太陽光反射涂層對水泥路面溫度特性及城市環(huán)境影響

楊飛， 陳家豪

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學院， 河南 鄭州 450064; 2.河南工業(yè)大學 土木建筑學院, 河南 鄭州 450001)

隨著城鎮(zhèn)化的推進，城市規(guī)模的擴大，熱島效應(yīng)也越來越嚴重[1]。道路占城市總面積的20%～30%，且其中主要是不透水的瀝青路面和水泥路面[2-5]。相比于植被覆蓋區(qū)域，城市路面具有較強的太陽光吸收能力和儲熱能力，且阻礙滲透散熱，隔絕土壤與大氣熱濕交換，是熱島效應(yīng)的重要誘因。熱島效應(yīng)除了加大夏季空調(diào)電能消耗外[6]，也會使粉塵、顆粒物及有毒氣體等在空氣熱對流作用下懸浮在空中，大大加重空氣污染程度，損壞人民身體健康[7]。因此，如何緩解城市熱島效應(yīng)是迫切需要解決的難題。

太陽光反射涂層能有效減少結(jié)構(gòu)吸收的熱量，是緩解熱島效應(yīng)、降低路面溫度、減少路面熱病害的重要手段之一[8-9]。反射涂層在瀝青路面上的應(yīng)用已有一些研究。2008年開始就有學者關(guān)注到了反射涂層在公路上的應(yīng)用，徐永麗等[10]報道了以改善城市和公路沿線環(huán)境的反射性瀝青路面研究進展；張靜[11]在其學位論文中制備了硅丙乳液為基料，空心微珠為功能填料的反射涂層，并進行了降溫試驗；馮德成等[12]開發(fā)了水溶型反射涂層，并在道路上進行了試驗，結(jié)果表明能降低瀝青路面溫度約11.4 ℃；鄭木蓮等[13]以環(huán)氧樹脂為基料制備了路面反射涂層，測試了其降溫效果，并研究了反射率的測試方法，具有一定借鑒意義；程承[14]分析了反射涂層在瀝青路面的應(yīng)用，結(jié)果表明，使用涂層后能有效降低瀝青路面向大氣傳輸?shù)臒崃?，對于緩解城市熱島效應(yīng)有一定作用，而且能有效減緩路面車轍；孫威[15]研究了水性環(huán)氧樹脂反射涂層的制備，分析了顏料濃度等對反射涂層效果的影響；唐伯明等[16]分析了瀝青路面反射涂層的老化規(guī)律，分析了老化過程涂料外形、反射率等變化情況，結(jié)果表明太陽輻射是導致涂層老化的重要因素。從上述文獻可以看出，瀝青路面反射涂層研究從機理、涂層制備到老化等研究已經(jīng)較為完善，可以為水泥路面反射涂層研究提供參考。

相比于瀝青路面，水泥路面以其較高的承載力、較好的耐久性、較長的壽命及不易出現(xiàn)車轍等優(yōu)點在城市中應(yīng)用，是城市路面的重要組成部分，尤其是一些交通量級輕的次級道路上一般采用水泥混凝土路面。水泥混凝土路面較為粗糙，具有較大的太陽輻射吸收系數(shù)及比熱容，是形成城市熱島效應(yīng)的重要原因。此外，水泥混凝土作為一種剛性材料，溫度的不均勻分布及波動都會在路面中引起較大的溫度應(yīng)力，與外荷載共同作用下很容易出現(xiàn)邊角破損、開裂等病害。反射涂層在瀝青路面上應(yīng)用研究較多，但在水泥路面上的應(yīng)用鮮有報道。因此，該文開展研究，分析反射涂層在水泥路面上的應(yīng)用效果。

1 反射涂層在水泥路面的應(yīng)用試驗研究

1.1 試驗概況

反射涂層主要是一種由空心玻璃微珠、成膜材料及助劑等組合成的復(fù)合材料，其中玻璃微珠主要起反射太陽光的作用，反射涂層的作用機理見圖1。此次試驗制備了以氟硅改性丙烯酸為基料，空心玻璃微珠為主料的反射涂層。制備過程如下：取一定量的水、消泡劑及其他助劑，加入二氧化鈦，快速攪拌形成漿液，再加入丙烯酸、硅丙、氟碳乳液及其他助劑，攪拌后加入空心玻璃微珠與陶瓷微珠等，穩(wěn)定40 min后再加入調(diào)節(jié)助劑制成該文所用太陽光反射涂層。采用標準方法測得其太陽輻射吸收系數(shù)為0.17，半球發(fā)射率為0.81，相關(guān)性能滿足JGJ/T 359—2015的半球發(fā)射率及反射率均大于0.8的要求[17]。

圖1 反射涂層的反射機理

上海地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風氣候，夏季炎熱，水泥路面病害較多，熱島效應(yīng)也較明顯。為研究反射隔熱涂料的效果，在上海地區(qū)(121.47°E，31.23°5′N)某段水泥路面上開展試驗研究。如圖2所示，該路面結(jié)構(gòu)由20 cm鋼筋水泥混凝土+30 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層組成。采用探測器標定出路面鋼筋位置，選定無鋼筋處采用水鉆打直徑4 cm、深20 cm的孔。預(yù)制長20 cm混凝土圓柱用于埋設(shè)圖3所示的pt100鉑電阻溫度傳感器，傳感器具體位置見圖2。放入預(yù)埋柱和傳感器后灌入細砂漿嵌縫封口，并架設(shè)氣象站對風速、氣溫進行實時監(jiān)測。采樣間隔均為0.5 h。施工結(jié)束后路面見圖4。

圖2 傳感器布置

圖3 Pt100溫度傳感器

圖4 涂刷反射涂層后的路面板

1.2 涂刷反射涂層對水泥路面溫度的影響

涂層施工完成后，監(jiān)測了2018年8月12日上海地區(qū)高溫天氣下反射涂層水泥路面溫度，并與未涂刷涂層路面進行了對比，同時氣象站記錄了當日氣溫和風速的變化情況。

圖5為當日氣溫和風速的變化曲線，當日最高氣溫達41 ℃，太陽光照強烈，夜間風速較小，約0.75 m/s，白天風速呈先增大后減小的規(guī)律。這些氣象因素變化規(guī)律說明當日是典型的夏季高溫天氣，可以選為代表天氣用以分析反射涂層效果。

圖5 上海地區(qū)典型夏季高溫天氣下的氣溫和風速

圖6給出了反射涂層對路面板表面、中部、底部溫度及溫度梯度的影響規(guī)律。圖6(a)表明：2018年8月12日水泥路面板表面最高溫度出現(xiàn)在13:00左右，未使用反射涂層時高達59.6 ℃，使用反射涂層后表面溫度降為51.4 ℃，降低8.2 ℃，且當日夜晚路面最低溫度也超過32 ℃；圖6(b)表明：路面板中部最高溫度出現(xiàn)在16:00，比板表面最高溫滯后3 h左右，且未使用涂層時，最高溫為49.7 ℃，使用后降為41 ℃，降低8.7 ℃；圖6(c)表明：路面板底部最高溫出現(xiàn)在18:00，比板中部滯后約2 h，且未使用反射涂層時路面板底部溫度為43.8 ℃，使用反射涂層后路面板底部溫度降為37.2 ℃，降低6.6 ℃。路面板內(nèi)溫度為不均勻分布，忽略非線性部分，路面板溫度可近似為沿垂向線性分布。溫度梯度可由板上表面溫度減去底面溫度除以板厚得到；圖6(d)給出了當日板的溫度梯度變化規(guī)律，最大正溫度梯度出現(xiàn)在13:00左右，未使用反射涂層時，溫度梯度為96.1 ℃/m，使用反射涂層后溫度梯度為64.4 ℃/m，降低31.7 ℃/m。由此可見：反射涂層對水泥路面板溫度具有明顯影響，可顯著降低板溫度及溫度梯度。

圖6 反射涂層對路面板溫度特性的影響

2 反射涂層對水泥路面板翹曲的影響

水泥混凝土作為一種剛性材料，不均勻的溫度分布會在板內(nèi)引起應(yīng)力。最大正溫度梯度(板上表面溫度高于下表面溫度)作用下，板有中心拱起，四角向下的趨勢，最大負溫度梯度作用下板有四角上拱中心向下的趨勢?？梢姕囟忍荻绕茐牧嗽镜木鶆蛑С袪顟B(tài)，如有車輛荷載額外作用，此時很容易出現(xiàn)板角開裂、壓碎等病害。上文已分析了反射涂層對板溫度梯度的影響，現(xiàn)分析反射涂層對水泥路面板受力及變形的影響。

最大溫度梯度引起的最大翹曲應(yīng)力可按下式計算[18]：

(1)

式中：αc為混凝土的線膨脹系數(shù)(10-6/℃)；Ec為混凝土彈性模量(GPa)；Tg為溫度梯度(℃/m)；hc為板厚(m)；BL為綜合翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)，按下式計算：

BL=1.77e-4.48hcCL-0.131(1-CL)

(2)

式中：CL為混凝土面層板的溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)，按下式計算：

(3)

式中t按下式計算：

(4)

式中：L為板長(m)；r為面層相對剛性半徑(m)。

計算參數(shù)物理意義及取值如表1所示。

將表1各參數(shù)代入式(1)～(4)，得到2018年8月12日路面板內(nèi)最大翹曲應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律如圖7所示。圖7表明：沒有反射涂層的路面板最大翹曲應(yīng)力在13:00時達到最大值2.16 MPa，使用反射涂層后，最大翹曲應(yīng)力為1.45 MPa，減小了0.71 MPa，反射涂層能有效降低翹曲應(yīng)力約30%。

表1 路面板翹曲應(yīng)力計算參數(shù)

3 水泥路面反射涂層熱島效應(yīng)緩解效果

路面板在吸收太陽能后，大部分能量通過對流換熱和紅外線的方式又返還到空氣中，導致空氣溫度升高，形成熱島效應(yīng)。根據(jù)牛頓冷卻定律，某一時刻以對流形式交換到空氣中的熱流密度為：

qc=μc(Ts-Tair)

(5)

式中：qc為單位時間進入空氣的熱量(W/m2)；Ts為路面板表面溫度(℃)；Tair為空氣溫度(℃)；μc為空氣對流換熱吸收系數(shù)[W/(m2·℃)]，由風速決定，可按下式[19]計算：

(6)

除了對流形式外，路面板還以紅外方式向空氣輻射熱量，根據(jù)Stefan-Boltzmann公式[20]，單位時間以輻射形式進入空氣的熱量為：

ql=εσ(Ts+273.15)4

(7)

式中：ql為有效輻射熱流密度(W/m2)；σ取5.67×10-8W/(m2·℃4)；ε為路面發(fā)射系數(shù)，有太陽光反射涂層時，發(fā)射率取前文實測值0.81，無涂層時取混凝土值0.88[21]。

由此，由路面板進入空氣的總熱流為：

q=μc(Ts-Tair)+εσ(Ts+273.15)4

(8)

由圖5氣溫和風速數(shù)據(jù)及圖6(a)實測路面板表面溫度可算得路面放熱曲線如圖8所示。

圖7 有無反射涂層時路面板最大翹曲應(yīng)力變化規(guī)律

圖8 由路面進入空氣的熱流密度變化規(guī)律

(0,t)時間內(nèi)空氣增加的熱量為圖8曲線下方面積，即：

(9)

式中：Q為1 m2路面向空氣中釋放的熱量(kJ)。

t=24 h時算得無涂層時單位面積路面向空氣中釋放的熱量為48 626 kJ，使用涂層后向空氣中釋放熱量為41 578.8 kJ，相比減少15%。

4 結(jié)論

首先開展試驗研究，測試了反射涂層對水泥路面溫度及溫度梯度的影響，其次計算了有無反射涂層對路面板翹曲應(yīng)力的影響，再次分析了反射涂層對熱島效應(yīng)的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1) 應(yīng)用反射涂層前，夏季高溫天氣下路面最高溫度達59 ℃，最大正溫度梯度為96.1 ℃/m，反射涂層能夠有效降低水泥混凝土路面溫度約9 ℃，降低最大正溫度梯度為31.7 ℃/m。

(2) 應(yīng)用反射涂層前，路面最大翹曲應(yīng)力達2.16 MPa，應(yīng)用反射涂層后最大翹曲應(yīng)力為1.7 MPa，降低約30%。

(3) 使用反射涂層能有效減少水泥路面向空氣中散發(fā)的熱量約15%，一定程度上能緩解夏季熱島效應(yīng)。