彩色路面反射率和內(nèi)部溫度的室內(nèi)測(cè)試分析

陳 俊，周 政，孫志林，張軍輝，王 真

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098；2. 公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué))，長(zhǎng)沙 410114；3.北京市政路橋正達(dá)道路科技有限公司，北京 100071)

隨著城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和建筑物密度的提高，夏季城市的熱島效應(yīng)日趨顯著，嚴(yán)重降低了人體舒適度，危害了居民身體健康. 在城市熱島效應(yīng)的影響因素中，除建筑物的高度和密度、車(chē)輛排放熱量、植被覆蓋率、人體感知等之外，路面對(duì)太陽(yáng)輻射的低反射率不容忽視[1-2]. 不僅如此，較低的反射率還造成大量的太陽(yáng)輻射能被路面吸收，內(nèi)部蓄熱量增加，造成更嚴(yán)重的熱島效應(yīng)[3-4]，同時(shí)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度大幅提升，更容易產(chǎn)生車(chē)轍、擁包等高溫?fù)p壞[5-8].

針對(duì)路面反射率低、吸熱量大的問(wèn)題，近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)路面材料反射率、熱反射涂層等進(jìn)行了研究. 文獻(xiàn)[9]采用近紅外分光光度計(jì)對(duì)瀝青混合料試件的切片進(jìn)行反射率室內(nèi)測(cè)試. 文獻(xiàn)[10]使用雙輻射傳感器進(jìn)行了路面反射率室外測(cè)試，并與室內(nèi)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)室外測(cè)試得到的反射率均小于室內(nèi)結(jié)果，分析認(rèn)為近紅外分光光度計(jì)法采用的混合料平整切片忽視了構(gòu)造深度，淡化了顏色，雙輻射傳感器法更符合實(shí)際. 文獻(xiàn)[11]采用雙輻射傳感器測(cè)試了太陽(yáng)輻射下水泥和瀝青路面的反射率，但發(fā)現(xiàn)采用雙輻射傳感器的室外測(cè)試結(jié)果可能受太陽(yáng)入射角度、輻射強(qiáng)度等影響. 可見(jiàn)，上述兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但雙輻射傳感器法比近紅外分光光度計(jì)法更符合實(shí)際，然而其測(cè)試結(jié)果受外界環(huán)境的影響并不明確. 此外，以TiO2為填料的熱反射涂層、以淺色集料鋪筑路表層等形式的降溫路面也得到了初步研究，并采用上述兩種方法對(duì)其反射率進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試與分析[12-15].

近年來(lái)，彩色路面越來(lái)越多的應(yīng)用于城市廣場(chǎng)、小區(qū)道路、停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)合，尤其與多孔路面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，鋪筑的彩色多孔路面，不僅發(fā)揮了美化道路環(huán)境、提升視覺(jué)效果、誘導(dǎo)交通、警示安全的效果，還起到排水、抗滑、降噪的作用[16]. 但是，目前太陽(yáng)輻射下彩色多孔路面的反射率、內(nèi)部溫度等均沒(méi)有得到系統(tǒng)地研究，與傳統(tǒng)路面相比，彩色多孔路面對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響，尚不明確.

本文采用雙輻射傳感器方法，室外測(cè)試了不同輻射強(qiáng)度、傳感器高度、太陽(yáng)入射角、測(cè)點(diǎn)環(huán)境下路面反射率，分析了上述因素對(duì)路面反射率測(cè)試的影響規(guī)律；針對(duì)室外測(cè)試受環(huán)境影響大的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了反射率室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了6種顏色路面材料的反射率和內(nèi)部溫度，并與黑色瀝青混合料和灰色水泥混凝土進(jìn)行了對(duì)比.

1 路面反射率測(cè)試的影響因素分析

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究，溫度、風(fēng)速等對(duì)路面反射率測(cè)試沒(méi)有影響，本文將分析太陽(yáng)入射強(qiáng)度、傳感器高度、太陽(yáng)入射角度和周?chē)h(huán)境對(duì)反射率測(cè)試結(jié)果的影響. 測(cè)試采用如圖1所示的雙輻射傳感器，兩個(gè)傳感器測(cè)試的波長(zhǎng)均為0.3～3 μm，其中朝上的入射傳感器，測(cè)試太陽(yáng)輻射的入射強(qiáng)度，朝下的反射傳感器，測(cè)試由路面反射出的輻射強(qiáng)度，反射率計(jì)算公式為

(1)

式中：A為反射率；R為反射強(qiáng)度，W/m2；I為入射強(qiáng)度，W/m2.

圖1 室外反射率測(cè)試的潛在影響因素

1.1 太陽(yáng)入射強(qiáng)度對(duì)反射率的影響

在傳感器高度為80 cm時(shí)，分別在2018-08-14(晴)和2018-08-15(多云)的午間(12:00—12:10)，測(cè)試了某多孔瀝青路面的入射和反射強(qiáng)度，并計(jì)算了反射率，結(jié)果如圖2所示. 可以發(fā)現(xiàn)，不論是晴朗還是多云天氣，太陽(yáng)入射強(qiáng)度都會(huì)產(chǎn)生很大波動(dòng)，原因主要是測(cè)試時(shí)間段內(nèi)大氣層中云量出現(xiàn)了較大的變化. 此外，由圖2還可以看出，反射率出現(xiàn)了與太陽(yáng)入射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牟▌?dòng)，太陽(yáng)入射強(qiáng)度越大反射率越大，入射強(qiáng)度越小反射率越小. 在晴天，隨著入射強(qiáng)度從1 376 W/m2減少到735 W/m2，10 min內(nèi)測(cè)得的反射率從9%下降到4%；多云天氣下，隨著入射強(qiáng)度從1 005 W/m2減少到543 W/m2，反射率從6.5%下降到2%. 這表明即使在晴天條件下，天氣條件(云量)對(duì)反射率測(cè)試結(jié)果也有顯著影響.

(a)晴朗天氣

(b)多云天氣

1.2 傳感器高度對(duì)反射率的影響

選取夏季晴天正午時(shí)分，在瀝青路面同一點(diǎn)分別進(jìn)行4種高度(20、40、60、80 cm)的反射率測(cè)試. 每個(gè)高度下，10 min內(nèi)測(cè)試得到的入射和反射強(qiáng)度如圖3所示. 可以看出，與圖2類(lèi)似，反射強(qiáng)度和反射率隨著入射強(qiáng)度的波動(dòng)而波動(dòng)，為此以10 min內(nèi)的平均值表征該高度下的反射率值. 4個(gè)高度下(20、40、60、80 cm)測(cè)試的反射率均值分別為6.19%、5.82%、5.97%、6.38%，路面反射率與傳感器高度之間沒(méi)有明顯的關(guān)系，這表明在80 cm高度以?xún)?nèi)，傳感器高度對(duì)反射強(qiáng)度和反射率的測(cè)試值沒(méi)有影響.

圖3 傳感器高度對(duì)反射率的影響

1.3 太陽(yáng)入射角對(duì)反射率的影響

測(cè)試不同入射角度(25°、70°、110°、155°)下的路面反射率，由于地面某點(diǎn)的太陽(yáng)入射角度取決于該點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔高度、日期和當(dāng)?shù)貢r(shí)間，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)固定時(shí)，太陽(yáng)入射角只與測(cè)試時(shí)間有關(guān). 對(duì)應(yīng)的測(cè)試時(shí)間計(jì)算公式為

(2)

式中：α為太陽(yáng)入射角度；t1、t2分別是測(cè)試當(dāng)日的日出和日落時(shí)間，2018-08-14的日出和日落時(shí)間分別是5:29和18:49.

上述4個(gè)入射角下測(cè)得的反射率如圖4所示. 入射角25°和155°時(shí)(早晨和傍晚)的入射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于午間入射角70°和110°時(shí)的入射強(qiáng)度，而早晚測(cè)得的反射率卻高于午間測(cè)得的反射率. 可見(jiàn)，入射角對(duì)反射率測(cè)試影響顯著，低入射角將產(chǎn)生較大的反射率.

圖4 在不同入射角下的太陽(yáng)反射率

為了分析入射角度對(duì)反射率測(cè)試的影響，在夏季晴天正午，將傳感器豎直放置在太陽(yáng)光下，然后在5 min內(nèi)逆時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)90°，每隔5°記錄一次入射強(qiáng)度，其結(jié)果見(jiàn)圖5. 可以發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)不同入射角下測(cè)得的入射強(qiáng)度差異顯著，入射角越小入射強(qiáng)度越小. 入射強(qiáng)度測(cè)試值隨太陽(yáng)入射角顯著變化的特點(diǎn)，使得必須在同一太陽(yáng)入射角下，測(cè)得的入射強(qiáng)度及由此計(jì)算的反射率才有意義，而每次室外測(cè)試都必須采用同一入射角顯然不現(xiàn)實(shí).

圖5 在不同入射角度下的入射強(qiáng)度

1.4 周?chē)h(huán)境對(duì)反射率的影響

為了分析測(cè)點(diǎn)周?chē)h(huán)境(草地或裸露土壤等)對(duì)路面反射率測(cè)試結(jié)果的影響，在傳感器高度為20、40、60、80 cm時(shí)，分別測(cè)試了草坪和土壤距路面測(cè)點(diǎn)20、30、40 cm時(shí)的反射率，結(jié)果如圖6所示. 在入射強(qiáng)度為1 200～1 250 W/m2時(shí)，草地和土壤的反射率分別為22.0%和30.1%，均大于測(cè)點(diǎn)路面本身的反射率. 當(dāng)傳感器高度相同時(shí)，路面反射率隨著測(cè)點(diǎn)與草地和土壤之間距離的減小而增加. 當(dāng)測(cè)點(diǎn)與草地和土壤的距離減小到20 cm時(shí)，測(cè)得的反射率分別為12%和15%，遠(yuǎn)離草地和土壤(40 cm)測(cè)試的反射率約6%. 這表明周?chē)莸睾屯寥烙绊懥寺访娣瓷渎实臏y(cè)試值，其原因是隨著雙輻射傳感器高度的增大，朝下的反射傳感器的測(cè)試范圍增大，當(dāng)其增大的范圍包含測(cè)點(diǎn)周邊草地或裸露土壤時(shí)，反射傳感器采集的光輻強(qiáng)度并非路面測(cè)點(diǎn)的反射強(qiáng)度，而是測(cè)點(diǎn)和周邊草地或土壤反射強(qiáng)度的綜合，從而影響路面反射率測(cè)試的準(zhǔn)確性. 此外，在40 cm和較遠(yuǎn)距離處測(cè)試的反射率沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明為了避免周?chē)h(huán)境對(duì)反射率的影響，測(cè)點(diǎn)與周?chē)寥篮筒莸氐木嚯x至少大于40 cm.

(a)草地

(b)土壤

2 試驗(yàn)測(cè)試裝置和方法

2.1 測(cè)試裝置

考慮到太陽(yáng)入射強(qiáng)度、入射角度、周?chē)h(huán)境等室外條件對(duì)路面反射率測(cè)試存在較大影響，本文基于雙輻射傳感器開(kāi)發(fā)了一套室內(nèi)測(cè)試裝置，包括光源、反射率測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)溫系統(tǒng)，如圖7所示. 該裝置不僅能室內(nèi)測(cè)試光照條件下路面材料的反射率，還能測(cè)試該光照強(qiáng)度下路面材料內(nèi)部溫度.

圖7 裝置實(shí)物照片

光源由兩個(gè)碘鎢燈組成，功率均為500 W，其波長(zhǎng)為0.3～2.5 μm，采用此波長(zhǎng)范圍碘鎢燈的理由是：抵達(dá)地表的太陽(yáng)光中，輻射能量主要位于此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，且該波長(zhǎng)范圍在輻射傳感器能接收的波長(zhǎng)范圍內(nèi). 碘鎢燈始終保持豎直向下照射，通過(guò)調(diào)整碘鎢燈與試件上表面的垂直距離可以控制試件所接收的光照強(qiáng)度.

反射率測(cè)試系統(tǒng)由雙輻射傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和吸光布組成. 吸光布是吸光率達(dá)99.2%的黑布，將其鋪在室內(nèi)地面上，可避免測(cè)試區(qū)域附近地面對(duì)反射率測(cè)試的影響. 光源和雙輻射傳感器由豎直三腳架相連，可以在三腳架上調(diào)節(jié)輻射傳感器和碘鎢燈高度. 測(cè)溫系統(tǒng)由熱電阻、溫度采集模塊、24 V電源和計(jì)算機(jī)組成. 熱電阻感應(yīng)試板內(nèi)溫度變化，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，溫度采集模塊采集電信號(hào)并將其傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)特定軟件讀取該信號(hào)，并顯示成溫度數(shù)值.

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試板成型與熱電阻布設(shè)

采用圖8所示的帶釘墊片，按輪碾法成型長(zhǎng)寬高分別為30、30、5 cm、含4個(gè)深度(1、2、3、4 cm)小孔的混合料板式試件. 將熱電阻埋入孔洞中，即可測(cè)試混合料板在4個(gè)深度處的內(nèi)部溫度.

圖8 帶孔混合料板的制備

2.2.2 測(cè)試步驟

1)將混合料試板放入溫度恒為15 ℃的室內(nèi)，底面墊隔熱泡沫板后，置于吸光布的正中間，并將有孔洞的一面朝上.

2)室內(nèi)保溫2 h后，調(diào)整碘鎢燈高度，確保碘鎢燈與試板上表面之間的垂直距離為25 cm(該高度下試板表面所接收的輻射強(qiáng)度約為1 300 W/m2，與夏季晴天正午相接近). 將雙輻射傳感器置于板正中間上方，確保朝下的傳感器與板上表面的高度為10 cm.

3)讀取試板內(nèi)部4個(gè)深度處的初始溫度，打開(kāi)碘鎢燈電源，計(jì)算機(jī)每隔1 min自動(dòng)讀取并記錄溫度數(shù)據(jù).

4)每隔1 min讀取反射傳感器的反射輻射數(shù)據(jù)，共計(jì)測(cè)試5 min. 取5 min內(nèi)反射強(qiáng)度的平均值，作為板表面的平均反射強(qiáng)度.

5)移動(dòng)碘鎢燈和雙輻射傳感器，確保碘鎢燈在傳感器正上方，且距離入射傳感器的高度為25 cm. 并記錄5 min內(nèi)入射傳感器的數(shù)值，取其平均值作為入射強(qiáng)度. 按照式(1)計(jì)算試板的平均反射率.

3 試驗(yàn)材料

本文制備了6種顏色(紅、黃、藍(lán)、綠、灰、黑)的多孔水泥混凝土試板，長(zhǎng)寬高分別是30、30、5 cm. 水泥采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥，集料選用玄武巖碎石，顏料選用一品顏料(美國(guó))有限公司生產(chǎn)的氧化鐵顏料：鐵紅S190，鐵黃S313，鐵藍(lán)S463，鐵綠S5605，鐵黑S722. 這些氧化鐵顏料的摩爾質(zhì)量為159.69 g/mol，細(xì)度粒徑為0.4～20 μm，熔點(diǎn)為1 565 ℃，沸點(diǎn)為3 414 ℃. 顏料摻量均為水泥用量的30%[17]. 灰色多孔水泥混凝土不添加顏料，其余材料用量均一致. 彩色多孔水泥混凝土配比見(jiàn)表1.

表1 彩色多孔水泥混凝土配比

為了與其他類(lèi)型的路面材料進(jìn)行對(duì)比，本文還制備了開(kāi)級(jí)配瀝青混合料OGFC-13、密級(jí)配瀝青混合料AC-13及普通密實(shí)水泥混凝土試板. OGFC-13和AC-13的集料為玄武巖，填料為石灰石礦粉，AC-13采用90#基質(zhì)瀝青，OGFC-13采用改性瀝青. 改性瀝青是由90#基質(zhì)瀝青和5.4%SBS制備而成. 密實(shí)水泥混凝土采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥，集料選用單檔粒徑玄武巖碎石(粒徑為5～10 mm)、干燥黃沙. 改性瀝青基本性能、瀝青混合料和密實(shí)水泥混凝土級(jí)配見(jiàn)表2～4. 采用上述材料及配比，本文制備的試板如圖9所示.

表2 改性瀝青性能

表3 AC-13和OGFC-13級(jí)配及油石比

表4 密實(shí)水泥混凝土配比

考慮到同種顏色，色度不同，所造成的反射率測(cè)試結(jié)果也可能有差異. 為此本文采用三原色——紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)定量表征試板的色度. 三原色指色彩中不能再分解的3種基本顏色，三原色可以混合出所有的顏色，用R、G、B值表征顏色的亮度，數(shù)值越大，亮度越大.

圖9 不同類(lèi)型試板實(shí)物圖示

在充分采光條件下，照相機(jī)高度、角度、聚焦等條件均一致，拍攝各試板圖像，使用Photoshop軟件計(jì)算各試板圖像的R、G、B均值，結(jié)果見(jiàn)圖10.

圖10 各試板色度值分布

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 室內(nèi)外反射數(shù)據(jù)比較與分析

對(duì)上述成型的混合料試件分別進(jìn)行室外(夏季晴天正午11:30—12:30)和室內(nèi)反射率測(cè)試，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)5 min，每分鐘采集1組入射和反射強(qiáng)度，并計(jì)算反射率，結(jié)果見(jiàn)圖11. 可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是入射強(qiáng)度、反射強(qiáng)度，還是反射率，在5 min內(nèi)室外測(cè)試結(jié)果波動(dòng)顯著，而室內(nèi)測(cè)試相對(duì)穩(wěn)定，這表明采用本文開(kāi)發(fā)的裝置進(jìn)行反射率的室內(nèi)測(cè)試，能夠獲得穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果.

圖11 不同路面材料室內(nèi)外測(cè)試的入射強(qiáng)度、反射強(qiáng)度及反射率

為了分析不同路面材料反射率的差異，本文取5 min內(nèi)測(cè)試結(jié)果的均值作為反射率，并計(jì)算了變異系數(shù)，結(jié)果如圖12所示. 由圖可知，室外與室內(nèi)測(cè)試的路面材料反射率差異很小，9種路面材料反射率室內(nèi)測(cè)試值的大小排序與室外完全一致，且室內(nèi)測(cè)試的反射率變異系數(shù)明顯小于室外測(cè)試，表明采用本文研發(fā)裝置進(jìn)行的室內(nèi)反射率測(cè)試，克服了天氣條件、測(cè)點(diǎn)環(huán)境等因素的不利影響，可重復(fù)性高.

圖12 不同路面材料反射率的室內(nèi)外測(cè)試結(jié)果

4.2 內(nèi)部溫度分析

按照2.2的試驗(yàn)方法，在碘鎢燈照射混合料試板1 h時(shí)間內(nèi)，測(cè)試混合料內(nèi)部4個(gè)深度處(1、2、3、4 cm)溫度，結(jié)果如圖13所示. 可以發(fā)現(xiàn)，不同顏色混合料試板在碘鎢燈照射的初始階段，內(nèi)部溫度基本不變，且深度越深，該時(shí)間段越長(zhǎng)，這反映了溫度傳遞的滯后性. 各深度處溫度上升速率也不相同，1 cm處溫度上升速度明顯大于4 cm處. 以O(shè)GFC-13的瀝青混合料為例，1 cm處溫度在1 h內(nèi)由15 ℃上升到48.5 ℃，而2、3、4 cm處溫度僅分別上升27.1、18.9、16.4 ℃，其他試板與之相似，均存在溫度梯度，這與普遍認(rèn)知的路面內(nèi)部溫度梯度相符.

圖13 不同路面材料在照射1 h期間內(nèi)部4處深度處溫度變化

不同顏色試板經(jīng)照射1 h后，其溫度上升幅度見(jiàn)圖14. 由圖可知，1 cm處升溫值最大，2、3、4 cm處依次遞減，并且3、4 cm處升溫值變化很小. 將各試板的升溫幅度與圖12反射率相比較，升溫幅度基本與反射率結(jié)果相對(duì)應(yīng)，表現(xiàn)為：反射率最高的普通密實(shí)水泥混凝土的升溫幅度最小，而反射率最低的黑色多孔水泥混凝土、多孔瀝青混合料以及密級(jí)配瀝青混合料升溫幅度最大. 這表明混合料表面反射率可以顯著地影響其內(nèi)部溫度. 此外，相同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的路面材料中，4種彩色多孔水泥混凝土升溫幅度均小于灰色多孔水泥混凝土和黑色多孔水泥混凝土，可見(jiàn)相同的光輻條件下彩色路面材料反射率更高，其內(nèi)部溫度更低，有利于降低熱島效應(yīng).

從圖14還可以看出，紅、黃、藍(lán)、綠4種彩色路面材料中，綠色的升溫幅度最小，基本與高反射率的密實(shí)水泥混凝土相接近. 這是因?yàn)樵谔?yáng)輻射至地球的可見(jiàn)光中，綠光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總能量最大[18]，而綠色路面材料主要反射綠光，導(dǎo)致了其內(nèi)部溫度最低. 從這個(gè)意義上來(lái)講，綠色路面材料對(duì)降低路面內(nèi)部溫度、緩解熱島效應(yīng)最有效.

圖14 不同顏色路面材料在不同深度處的升溫值

5 結(jié) 論

1)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、入射角度和周?chē)h(huán)境對(duì)室外反射率測(cè)試具有顯著影響，前兩者影響入射強(qiáng)度測(cè)試值，后者影響反射強(qiáng)度測(cè)試值，導(dǎo)致反射率的室外測(cè)試可控性和重復(fù)性差.

2)研發(fā)的室內(nèi)測(cè)試裝置，能在室內(nèi)準(zhǔn)確獲得一定光輻強(qiáng)度下的路面材料反射率及該光輻強(qiáng)度下路面材料的內(nèi)部溫度.

3)密實(shí)水泥混凝土、開(kāi)級(jí)配瀝青混合料和密級(jí)配瀝青混合料的反射率分別為32%、5.8%、5.4%左右，級(jí)配對(duì)瀝青混合料反射率幾乎沒(méi)有影響.

4)相比于灰色多孔水泥混凝土16%的反射率，紅、黃、藍(lán)、綠多孔水泥混凝土的反射率為20%～25%，具有優(yōu)良的反射太陽(yáng)輻射和降低路面內(nèi)部溫度的能力.