第27卷 第3期2010年3月
公 路 交 通 科 技
Journal of Highway and Transportation Rearch and Development工作状态怎么填
Vol 127 No 13 Mar 12010
文章编号:1002O 0268(2010)03O 0039O 05
收稿日期:2009O 06O 06
基金项目：交通部联合攻关项目(2005353341200)；山东省交通科技计划项目(2005Y001)
作者简介：庄传仪(1980-)，男，山东青州人，博士研究生，从事道路工程研究1(jcc1717@si na 1com)
沥青路面路表温度预估模型研究
庄传仪1,2，王 林2，申爱琴1，付建村2
(11长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064;
21高速公路养护技术交通行业重点实验室，山东 济南 250031)
摘要：以山东省永久性沥青路面试验路为研究对象，通过在试验路布设气象观测站，在沥青路面结构不同深度处埋设温度传感器，实测了2007)2008年每1h 的路面温度和气象数据。以距路表面20mm 深度处的路面温度作为路表温度，研究了试验路路表温度的分布规律，对路表温度与气温、太阳辐射强度、降雨之间的相关关系进行了计算分析。考虑到降雨对路面材料热学传导参数的影响，分别研究了雨天和晴天(或阴天)两种天气情况下沥青路面路表温度与气温的相关关系，建立了基于晴天(或阴天)和雨天时路表温度的预估模型。分析结果表明，沥青路面的最高温度和最低温度均出现在距路表面一定深度范围内，雨天情况下路表温度与气温存在着密切相关性；晴天和阴天时，前1h 的平均气温和前3h 的平均太阳辐射强度可以较为准确地反映路表温度。路面温度实测值和预测值的对比表明，预估模型具有较高的预测精度和实用性。
关键词：道路工程；路表温度；预估模型；温变速率；降雨中图分类号:U4161217 文献标识码:A
Prediction Model of Surface Temperatu re of Asphalt Pavemen t
ZHUANG Chuanyi 1,2,W ANG Lin 2,SHE N Aiqin 1,F U Jiancun 2
(11Key Laboratory for Special Area High way Engineering of Ministry of Education,
Chang .an University,Xi .an Shaanxi 710064,China;
21Key Laboratory of Expressway Maintenance Technology of M inistry of Transport,PRC,Jinan Shandong 250031,China)
Abstract:Taken the test road of Shandong perpetual asphalt pavement as rearch object,weather obrvation station was t up near the test road and temperature nsors were installed at different depths of the asphalt
pavement to measure the hourly climate data in 2007and 20081Taken the pavement temperature at 20mm depth from the surface as the surface temperature of asphalt pavement,distribution pattern of asphalt pave ment surface temperature were studied,and the relation of surface temperature with air temperature,solar radiation intensity and rainfall were analyzed 1C onsidering the effect of rainfall on thermal conductivity of asphalt pavement material,the relations between air te mperature and surface temperature of asphalt pavement during sunny (or cloudy)and rainy days were rearched respectively,and the prediction model of surface temperature bad on sunny (or cloudy)and rainy days were established 1The results indicate that (1)the maximum temperature and minimum temperature of asphalt pavement occur at a certain depth from the pavement surface;(2)there is a cl
o relation between surface temperature and air temperature when raining;(3)during sunny and cloudy days,the average temperatures before 1hour and the average solar radiation intensity before 3hours can more accurately reflect the float of road surface temperature 1Comparison between measured and predicted pavement temperatures indicates that the prediction model has excellent accurac y and good applicability 1
Key words:road engineering;surface temperature;prediction model;temperature changing rate;rainfall
0引言
路基路面结构直接暴露在大气之中，经受着自然环境因素如太阳辐射、外界气温、风速、降雨及蒸发等的影响，而这种作用的结果集中体现为路面温度场的复杂分布。温度对沥青路面的承载能力和使用性能都有显著影响，沥青路面的各种常见损坏，也直接或间接地与路面温度的分布状况有关[1-6]。对沥青混合料来说，温度的变化会导致其性能有较大的差异，在不同温度域的破坏模式有很大的不同：在低温温度域，沥青路面的破坏主要是由于温度降低过快或者温度反复降温等原因产生的开裂；在高温温度域，沥青混合料的劲度模量很低，混合料的破坏模式主要是失去稳定性，产生车辙等流动变形。研究沥青混合料的强度、稳定性、破坏模式等等，都必须与沥青混合料的破坏环境密切联系。用于评价沥青和沥青混合料设计的极端温度指标，如日最高路面温度和最低温度等，对路用性能的影响
至关重要[7]。相关文献研究表明，沥青路面的最高温度和最低温度均出现在距路表面一定深度范围内。因此，开展沥青路面路表温度变化规律的研究，对沥青的选择和沥青混合料的设计都具有重要的意义。
文献[3-5]对沥青路面温度场进行了一定的研究，并提出了相应的预估模型。这些研究都具有相当的理论价值和实际意义，但遗憾的是这些研究大都没有考虑降雨对沥青路面温度影响的差异，缺少针对路表特征温度变化规律的研究。根据山东永久性路面试验路实测路面温度和气象数据，利用预测模型与实测数据进行比较，发现降雨天气时利用预测模型的计算值和实测值之间误差比较大，对路面日最高温度和最低温度的预测精度较低。因此，本文针对不同的天气状况，根据气候变化可能的极端条件，预测路面在设计使用年限内沥青路面温度场的极端情况，研究路面温度场的变化规律，了解和掌握沥青路面路表温度的分布特性，以准确地预测沥青路面路表温度，为沥青混合料性能评价和沥青路面结构设计提供数据支持和理论依据。
1路面温度场设计与数据采集
准确翔实的路面温度数据是进行路面温度场分布规律研究的关键。为了获得准确的气象数据，在试验路附近修建了气象观测站，用以采集气温、湿度、直辐射、光合辐射、总辐射、降雨量、蒸发量、风速与风向、气压、日照时间、C O2等标准气象资料参数。沥青面层不同深度处的路面温度通过埋设在
温度传感器自动采集存储。温度传感器采用电阻式温度计，测量温度范围为-100~400e，精度?011e。温度数据采集仪采用山东省交通科学研究所研发的道路环境参数采集器。该仪器采用直流电源供电，可以连续供电3个月以上。温度数据采集仪器能够根据用户设定的采集周期持续地对温度数据进行采集与存储[2]。
沥青路面温度观测采集点选在鲁中地区某高速公路柔性基层沥青路面试验段，路面结构形式和温度传感器布设方案如图1所示：沥青混凝土面层按顶层、中间层和底层各布置1个温度传感器，柔性基层(LSM O30)布置2个温度传感器。
4c m SMA O13w¹
6c m AC O20wº
8c m AC O25w»
12cm LSM O30
w¼鲫鱼汤做法
w½
35c m水稳碎石
路基
注:¹传感器1，深度2c m;º传感器2，深度7c m;»传感器3，深度13cm;¼传感器4，深度19c m;½传感器5，深度26cm
图1温度传感器埋设方案
Fig11Embedment of temperature nsors in asphalt pavement 温度传感器的埋设过程为首先采用取芯机将埋设位置的沥青混凝土芯样取出，将预先捆绑好的温度传感器束埋设于指定位置，然后将路面回填密封，调试数据采集系统，开始采集数据。路面温度数据采集仪每30min自动采集并记录一次数据，将采集到的路面温度数据进行统计分析，得到沥青路面结构温度场的变化情况。
2路面温度场数据分析
211实测沥青路面温度场分布规律
根据2008年6月25日和2008年6月29日实测的每小时沥青路面温度场数据，给出晴天和降雨天沥青路面在不同深度处的温度变化曲线及其与气温、降雨量变化曲线的对应关系，如图2所示。由图2可以看出:
(1)路表温度表现出与气温相似的变化趋势，呈现轻微的滞后性。通常情况下，路表温度普遍高于气温，在不同季节随着气温的升高、太阳辐射的增强出现滞后特点的高峰变化。由于热量沿路面深度方向的传导需要一定时间，随着深度的增加，影响程度逐渐减弱，日变化差异越来越小，滞后程度逐渐加强，不同深度及不同结构层之间的路面温度分布曲线存在相位差。相对于路表(2cm深处)而言,7cm深处的
40公路交通科技第27卷
温度分布曲线的相位差约为1h，沥青层底部(26cm 深处)的相位差约为5h 。
在辐射日，路表最高温度一般出现在最大太阳辐射后的2~3h，通常在下午2)4时达到。根据实测不同深度处的路面温度，路面最高温度出现在路表,2008年路表最高温度高达58e ；而路表最低气温一般出现在凌晨5、6点。在雨天，由于降雨天气的出现，改变了材料的热工参数等特性，路表温度受降雨的影响较大，随降雨的持续逐渐下降。
(2)不论是晴天还是降雨天，路面温度的最大值和最小值均在路表面达到。路表最高温由于受太阳辐射等的影响，远比当天的最高气温高；路表最低温度由于降雨、降雪及夜间路表放热等原因，可能比最低气温还低，这表明路表温度在整个路面温度场中具有
控制意义。
图2 6月份沥青路面温度和气温的
小时变化曲线
Fig 12 Variation curves of hourly asphalt pavement
tem perature and air temperature in June
降温是沥青路面产生温缩裂缝的最直接起因，降温速率及降温持续时间都将明显影响沥青路面的温度裂缝。路面结构温度场前后不同时刻的温度差，即温变速率是表征路面发生温缩裂缝等破坏的重要参数。图3、图4给出了6月份和12月份路面不同深度温变速率的日变化规律曲线。
(1)在沥青路面温度场中，越靠近路面表面，温度变化速率越大，温变速率在路表面达到最大值。晴天时一般在上午9)11时温度上升速度最快，在下午
17)19时温度下降最快。随着深度的增加，温变速
率逐渐减小，较路表温度变化速率具有明显的滞后性。在沥青层底部，温变速率已很小。这一情况也从一个侧面说明了导致沥青路面开裂的重要原因是沥青面层本身的温缩[6]
。此外，路表升温时段明显少于降温时段，但路表升温速率要大于路表降温速率，这和路面升温时间段短于降温时间段是吻合的[8]。(2)降雨的出现，路面结构可能会在较短的时间内经历降温和升温的反复过程，路表的温度变化速率表现出较大的不确定性，多呈现升温和降温的交替变化，路面结构将承受拉应力和压应力的交替作用。路表的反复升降温变化产生的温度疲劳是发生温缩裂缝的主要原因之一。
画画儿童因此，路表温度在路面温度场的研究中具有控制意义，深入地研究环境因素对路表温度的影响机制和分布规律，对沥青混合料设计和路面结构优化组合，都具有重要的意义。
民间游戏图3 6月份不同深度温变速率的
日变化过程曲线
Fig 13 Variation curves of temperature changing rate at
different depths of pavement in June
图4 12月份不同深度温变速率的
日变化过程曲线
Fig 14 Variation curves of temperature changing rate at
different depths o f pavement in December
212 路表温度预估模型
通过山东永久性路面试验路实测路面温度场数据验证计算表明，在利用已有预测模型与实测数据比较时，由于降雨天气的出现，导致计算值和模拟值之间误差比较大[2]。因此，分析时，可预先根据日照时间及降雨量数据进行天气情况的判别归类，将实测数据分晴天(阴天)和雨天两个独立的气象单元进行处理[9]。21211 降雨天
根据试验段2008年2月)2009年2月路面温度
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第3期 庄传仪，等：沥青路面路表温度预估模型研究
矩阵测光
观测数据和气象数据，对降雨天气情况下路表温度和气温进行回归分析，结果表明：雨天时，路表温度与气温满足较好的乘幂关系，相关系数R 2为01897，具有较好的可信度和拟合精度，如图5
所示。
图5 雨天路表温度与气温的关系Fig 15 Pavement surface temperature vs 1air
temperature during rainy days
为了检验预估模型的适用性和准确性，根据山东滨州某柔性基层沥青路面试验段实测路面温度场数据，对路表温度实测值和由预估模型计算得到的预测值进行了对比分析，分析显示，数据点均匀且集中地分布在45b 等值线的两侧，预测值与实测值具有高度一致性，如图6所示。在缺乏其他气象数据的情况下，可以根据气温数据的变化简单预测路表温度的变化趋势
[10]
。图6 雨天路表温度实测值与计算值的对比Fig 16 Predicted v alue vs 1measured value o f pavement surface temperature during rainy days
21212 晴天和阴天
气温和太阳辐射的变化对于路表和路面结构上层的温度可以产生即时的影响，在接近表面处，路面的温度变化与气温几乎同步。通过路表温度与此前n 小时平均气温的相关结果分析(如表1)，路表温度与此前n 小时平均气温之间的相关系数，表现出先增大后减小的特征，且在n =1h 达到最大值。文献[3-5]等研究分析表明，气温对路表温度的影响可能并非线性，一般采用气温的幂函数表达其对路面温度的影响。通过试验路路表温度T 20mm 与气温T a 的
m 次方之间的相关分析，发现路表温度与气温的关系与二次多项式具有较好的相关性，如图7
所示。
图7 路表温度与气温的关系
Fig 17 Pavement surface tem perature vs 1air temperature
表1 路表温度与此前n 小时平均气温的
相关分析结果
Tab 11 Relation between pavement surface temperature and
average air tem perature before n hours
T a
中国象棋比赛T a 1T a 2T a 3济南01961019660196001958滨州
01943
01947
01941
01938
表2 路表温度与此前n 小时平均太阳
辐射强度的相关分析结果
Tab 12 Relation between pavement surface temperature and
average solar radiation intensity before n hours
强度Q Q 1Q 2Q 3Q 4济南
01426
01524
01562
01619
01602
研究同时表明[4-
11]
，太阳辐射是决定路面温度
状况最重要的因素之一，回归分析表明，路表温度T 20mm 与太阳辐射强度Q 的一次方的相关系数最高，相关性最强。在辐射日，路表温度最大值一般出现在最大太阳辐射后的2~3h，由路表温度与此前n 小时平均太阳辐射强度的相关性分析(见表2)，相关系数表现出先增大后减小的特性，当n =3时相关性最
强。这说明沥青路面路表温度与此前3h 左右时间段内的平均太阳辐射强度变化情况最为敏感。基于上述考虑，可以确定沥青路面路表温度T 20m m 的预估模型如下所示:
T 20mm =a 1+a 2T 2a 1+a 3T a 1+a 4Q 3,
(1)
式中,T 20m m 为沥青路面路表温度;T a 1为前1h 的气温;
Q 3为此前3h 平均太阳辐射强度;a 1~a 4为待定的回归系数。
利用最小二乘法原理对路表温度T 20mm 、此前1h 平均气温T a 1和此前3h 平均太阳辐射强度Q 3进行多元回归，得出依据气温和太阳辐射强度预估沥青路面路表温度的预估公式，如式(2)。表3为预估模型的回归分析结果，由表3可见，各回归参数均达到了较高的
42 公 路 交 通 科 技 第27卷
水平，预估模型具有较高的精度。
T 20mm =01511+01007T 2a 1+01871T a 1+151116Q 3,
(2)
表3 预估模型的回归分析结果
Tab 13 Regression ana lysis result of the prediction m odel
复相关系数R 判断系数R 2
经调整的判断系数R 2a dj
标准误差01982
01965
01965
21443
为了进一步验证晴天(或阴天)沥青路面路表温度预估方程的预测效果，根据山东滨州永久性路面试验段实测路面温度场数据，对路表温度实测值和由预估模型计算得到的预测值进行了对比分析，如图8所示，分析显示，数据点基本均布在45b 线的两侧，预
钱学森传测精度较高。
图8 晴天(或阴天)路表温度实测值
与计算值的对比
Fig 18 Predicted value vs 1measured value of pavement
surface temperature during sunny or cloudy days
雨天和晴天(或阴天)路表温度预估模型是建立在鲁中地区实测路面温度和气象数据回归分析的基础上。该试验路地处山东中部丘陵区，平均海拔206m，属于暖温带半湿润季风气候区，四季分明，雨热同季，春季干旱多风，夏季雨量集中，秋季温和凉爽，冬季雪少干冷，年均日照264716h，平均气温1218e ，年平均降水量60018mm 。路面温度场及路表温度预估模型的研究，将为研究鲁中地区及中国其他类似气候条件和高程地区路面温度场的月、日、小时变化规律，及路表特征温度与气象特征值的关系，提供基础依据。但中国地域广阔，由于不同地区之间所处地理纬度、气候差异等的不同，以及统计分析方法本身的样本偏差等问题，预估模型在其他地区应用时，须根据当地的实际观测数据对方程中的待定系数进行标定或修正。3 结语
(1)路面温度场的最高温度和最低温度均出现在
路表一定深度范围内，路表温度变化与气温几乎同步，呈现轻微的滞后性。太阳辐射强度对路表温度的影响表现出一定的滞后性，路表温度随太阳辐射的增强出现滞后特点的高峰变化，路表温度的最大值一般
出现在最高太阳辐射强度后2~3h 。
(2)降雨的出现，改变了路面材料的热工参数，基于对沥青路面温度场影响的差异，分别研究了基于晴天(或阴天)和雨天两种情况下沥青路面路表温度与气温的相关关系，通过实测数据回归分析，建立了晴天(阴天)和雨天两种情况下路表温度的预估模型，构建了路表温度域气象特征值之间的相关关系。
雨过彩虹(3)预测方程具有较为明确的物理含义，可以在一定程度上体现环境因素，特别是气温、太阳辐射、降雨对于沥青路面路表温度的影响机理。预测值比较符合沥青路面实际的温度分布状况，可以较为准确地模拟和反映沥青路面路表温度的变化规律。
(4)由于收集的温度数据受地域性限制以及统计分析方法本身的样本偏差等问题，上述预估方程在其他地区应用时，须根据当地的实际观测数据对方程进行标定或修正。
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第3期 庄传仪，等：沥青路面路表温度预估模型研究
