透水鋪裝結構對局地溫濕度影響的實驗研究

魏繼合

摘 要：與非透水性鋪裝相比，透水鋪裝能有效改善城市濕熱環境，為研究透水鋪裝結構對局地溫濕度變化規律的影響，搭建了可以改變試驗條件并能夠長期監測透水鋪裝結構的試驗臺。在人工模擬降雨、人工控溫等試驗條件下，收集透水鋪裝結構表面及內部的溫度和體積含水率數據，研究透水鋪裝結構對局地溫濕度變化規律的影響。

關鍵詞：透水鋪裝結構 局地溫濕度 模擬 溫度 體積含水率

中圖分類號：TU993.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0077-02

傳統的城市道路面層材料具有明顯的不透水性。隨著城市化進程的加快，不透水人工表面比例越來越大。不透水路面對城市氣候的形成影響極大。通過遙感分析等技術手段已清楚地發現不透水鋪裝系統與城市高溫化和熱島效應有強烈的相關關系。

1 透水鋪裝結構試驗裝置及條件介紹

1.1 透水鋪裝結構形式的設計及試驗臺的搭建

根據目前主要應用的透水路面形式確定該試驗的透水鋪裝結構形式。整個透水鋪裝結構各層總厚度為40 cm，試樣從上到下依次為：5 cm透水瀝青混凝土層、25 cm碎石層和10 cm土壤層。將各種材料按照圖1所示的形式依次裝入一個隔熱隔濕的試驗箱內。試驗箱箱體由內外雙層的PVC板制成，可以有效隔絕試驗箱內試樣與外界溫度與水分的交換。為了測得透水鋪裝試樣表面和內部溫度和體積含水率的變化情況，按照試樣的各層的結構形式布設傳感器，最后安裝好透水性瀝青混凝土試件后在試件與箱體的縫隙填充好發泡膠，防止降雨時雨水從試件四周縫隙流入下層。

1.2 試驗條件的研究與確定

該文的主要研究手段是通過室內模擬氣象因素等試驗條件的方法實現對小尺度室內透水鋪裝結構試驗臺內部溫濕度的變化情況的監測。進行模擬的試驗條件主要是降雨強度和氣溫。通過查閱文獻和實際測量等方法，確定模擬氣象條件的標準。

（1）降水強度的確定：根據透水性鋪裝系統試驗箱的截面面積，計算不同降雨強度下所需的降雨量。以模擬降小雨為例，小雨的最大小時雨量為2.5 mm，試驗箱橫截面面積為0.09 m2，計算出模擬小雨應量取的水量為225 mL。

（2）試驗溫度的確定：根據夏季瀝青路面所處的實際環境，該文利用控溫室控制氣溫為30 ℃。

2 試驗結果及分析

該文在控溫及模擬暴雨強度的試驗條件下研究試驗臺試樣表面及內部溫濕度變化的基本規律，得出不同試驗條件下，透水鋪裝試樣對局地溫濕度的影響。

圖2和圖3分別為控溫條件下試驗臺面層試件級配類型為OGFC和SMA時，試驗臺試樣表面和內部溫度變化關系圖。

由圖2可知，對于瀝青試件表面：當控溫進行到約30 min時，試驗臺試件表面達到了最大溫度且保持最高溫度不變；到第80 min開始降雨時，試件表面的溫度急劇下降；降雨結束后由于控溫仍在繼續，表面溫度開始快速回升；到第150 min結束控溫后，試件表面溫度又開始緩慢下降。

對于試樣各層的溫度：測試后期試件表面處溫度緩慢降低而其他各層溫度緩慢升高，是因為水分從溫度較高的面層向溫度較低的碎石層和土層遷移時，與透水面層、碎石和土壤發生了熱交換，使面層溫度降低而碎石層和土層的溫度升高。

由圖3可知，SMA試件搭建的試驗臺各層溫度變化趨勢與OGFC相似，但其各層溫度變化幅度均小于OGFC。由于SMA試件是密實結構，降雨過后表層的水分無法透過表面試件滲入下方而發生熱傳遞，因此試件表面溫度最終保持一個相對穩定的狀態，表面下各層的溫度變化幅度也比OGFC要小。

對于試件表面溫度：OGFC試件比SMA試件溫度敏感性更強。在同樣的控溫條件下，OGFC試件表面溫度能比SMA試件達到更高的溫度；OGFC試件表面因降雨造成溫度下降12.1 ℃，SMA試件表面溫度下降9.1 ℃；降雨結束后由于控溫仍在進行，OGFC和SMA試件表面溫度相對于降雨剛結束分別升高7.3 ℃和5.2 ℃；而在測試后期，OGFC表面溫度一直緩慢下降，SMA表面溫度先緩慢上升最后達到相對穩定狀態。

由于OGFC試件空隙率較大，在外界溫度較高時，熱量可以通過孔隙使試件比較均勻的受熱，造成整體溫度上升較快且短時間內溫度升高較多，而SMA僅有試件的表面與外界空氣相互作用，因此升溫比較緩慢，短時間內溫度升高較少；在降雨時，溫度較低的雨水與溫度較高的試件發生熱傳遞使試件表面溫度降低，雨水可以從OGFC試件的孔隙中滲入下層帶走大量熱量，而SMA試件沒有這種現象，因此降雨時OGFC試件表面比SMA降溫更多；在測試后期，OGFC由于試件內部和下層含有大量水分，水分可以通過孔隙蒸發繼續降低試件表面溫度，而SMA試件空隙率較低，降雨時雨水在試件表面形成徑流排走，在后期無法通過蒸發降低溫度。

比較由OGFC試件和SMA試件搭建的試驗臺各層溫度變化可以發現：降雨結束后OGFC各層的平均溫度均低于SMA各層溫度，從控溫達到最高溫度經過降雨直到測試結束，OGFC和SMA試件表面溫度分別降低6.9 ℃和4.2 ℃，說明在控溫試驗條件下OGFC相對于SMA在降雨后能降低更多的溫度。通過雨水與試樣內部材料的熱傳遞將熱量從表面轉移到了下層；而由于透水表面（OGFC）比不透水表面（SMA）對外界溫度變化更敏感，在外界溫度較高時，透水路面因大部分熱量被面層吸收，故面層下方的平均溫度比不透水路面面層下方的平均溫度要低。

圖4為控溫條件下面層試件為OGFC時，試驗臺表面和內部體積含水率變化關系圖。

由圖4可知，隨著模擬降雨的開始，除距離試件表面35 cm處試樣，其他各層體積含水率的變化趨勢相同：在降雨開始后急劇增長，降雨結束后又較快降低后最終達到一個穩定狀態，且達到穩定狀態時的體積含水率均比降雨前要高。距離試件表面35 cm處的體積含水率在降雨開始后快速增長并最終達到穩定狀態。OGFC試件表面的體積含水率在測試第83 min（降雨開始3 min）達到峰值0.295，然后快速降低；距離表面5 cm、15 cm和25 cm處的體積含水率分別在第87、88和91 min達到峰值。

3 結語

該文研究了在模擬降暴雨時，透水鋪裝試樣在室內控溫的條件下表面與內部溫度和體積含水率的變化規律，得出以下結論：（1）透水路面（OGFC）比不透水路面（SMA）對外界溫度變化更敏感。測試前期在相同的高溫環境中，透水面層能比不透水面層達到更高的溫度；在降雨后，由于雨水與面層試件發生熱傳遞，透水試件能比不透水試件降低更多的溫度，而帶有大量來自面層熱量的水分進入下面各層時再次與碎石和土壤發生熱交換，使下方各層的溫度升高。（2）降雨結束后OGFC各層的平均溫度均低于SMA各層溫度，從控溫達到最高溫度經過降雨直到測試結束OGFC和SMA試件表面溫度分別降低6.9 ℃和4.2 ℃，說明在控溫試驗條件下OGFC相對于SMA在降雨后能降低更多的溫度。

參考文獻

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