К.т.н. Киялбай C.Н.

Казахская автомобильно-дорожная академия им. Л.Б.Гончарова

Анализ изменения температуры покрытия автомобильной дороги в зависимости от температуры воздуха

Большая часть территории Казахстана находится в IV и V дорожно-климатических зонах с сухим и жарким климатом. В этих зонах на изменение модуля упругости асфальтобетонных покрытий влияют тепловые процессы, передаваемые солнечной радиацией.

Процесс снижения прочностных свойств дорожной одежды также тесно связан с изменением тепловых процессов в их теле. Так как модуль упругости нагретых тел в твердом состоянии всегда ниже, чем в холодном. При увеличении температуры в жидких или вязких материалах резко возрастает испаряемость, т.е. и здесь происходит потеря прочностных свойств. Такие явления особенно ярко выражены в тех слоях дорожной одежды, где в их составе имеется содержание органических вяжущих.

В результате полевых исследований нами была установлена зависимость изменения температуры дорожных покрытий от температуры воздуха (солнечной энергии), которая имеет пропорциональную зависимость от снижения прочностных свойств (модуля упругости) асфальтобетонных покрытий.

Для измерения температуры покрытий в полевых условиях использовались полупроводниковые диоды (рисунок 1,2), точность показаний ±0,1^оС, а температура на поверхности покрытия измерялась стеклянными термометрами со шкалой деления до +70^оС с точностью ±0,5^оС.

Замеры производились на экономических перегонах автомобильной дороги «Шымкент–Кызылорда–Актюбинск–Орал–Самара», при этом показания снимались в 4-х точках дорожной одежды: на глубине 4-5 см (в теле покрытия), на поверхности покрытия и на высоте 1,0 и 1,5 м. До начала замеров определялось состояние погоды, температура воздуха и фиксировалось время начала измерений. Как видно из таблицы 1 время замеров колебалось в пределах 9⁴⁵ – 19¹⁰ часов.

При протекании через полупроводниковый диод фиксированного тока I в прямом направлении, напряжение U на диоде практически линейно зависит от температуры с коэффициентом /1/. Из этого видно, что при увеличении температуры диода на один градус напряжение на диоде увеличивается на 2 мВт. Поэтому в лабораторных условиях предварительно была установлена зависимость изменения напряжения на концах диода от температуры при протекании через диод постоянного тока. Температуру диода меняли от 0 до 80 ^оС. Для этого диод подключали к источнику постоянного тока, а сам диод помещали в лед (т.е. температура диода была равна нулю). В качестве измерительных приборов использовались мультиметры: первую подключали к источнику тока последовательно, чтобы зафиксировать силу тока, а второй – к концам диода параллельно, чтобы фиксировать изменение напряжения на концах диода. Схема соединения диода показана на рисунке 1 /2/.

Рисунок 1 - Электрическая схема подключения диода

Для исследования изменения температуры в слоях дорожной одежды и воздушной массы над поверхностью в течение суток была изготовлена специальная установка. В данную установку входят: полупроводниковые диоды, используемые в качестве термодатчиков; источник постоянного тока; два мультиметра – один для измерения напряжения на диодах (милливольтметр), другой – для измерения силы тока (миллиамперметр); переключатель диодов. На рисунке 2 приведена схема экспериментальной установки по определению температурного поля в слоях дорожной одежды и воздушной массы.

Рисунок 2 – Принципиальная схема экспериментальной установки по определению температурного поля в слоях дорожной одежды и воздушной массы

Установка представляет собой вертикально расположенную стойку, на которой, начиная от поверхности асфальтобетонного покрытия через каждые полметра имеются метки для крепления датчиков температуры (диодов), а также крепления для мультиметров и переключателя диодов.

На основании теоретических и лабораторных измерений была построена градуировочная кривая (график зависимости изменения напряжения от температуры), которая использовалась в полевых экспериментах при определении температуры дорожного покрытия на различной глубине и температуры воздуха над дорожным покрытием на различной высоте при помощи полупроводникового диода. Градуировочная кривая показана на рисунке 3.

По результатам замеров построен график изменения температуры покрытия в зависимости от температуры воздуха (рисунок 4). Здесь видно, что при увеличении температуры воздуха прямо пропорционально повышается температура дорожного покрытия. Это особенно ощутимо наблюдалось в теле покрытия (кривая 1). При этом разность температур составляла от 3,5 ^оС (при температуре воздуха +20 ^оС) до 22 ^оС (при температуре воздуха +53 ^оС). На поверхности дорожного покрытия также наблюдалось значительное увеличение разности температур (кривая 2): от 2 ^оС до 10,2 ^оС в том же интервале температур.

Рисунок 3 – Графики зависимости напряжения на концах

диода от температуры при силе тока 0,1, 0,2 и 0,3 мА

Температура нагревания покрытий также оказывает существенное влияние на состояние человека. На высоте, соответствующей уровню дыхания водителя легкового и грузового автомобилей над покрытием, т.е. на высоте 1,0 м (кривая 3) и 1,5 м (кривая 4), разность составляет 0,9 и 1,2 ^оС при температуре воздуха +20 ^оС и соответственно 2,3 и 4,1 ^оС при температуре воздуха +53 ^оС.

Температура

покрытия, ^оС

Температура воздуха, ^оС

1 – на глубине 4-5 см в теле покрытий; 2 – на поверхности покрытия;

3 – на высоте 1,0 м над покрытием; 4 – на высоте 1,5 м над покрытием

Рис. 4 – Изменение температуры на асфальтобетонных покрытиях

в зависимости от температуры воздуха

В графиках наблюдается разброс точек построения кривых. Это особенно сильно заметно на кривой 1 (в теле покрытия на глубине 4-5 см). Причинами отклонения кривых от точки построения являются:

– неоднородность материалов асфальтобетонных смесей, уложенных в слоях дорожной одежды;

– различия прочностных свойств покрытий из-за неоднородности содержания битума (также свойства битума) и заполнителей в составе асфальтобетонных смесей;

– различия физико-механических и других свойств битума и каменных заполнителей и т.д.

Разброс точек построения на кривых 2, 3, 4 не велик, в результате чего, коэффициент вариации не превышает 5 %.

Таким образом, с увеличением температуры воздуха возрастает температура нагревания покрытий, это особенно ощутимо на асфальтобетонных покрытиях, где коэффициент теплопроводности колеблется в пределах 1,12-1,67 Вт/(м·К).

Анализируя полученные результаты, можно сделать выводы, что увеличение размеров и процентного содержания щебня приводит к увеличению теплопроводности асфальтобетона. Это связано с тем, что щебень имеет большую теплопроводность, чем другие составляющие асфальтобетона. Так же из таблицы видно, что зависимость теплопроводности от влажности имеет нелинейный характер, и что с увеличением влажности образца увеличивается его теплопроводность. Это можно объяснить тем, что поры асфальтобетона, заполненные раннее воздухом при повышении влажности заполняются водой, имеющую большую теплопроводность, чем воздух.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М, Высшая школа, 1967, 599с.

2. Сайлаубекова Н.С. Влияние теплофизических свойств дорожной одежды на изменение микроклимата городской среды в жарких регионах Казахстана. Алматы, журнал «Вестник КаздорНИИ», 2004, №1, 78-80с.