林先山
（广州市公路工程公司，广州，510730）
【摘要】为探究沥青混合料运输过程的温度离析，本文利用ABAQUS有限元分析软件，通过构建运输过程中的混合料的温度场模型，模拟了不同配车方案下运料车内沥青混合料的温度场变化情况，结合运料车内混合料温差指标，选出温度差异最小的方案。
【关键词】沥青混合料；运料车配置评价；有限元法；温度场模型；温度离析；ABAQUS有限元软件
引言：
沥青路面施工机群的配置既要能保证整个施工流程的连续性，也应减轻运输过程中沥青混合料的温度离析程度。而运料车配置作为沥青路面施工机群配置中一个重要的环节，其优劣性对沥青混合料的温度离析程度有着重大的影响。本文利用ABAQUS软件，通过构建运输过程中的混合料的温度场模型，模拟了不同配车方案下运料车内沥青混合料的温度场变化情况，结合运料车配置的评价指标—运料车内混合料温差，对已配置的运料车方案进行评价，从而选出温度差异最小的方案。
1．运输过程中混合料热传递的影响因素
国内相关研究表明，影响运料车内混合料热量损失总量和运料车内混合料温度差的因素可归纳为五个方面：大气温度、风力、运输时间、混合料覆盖情况、车厢几何尺寸[1]。
在实际工作中，拌合站与施工现场之间的距离可通过混合料的运输时间来反映，运料车的车厢尺寸能转化成运料车的几何模型，混合料的覆盖情况可以用混合料与空气的对热换热系数来表征。本文主要针对一定的外界环境（大气温度、风力）下，研究不同的运输时间、混合料覆盖情况和车厢几何尺寸对运料车内混合料的温度场变化情况。
2．运料车配置评价指标
沥青混合料中沥青和骨料的导热性能较低，热量从混合料料堆的中心向四面传导的速度相当缓慢，当运输车抵达摊铺现场时，卡车周边物料的温度会明显低于物料中部的温度。为了能直接反映不同配车方案对这种差别的影响，将沥青混合料堆划分为表层、中层和内层三个温度区，每个温度区的初始温度可以看成是相同的。由于外部接触条件差异，车厢内三个温度区的混合料传热系数各不相同，到达摊铺机前混合料的温度可表示成如下所示：
T1为运输汽车车厢热态沥青混合料料堆表层及侧壁0~30cm范围内的温度，即表层温度；T2为运输汽车车厢热态沥青混合料料堆表层及侧壁30~80cm范围内的温度，即中层温度；T3为运输汽车车厢热态沥青混合料料堆表层及侧壁>80cm范围内的温度，即内层温度；t为沥青混合料从出料至摊铺之前所经历的时间；hn为不同温度区运输过程中车厢内热态沥青混合料的传热系数。
T3-T1差值直接反映离析的严重程度，在能满足施工连续性的多种配车方案中，运料车内混合料温差值最小的方案，认为是最优配车方案。
3．运输过程中混合料温度场模型
3.1仿真模型构建的基本假定
根据运料自卸车车厢的结构特点，作以下基本假定[2]：
（1）将车厢的栏板、底板假设为无限大平板，仅仅考虑其厚度方向上的温度变化；
（2）将沥青混合料也假设为无限大平板，考虑3个方向上的温度变化；
（3）假设沥青混合料刚装上自卸车时的温度是均匀的；
（4）不考虑各接触面间的接触热阻；
（5）仅考虑沥青混合料、车厢外壁与周围物体和空气存在的对流换热，采用对流换热系数衡量对流换热的强度。
3.2混合料温度场有限元模型构建
（1）几何模型创建
车内混合料几何模型构建方式为在自卸车的侧板正中取一个横向的切面，不仅可观测到沥青混合料温度场沿侧板方向的温度分布，而且能了解到从上层帆布层向下的温度梯度和下层底板向上的温度梯度。由于横向切面有相对于中间纵轴对称的特点，因此可只取其中的左半部分进行分析。
其中几何模型的长度为运料车车厢宽度的一半、高度为运料车车厢高度，正中间沥青混合料高度比两边高0.1m，侧板、侧板和帆布层厚度均为0.005m，混合料上表层为平滑曲线。
（2）参数取值
本文主要针对一定外界环境条件下，模拟不同配车方案下不同车厢尺寸、运输时间和覆盖情况对车内混合料的温度影响。设定混合料的出厂温度175℃，微风，空气温度考虑常温25℃和高温40℃。
在自卸车送料过程中，混合料顶部需考虑无覆盖和单层帆布覆盖两种情况，其他接触面为自卸车的底板和侧板，所以混合料传热状况需考虑沥青混合料、钢板、帆布的热力学参数。
表1三种材料的热力学参数
仿真模型中与空气接触的部位的空气对流换热系数[3][4]的取值见表2。
表2对流换热系数
4．模拟计算与分析
4.1运料车配置方案确定
为研究不同配车方案对运输过程中沥青混合料温度离析影响的状况，本文拟定了八种典型的运料车配置方案，并假设这八种配车方案均能保证整个施工流程的连续性。
运料车的配置主要考虑运输时间、混合料的覆盖情况和车型。当某个因素发生变化时，会产生一个新的运料车配置方案。根据以上三个因素进行运料车配置时，将每个因素又分为两个水平进行考虑，见表3。结合表3所列因素配置出八种运料车方案，见表4。
表3影响因素水平划分
表4运料车配置方案
4.2运料车配置方案仿真结果
采用有限元软件ABAQUS模拟八种运料车配置方案下运输过程中运料车内混合料的度场，选取运料车内混合料上表层某一结点进行观测。
运输时间为1800s时，每180s输出一次结果；运输时间为2400s时，每2400s输出一次仿真结果，见表5。
表5八种方案仿真结果
八种配车方案下，运料车内混合料上表层最终温度差异较大：当外界环境温度为40℃时，运料车内混合料温度比25℃情况下高，且温差约为15℃；25℃情况下，运料车内混合料的最低温度为140.8℃，最高温度为159.6℃，相差18.8℃；40℃情况下，运料车内混合料的最低温度为157.2℃，最高温度为162.0℃，相差4.8℃。
（2）通过表6可知，外界环境温度、运输时间、沥青混合料的覆盖状况和车型均对运输过程中沥青混合料的温度变化有影响。为了探究这四个因素对沥青混合料温度变化影响的大小，可考虑采用符合不考虑交互作用的正交设计[5，见表7，通过直观分析得到结果。
表7正交试验设计表
注：A，B，C含义同表3；D表示环境温度，D1表示25℃，D2表示40℃；Yi为混合料最终温度值
记KiJ为J因子下在i水平下的数值之和，kiJ为J因子下在i水平下的平均数。
由表7第一列因子A，作和：
,
，
因子A的平均温度值极差为7.4℃，因子B的平均温度值极差为1.6℃，因子C的平均温度值极差为2.4℃，因子D的平均温度极差为9.8℃。由此说明，在表7中所列的影响因子和水平中，环境温度和覆盖状况对运输过程中混合料的温度最终值的影响最大，运输时间次之，车型的影响最小。
（3）对比各方案的温度变化曲线，可以发现，当混合料采用单层帆布覆盖时，由于沥青混合料上表层与帆布层相接，要先同温度相对较低的帆布层发生热量的传导，产生热量的损失。开始的时候，帆布层的温度较低，因而吸收热量比较快，并且帆布的比热容也比较大，这样会从沥青料带走很多热量。帆布层同沥青层在开始的时候热传导效果比较明显，因此，同帆布层相邻沥青料的温度损失就比较快，随着帆布层温度的升高，其传导和对流作用在一段时间后达到平衡，使得外层沥青混合料温度的下降较之开始速度变缓。而混合料无覆盖时，在整个运输过程中，温度降低较为平稳，但是混合料最终温度比同样外界条件下采用覆盖时低约13℃左右。
（4）表6中，在不同的运料车配置方案下，经过一段时间，运料车内混合料都发生了不同程度的温度离析,见表8。
表8不同方案混合料达到不同离析状态所需的时间
注：表中“—”表示在本次仿真时间长度内，未出现相应的状态。
在不同的方案下，运料车内混合料无离析现象和发生轻度离析、中度离析的时间相差较大。同时可以发现，当外界环境为25℃，微风，运输时间约为1200s（20min）时，混合料即使不采用任何覆盖，运料车上表层混合料温度降低的也不明显。
（5）表6中，在25℃和40℃环境下，跟其他方案相比，方案2中混合料无覆盖、运输时间最长且采用了小尺寸车厢的运料，运料车内混合料最终温度值都是最最低的；方案7中混合料采用了单层帆布覆盖、运输时间相对较短且采用了大尺寸车厢的运料车，运料车内混合料最终温度值为8个方案中最高的，分别为159.6℃和162.0℃，而运料车混合料内层温度变化很小，可以认为还是175℃，因此方案7中运料车内混合料温差最小。
结语：
（1）运输时间、运输车车厢尺寸和混合料覆盖情况发生变化时，会产生不同配车方案。而这些因素可通过合理转化，并采用有限元软件ABAQUS对不同配车方案下运料车内混合料运输过程中的温度变化情况进行模拟，并通过比较混合料上表层的温度变化情况得出不同配车方案下运料车内混合料温度降低速度。
（2）不同影响因素对运料车内混合料的温度影响程度不同：外界环境温度影响最大，覆盖状况次之，运输时间其次，车型影响最小。
（3）运料车运输混合料时，选择在较高的运输温度下运输，混合料采用覆盖，且运输时间不宜过长，并选择车厢尺寸较大的运料车，有利于减轻运料车内混合料离析程度。
参考文献：
[1]薛礼新.沥青混合料温度变化规律探讨[J].工程与建设，2012.
[2]赵美琪.沥青混合料运料车温度场模型构建与程序开发[D].长安大学，2012.
[3]史春雪.基于有限元方法的自卸车运送中沥青料温度场仿真及分析[D].长沙理工大学，2005.
[4]杨世铭,陶文栓.传热学[M].北京：高等教育出版社.1998.
[5]汪荣鑫.数理统计[M].西安交通大学出版社,2009.