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(yíng)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。現(xiàn)代城市化建設(shè)中對(duì)交通需求日益增長(zhǎng)，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(duì)太陽(yáng)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?chē)髿猓瑥亩觿×顺鞘袩釐u效應(yīng)[2]。因此，需要新型路面結(jié)構(gòu)和材料來(lái)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(guò)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(lái)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(jí)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(chē)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(yáng)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(gè)階段的路面溫度變化情況，對(duì)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(guò)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(mǎn)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(jiàn)表1。

表1 保水砂漿性能指標(biāo)要求值及實(shí)測(cè)值對(duì)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(guó)石化“東海牌”70#A級(jí)道路石油基質(zhì)瀝青，滿(mǎn)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。基體瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)要求見(jiàn)表2，級(jí)配采用《專(zhuān)用砂漿半柔性路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(DB44/T 1296-2014)推薦級(jí)配Ⅰ型，見(jiàn)下頁(yè)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(jí)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(chē)轍板上成型，待成型后的車(chē)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(dòng)臺(tái)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(dòng)性能，并迅速倒入車(chē)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(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)邊振動(dòng)邊灌注，直至灌漿料無(wú)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(chē)轍板試件放在溫度為20 ℃±2 ℃、相對(duì)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(huì)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(guò)散光型電子燈來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)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(xiàn)加熱燈，其具備類(lèi)似夏季太陽(yáng)光的照射升溫效果。本次試驗(yàn)以300 mm×300 mm×50 mm的車(chē)轍板作為試件，用燈光模擬太陽(yáng)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(gè)約2 cm的小孔，然后將測(cè)溫探頭放入其中，與測(cè)溫儀相連。試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)試件溫度進(jìn)行測(cè)定，保證試件之間誤差不超過(guò)1 ℃。通過(guò)數(shù)顯測(cè)溫儀對(duì)試件的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，然后分別模擬灑水與降雨的降溫方式。車(chē)轍試驗(yàn)溫度為60 ℃，故本試驗(yàn)加熱至60 ℃時(shí)開(kāi)始人工灑水試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)流程為：打開(kāi)加熱燈，測(cè)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(guò)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(kāi)加熱燈，開(kāi)啟溫度采集儀，每隔10 min對(duì)試件溫度數(shù)據(jù)采集1次，三個(gè)試件逐步升溫至60 ℃時(shí)開(kāi)始人工灑水，試件表面水分蒸發(fā)完后試件溫度會(huì)緩慢降低，最后又升溫至60 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(xiàn)圖

圖2 灑水量為200 m L時(shí)三種不同試塊升降溫曲線(xiàn)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(huì)因?yàn)榧?jí)配而產(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(shuō)明彩色路面具有優(yōu)良的反射太陽(yáng)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(zhǎng)的對(duì)比。灑水量為100 mL時(shí)三種路面材料降溫時(shí)長(zhǎng)分別為19 min、75 min、117 min，灑水量為200 mL時(shí)降溫時(shí)長(zhǎng)分別為46 min、118 min、152 min。由此可見(jiàn)，彩色保水試塊降溫持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，且灑水量對(duì)降溫時(shí)長(zhǎng)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(chǔ)起來(lái)，在加熱燈的持續(xù)照射下，保水試塊內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水分才緩慢蒸發(fā)散熱，故保水試塊的溫度長(zhǎng)時(shí)間保持在55 ℃以下。對(duì)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(zhǎng)。

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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)試塊進(jìn)行加熱，用測(cè)溫儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～6。

圖3 三次試驗(yàn)各試塊升至60 ℃所用時(shí)間對(duì)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(zhǎng)約14.8%的降溫時(shí)間，比瀝青混合料試塊多約170～210 min，延長(zhǎng)約172%的降溫時(shí)間。由圖4縱向?qū)Ρ瓤芍瑢?duì)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(wú)法吸收較多水分，主要通過(guò)殘留在表面與空隙中的水蒸發(fā)散熱，降水時(shí)間長(zhǎng)只能將其空隙填滿(mǎn)以達(dá)到降溫效果，空隙填滿(mǎn)后就無(wú)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(wú)法儲(chǔ)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(zhǎng)。而對(duì)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(guò)程中，保水半柔性路面可以通過(guò)蒸發(fā)水分來(lái)散熱，所以其升溫速度慢，處于低溫的時(shí)間較長(zhǎng)。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(zhǎng)，而3 h的降水時(shí)間對(duì)升溫時(shí)間并無(wú)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(zhǎng)了21%。彩色保水半柔性路面升溫趨勢(shì)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(zhǎng)，平均延長(zhǎng)30～40 min。

圖4 瀝青試塊升溫對(duì)比曲線(xiàn)圖

圖5 保水砂漿試塊升溫曲線(xiàn)圖

圖6 彩色保水砂漿半柔性試塊升溫曲線(xiàn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文在室內(nèi)模擬太陽(yáng)光照射下對(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)，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(zhǎng)了約14.8%，比瀝青混合料試塊延長(zhǎng)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(duì)緩解城市熱島效應(yīng)具有一定的促進(jìn)作用。