(shù)據(jù)，灰色關(guān)聯(lián)分析路表下2 cm處最高溫度的影響因素，對于濕熱地區(qū)瀝青加鋪層溫度場影響最大的因素是日太陽總輻射量，其次是日最高氣溫、相對濕度、風(fēng)速。

（3）應(yīng)用Matlab軟件，得出基于多影響因素的路表下2 cm處最高溫度線性回歸方程，計算的絕對誤差<1 ℃，相對誤差<2%，為進一步預(yù)測瀝青加鋪層溫度場打下基礎(chǔ)。

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作者簡介：陳 全（1974—），碩士，高級工程師，研究方向：高速公路運營管理。