彩色保水半柔性路面材料降溫效果研究

盧孫泉，湯銘鋒

(1.廣西交通投資集團(tuán)崇左高速公路運(yùn)營有限公司，廣西 崇左 532200；2.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530009)

0 引言

城市熱島效應(yīng)[1]是指城市內(nèi)部的溫度比外部郊區(qū)明顯高出許多的現(xiàn)象?，F(xiàn)代城市化建設(shè)中對交通需求日益增長，城市路面主要由瀝青路面結(jié)構(gòu)組成。瀝青本身就是一種吸熱材料，瀝青對太陽光的吸收率高達(dá)0.85～0.95。在氣溫達(dá)到35 ℃時(shí)，瀝青路面的溫度往往能達(dá)到60～65 ℃。蓄積了大量熱量的瀝青路面不斷釋放熱量而加熱周圍大氣，從而加劇了城市熱島效應(yīng)[2]。因此，需要新型路面結(jié)構(gòu)和材料來減少路面病害并且緩解熱島效應(yīng)，在提高道路使用性能的同時(shí)，還能抑制路面溫度升高[3-5]。

保水降溫路面一般指路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部能夠保持水分，通過內(nèi)部水分蒸發(fā)抑制路表溫度上升并且降低空氣溫度的功能性路面[6]。保水降溫半柔性路面材料一般以孔隙率為20%～25%大孔隙瀝青混合料為骨架，灌注一定比例的保水性砂漿來實(shí)現(xiàn)其功能性要求。孫高峰研究了以礦渣粉、粉煤灰、消石灰加水拌和作為保水性乳漿灌注OGFC基體形成的保水性路面材料，在室內(nèi)模擬路面光熱環(huán)境比密級配瀝青混合料有10 ℃的降溫效果[7]。凌天清等研究了保水降溫半柔性路面混合料SFAC-13的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性、抗疲勞性能均優(yōu)于普通瀝青混凝土AC-16，且相比普通瀝青混合料路面能夠到達(dá)降溫8 ℃～10 ℃的效果[8]。張亮亮等研究了鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層灌入保水砂漿以及結(jié)合灑水的方法可以有效減少鋪裝層蠕變變形和車轍破壞，提高了經(jīng)濟(jì)效益[9]。

結(jié)合以上研究的幾種路面降溫思路，本文采用大孔隙基體瀝青混合料中灌注淺色保水砂漿，在室內(nèi)模擬太陽光照射升溫至60 ℃后進(jìn)行人工灑水與自然降雨的試驗(yàn)方法，記錄灑水前升溫、灑水后降溫、水分蒸發(fā)后再次升溫三個階段的路面溫度變化情況，對比普通瀝青試塊、保水半柔性試塊和彩色保水半柔性試塊的降溫效果。

1 保水降溫半柔性路面材料試件制作

1.1 保水砂漿

本文采用的保水砂漿由水泥、砂、礦粉以及硅藻土、高爐礦渣粉、色粉外加劑等組成。水泥采用廣西P·O 42.5白色硅酸鹽水泥，經(jīng)過配合比驗(yàn)證保水砂漿最優(yōu)配合比為水∶水泥∶砂∶礦渣∶硅藻土∶礦粉=55∶50∶25∶6∶4∶12；色粉外摻1%。技術(shù)要求滿足《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》(JT/T1238-2019)[10]規(guī)范要求。保水砂漿性能指標(biāo)見表1。

表1 保水砂漿性能指標(biāo)要求值及實(shí)測值對比表

1.2 大孔隙基體瀝青混合料

本文試驗(yàn)所采用的瀝青為中國石化“東海牌”70#A級道路石油基質(zhì)瀝青，滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[11]要求；礦質(zhì)集料均為廣西桂林產(chǎn)石灰?guī)r，選用表面紋理好、棱角分明、壓碎值小、片狀較低的石灰?guī)r，集料各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求?；w瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)要求見表2，級配采用《專用砂漿半柔性路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(DB44/T 1296-2014)推薦級配Ⅰ型，見下頁表3。

表2 基體瀝青混合料技術(shù)要求表

表3 基體瀝青混合料級配范圍及技術(shù)指標(biāo)表

1.3 保水降溫半柔性路面材料成型

基體瀝青混合料在尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板上成型，待成型后的車轍試件冷卻至一定的溫度后進(jìn)行灌漿。將帶有模具的基體瀝青混合料放在振動臺上，按照設(shè)計(jì)好的配合比制備灌漿料，用水泥砂漿機(jī)攪拌好灌漿料使其具有良好的流動性能，并迅速倒入車轍板表面，先依靠灌漿料的自重作用流入大孔隙基體瀝青混合料的骨架空隙當(dāng)中，然后開啟振動臺邊振動邊灌注，直至灌漿料無法滲透時(shí)停止灌注，用橡皮刮板刮除頂面多余膠漿直至露出部分粗骨料。將灌漿完畢的車轍板試件放在溫度為20 ℃±2 ℃、相對濕度>95%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d后脫模。

2 試驗(yàn)方法

參考相關(guān)文獻(xiàn)與研究，其中日本保水性鋪裝技術(shù)研究會發(fā)表的《保水性鋪裝的室內(nèi)照射試驗(yàn)方法》一文中指出[12]，可通過散光型電子燈來進(jìn)行太陽光模擬照射，進(jìn)行路面的保水蒸發(fā)降溫試驗(yàn)。本文中光照模擬燈采用的是220 V、300 W紫外線加熱燈，其具備類似夏季太陽光的照射升溫效果。本次試驗(yàn)以300 mm×300 mm×50 mm的車轍板作為試件，用燈光模擬太陽光，加熱燈到試塊的距離固定為60 cm。在試塊中心點(diǎn)打一個約2 cm的小孔，然后將測溫探頭放入其中，與測溫儀相連。試驗(yàn)開始前對試件溫度進(jìn)行測定，保證試件之間誤差不超過1 ℃。通過數(shù)顯測溫儀對試件的溫度進(jìn)行監(jiān)測記錄，然后分別模擬灑水與降雨的降溫方式。車轍試驗(yàn)溫度為60 ℃，故本試驗(yàn)加熱至60 ℃時(shí)開始人工灑水試驗(yàn)。整個試驗(yàn)流程為：打開加熱燈，測溫儀采集溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)試塊加熱溫度達(dá)到60 ℃時(shí)進(jìn)行人工灑水，灑水后待溫度重新達(dá)到60 ℃則試驗(yàn)完成。

3 試驗(yàn)過程與分析

3.1 人工灑水試驗(yàn)

室內(nèi)模擬試驗(yàn)分為人工灑水和自然降雨兩部分。路面灑水試驗(yàn)以灑水量為控制變量。第一組試件的灑水量為100 mL，等效灑水厚度為1.11 L/m2；第二組試件的灑水量為200 mL，等效灑水厚度為2.22 L/m2。每組試件分為普通瀝青混合料試塊、灌注普通保水砂漿以及灌注彩色保水砂漿的半柔性瀝青混合料試塊。打開加熱燈，開啟溫度采集儀，每隔10 min對試件溫度數(shù)據(jù)采集1次，三個試件逐步升溫至60 ℃時(shí)開始人工灑水，試件表面水分蒸發(fā)完后試件溫度會緩慢降低，最后又升溫至60 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見圖1～2。

圖1 灑水量為100 m L時(shí)三種不同試塊升降溫曲線圖

圖2 灑水量為200 m L時(shí)三種不同試塊升降溫曲線圖

灑水前升溫階段，普通瀝青路面的試塊溫度最先達(dá)到60 ℃，三種不同路面材料從初始溫度26 ℃加熱到60 ℃分別耗時(shí)60 min、150 min、190 min。文獻(xiàn)[13]得出普通瀝青混合料路面反射率在5%～6%左右，瀝青混合料的反射率并不會因?yàn)榧壟涠a(chǎn)生較大差異，紅、黃、藍(lán)、綠彩色水泥混凝土路面的反射率為20%～25%，而灰色的水泥混凝土反射率則為16%，說明彩色路面具有優(yōu)良的反射太陽輻射和降低熱量吸收的能力。

灑水后降溫階段，三種不同路面材料灑水量為100 mL時(shí)分別降至53 ℃、50.9 ℃、50.7 ℃，降幅分別為8.9 ℃、9.1 ℃、9.3 ℃，耗時(shí)分別為15 min、32 min、42 min；灑水量為200 mL時(shí)，溫度分別降至51.1 ℃、50.5 ℃、50.5 ℃，降幅分別為8.9 ℃、9.5 ℃、9.5 ℃，耗時(shí)分別為10 min、23 min、31 min。相較于普通瀝青試塊，保水試塊的溫度表現(xiàn)為緩慢下降，普通瀝青試塊降溫速度快。依據(jù)蒸發(fā)量模型結(jié)論[14]，試塊反射率小的蒸發(fā)量大，蒸發(fā)量大的降溫速度快，因此彩色保水試塊蒸發(fā)量<保水試塊的蒸發(fā)量<普通瀝青試塊的蒸發(fā)量。

灑水蒸發(fā)后升溫至60 ℃這一階段可以理解為降溫持續(xù)時(shí)長的對比。灑水量為100 mL時(shí)三種路面材料降溫時(shí)長分別為19 min、75 min、117 min，灑水量為200 mL時(shí)降溫時(shí)長分別為46 min、118 min、152 min。由此可見，彩色保水試塊降溫持續(xù)時(shí)間最長，且灑水量對降溫時(shí)長影響顯著。原因在于保水試塊中的保水膠漿有著多孔吸水材料將大部分水存儲起來，在加熱燈的持續(xù)照射下，保水試塊內(nèi)部儲存的水分才緩慢蒸發(fā)散熱，故保水試塊的溫度長時(shí)間保持在55 ℃以下。對于彩色保水試塊，其降溫方式與保水試塊一致，但是因其表面反射率高，吸熱量小，降溫時(shí)間最長。

3.2 自然降雨試驗(yàn)

桂林市夏季月平均降水量為200 mm左右，日降雨時(shí)間約為3 h[15]，本次試驗(yàn)采用花灑對試塊進(jìn)行澆水的方式模擬自然降雨。將降水量進(jìn)行單位換算，為盡可能模仿降水時(shí)雨水對路面的沖刷滲透，經(jīng)計(jì)算得出雨水流速為32 mL/s。用花灑與燒杯進(jìn)行流速調(diào)整后，分別對普通瀝青試塊、保水半柔性試塊與彩色保水半柔性試塊進(jìn)行澆水。以降雨時(shí)間的不同設(shè)置三組試驗(yàn)，分別為1 h、2 h和3 h，對應(yīng)為試驗(yàn)一、試驗(yàn)二、試驗(yàn)三。澆水結(jié)束后用加熱燈對試塊進(jìn)行加熱，用測溫儀進(jìn)行監(jiān)測記錄。試驗(yàn)結(jié)果見圖3～6。

圖3 三次試驗(yàn)各試塊升至60 ℃所用時(shí)間對比柱狀圖

從圖3可知，彩色保水半柔性試塊比保水半柔性試塊升溫至60 ℃所用的時(shí)間多約30～40 min，延長約14.8%的降溫時(shí)間，比瀝青混合料試塊多約170～210 min，延長約172%的降溫時(shí)間。由圖4縱向?qū)Ρ瓤芍?，對于普通瀝青路面，降水時(shí)間的增加有助于減緩其升溫速度，但是效果不明顯，因?yàn)槠胀r青路面在降水時(shí)無法吸收較多水分，主要通過殘留在表面與空隙中的水蒸發(fā)散熱，降水時(shí)間長只能將其空隙填滿以達(dá)到降溫效果，空隙填滿后就無法繼續(xù)減緩自身升溫速度。所以在降雨條件下，普通瀝青路面因?yàn)闊o法儲存水分，降溫效果一般，只在短時(shí)間內(nèi)有效，路面殘留的水分越多則升溫時(shí)間越長。而對于保水半柔性路面，因?yàn)槠鋬?nèi)部有吸水材料，降水時(shí)間與吸水效果息息相關(guān)，在升溫過程中，保水半柔性路面可以通過蒸發(fā)水分來散熱，所以其升溫速度慢，處于低溫的時(shí)間較長。從圖5～6可知，降水2 h后升溫時(shí)間較降水1 h有所延長，而3 h的降水時(shí)間對升溫時(shí)間并無明顯提升。由此可知，保水半柔性試塊在降水時(shí)間為2 h左右達(dá)到飽和狀態(tài)，降溫時(shí)間相比降水1 h延長了21%。彩色保水半柔性路面升溫趨勢與保水半柔性路面大致相同，但降溫時(shí)間又進(jìn)一步延長，平均延長30～40 min。

圖4 瀝青試塊升溫對比曲線圖

圖5 保水砂漿試塊升溫曲線圖

圖6 彩色保水砂漿半柔性試塊升溫曲線圖

4 結(jié)語

本文在室內(nèi)模擬太陽光照射下對普通瀝青混合料試塊、保水砂漿試塊、彩色保水砂漿半柔性試塊升溫至60 ℃后進(jìn)行人工灑水和模擬自然降雨試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)彩色保水砂漿半柔性試塊灑水前升溫時(shí)間最長，表明彩色保水砂漿半柔性試塊反射率高且吸收熱量少。灑水100 mL后三種試塊均降溫至50 ℃左右，降幅為8 ℃～9 ℃，但彩色半柔性試塊降溫持續(xù)時(shí)間最長，表明彩色保水砂漿半柔性路面材料在人工灑水后降溫效果較為明顯。

(2)降雨流速32 mL/s的條件下，彩色保水半柔性試塊在降水時(shí)間2 h左右達(dá)到飽和狀態(tài)。降水蒸發(fā)后升溫至60 ℃所用的時(shí)間，彩色保水半柔性試塊比普通保水試塊延長了約14.8%，比瀝青混合料試塊延長了約172%。

(3)彩色保水半柔性路面材料相較于普通瀝青混合料反射率高，吸收熱量少，保水降溫效果明顯，對緩解城市熱島效應(yīng)具有一定的促進(jìn)作用。