彩色保水半柔性路面降溫性能灰度關聯分析

楊 明,丘金興,趙干順,盧孫泉

(1.廣西北投公路建設投資集團有限公司,廣西 南寧 530025;2.廣西交通投資集團河池高速公路運營有限公司,廣西 河池 547000;3.廣西交通投資集團崇左高速公路運營有限公司,廣西 崇左 532200)

0 引言

我國城市道路大部分以瀝青混凝土與水泥混凝土為主,這兩種道路原本的顏色較為單調,無法很好地與人們生活中的各種環境相協調并且提供額外的使用性能。而彩色路面在引導交通、美化環境,緩解駕駛疲勞方面都能起到良好的作用。在一些照明情況不好的路段,通過鋪筑彩色路面還可以提高路面識認性[1],路面通過不同的顏色來代表不同功能的車道,劃分行駛車輛,駕駛員看到道路顏色更加注意,增加了行車安全[2]。除此之外,對于黑色瀝青路面,因為對光的低反射率會造成大量太陽輻射被其吸收,導致道路蓄熱量增加,從而加劇城市熱島效應[3-4]。彩色路面相較于黑色瀝青路面,能更好地反射紫外線,減少吸熱,有利于緩解城市熱島效應。國內外對半柔性路面、保水路面以及彩色路面的力學性能、高溫穩定性及使用壽命等都擁有一定的研究歷史和許多研究成果[5-6],但對于彩色保水半柔性路面降溫性能評價還鮮有研究。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

本研究采用散光型電子燈模擬太陽光照射,結合路面保水蒸發與降溫特點進行試驗。光照模擬燈采用220 V 、300 W紫外線加熱燈。試驗采用300 mm×300 mm×50 mm的車轍板作為試件,通過在試塊中心點打約2 cm小孔并插入測溫探頭,與測溫儀相連,確保試件之間溫度誤差≤1 ℃。試驗過程中,通過數顯測溫儀對試件溫度進行監測和記錄,并模擬灑水與降水的降溫方式,最終得出彩色保水半柔性路面的降溫情況。

1.2 試驗材料與裝置

在兩個試驗中采用的主要材料與裝置如下:

(1)試件:原材的選用和試件的制作工藝參考文獻[7-8]所給出方法并滿足規范要求,保水砂漿配合比為水∶水泥∶砂∶礦渣∶硅藻土∶礦粉=55∶50∶25∶6∶4∶12,著色劑摻量為1%,瀝青用量為2.6%,無極氧化鐵色粉摻量為1%。根據《瀝青混合料車轍試驗》(T0719-2011)制作300 mm×300 mm×50 mm的車轍板,普通瀝青試件為AC-13瀝青混合料車轍板,保水試件與彩色保水試件分別是在車轍板中灌注保水膠漿與彩色保水膠漿而成。

(2)測溫儀:誠楓牌數顯測溫儀,外形尺寸為直徑150 mm、高40 mm,測溫范圍為-50 ℃～200 ℃,誤差<1 ℃。測溫形式為小型探頭測溫。

(3)加熱設備:紫外線加熱燈泡作為主要加熱源,采用歐司朗紫外線加熱燈泡,紫外線加熱燈泡的技術指標見表1。

表1 紫外線燈的技術指標表

2 路面降溫性能評價

2.1 路面灑水條件下

路面灑水降溫是我國常用的給路面降溫的方式[9],以灑水量為變量,設計灑水100 mL與200 mL兩組試驗[10]。打開加熱燈,每10 min左右記錄一次試塊溫度數據。當試件溫度達到60 ℃后,給每個試件表面均勻灑上100 mL的水,然后繼續對試塊溫度進行記錄。本次試驗對象為普通瀝青試塊、保水半柔性試塊和彩色保水試塊。得到試驗結果見圖1～2。

圖1 灑水100 mL試塊溫度曲線圖

圖2 灑水200 mL試塊溫度曲線圖

2.1.1 水分蒸發模型

試驗結果通過建立水分蒸發模型進行分析。對于水分蒸發量,對其造成影響的因素有日照強度、相對濕度、風速和水汽壓差等[11]。在本次室內試驗中,不考慮這些影響因素,只采用水分蒸發量模型及方法進行計算。

水分蒸發量計算公式[12]為:

(1)

式中:E0——水分蒸發量;

H0——蒸發量單位的輻射平衡;

Δ——飽和水氣壓-溫度曲線斜率;

γ——干燥表常數;

Ea——干燥力參數。

而蒸發量的輻射平衡計算公式為:

H0= (1-α)Q-B1

(2)

式中:α——反射率;

Q——日照總輻射;

Bl——有效輻射。

把式(1)代入式(2),可以得出:

(3)

不同試塊的蒸發量分別為E1、E2,通過式(3)比較保水試塊和普通試塊經過灑水之后各自水分蒸發量大小。其比較過程為:

E1-E2=Δ(α2-α1)QΔ+γ

(4)

由式(4)可得蒸發量的大小取決于α2、α1的大小,也就是反射率的大小,材料反射率越大,蒸發量越小。

2.1.2 試驗結果分析

根據圖1～2的數據,可以得知普通瀝青路面試塊在從26.5 ℃升溫到60 ℃的過程中,耗時約60 min。相比之下,保水試塊需要約150 min的時間升溫,而彩色保水試塊則需要約190 min的時間升溫。普通瀝青試塊因為表面被瀝青包裹,外觀為黑色,反射率低,能夠吸收更多的熱量,所以在紫外線加熱燈的照射下升溫較快。相比之下,保水試塊在注入保水砂漿后呈灰色,表面反射率高,因此升溫速度較慢。而彩色保水試塊則因為彩色砂漿的填充和包裹,表面反射率最高。

在降溫階段,當普通瀝青試塊、保水半柔性試塊和彩色保水半柔性試塊的溫度達到60 ℃時,對其分別進行灑水。根據表2數據,可以看出彩色保水試塊、保水試塊和普通試塊的溫度都開始下降。

表2 不同灑水量試塊降溫情況表

由表2試驗結果顯示,普通瀝青試塊灑水100 mL時能快速降到48.8 ℃,降溫用時為17 min;灑水200 mL時,溫度降到47.6 ℃,用時12 min。保水試塊則表現為緩慢下降,灑水100 mL時最終溫度降到50.7 ℃,降幅為9.3 ℃,用時35 min;灑水200 mL時最終溫度為50.4 ℃,降幅為9.6 ℃,降溫時間為24 min。彩色保水試塊的降溫時間最長,灑水100 mL時彩色保水試塊下降至50.5 ℃,降幅為9.5 ℃,用時為45 min;灑水200 mL時彩色保水試塊下降至50.3 ℃,降幅為9.7 ℃,用時為33 min。普通瀝青試塊的溫度降幅最小,降溫速度最快,而保水試塊的溫度下降較為緩慢,彩色保水試塊的降溫時間最長。根據蒸發量模型[12],因為反射率α3>α2>α1,所以蒸發量E1

2.2 自然降雨溫度條件下

2.2.1 流速模擬試驗

在本次試驗中,采用花灑模擬自然降雨,將降水量進行換算得出雨水流速為32 mL/s,以此模仿雨水對路面的沖擊滲透。為了調整流速,使用花灑和燒杯進行試驗前的流速調整。試驗分別對普通瀝青試塊、保水半柔性試塊和彩色保水半柔性試塊進行澆水,設置了1 h、2 h和3 h的澆水時間。澆水結束后,用加熱燈加熱試塊,并通過測溫儀監測和記錄數據。試驗結果見下頁圖3～5。

圖3 灑水1 h后燈照加熱溫度變化曲線圖

圖4 灑水2 h后燈照加熱溫度變化曲線圖

圖5 灑水3 h后燈照加熱溫度變化曲線圖

2.2.2 試驗結果分析

模擬降雨1 h、2 h和3 h情況下,彩色保水半柔性試塊升溫至60 ℃的時間均長于普通瀝青路面與保水半柔性試塊,平均時長分別增加了160 min與33 min。在試塊加水后,各試塊表面水分較多,通過表面水進行散熱,溫度升高的速度較緩慢。隨著表面水的蒸發,普通瀝青試塊內部水分較少,散熱能力差,且吸熱能力強,因此開始迅速升溫直到60 ℃。保水試塊由于其吸水材料能夠吸收儲存水分,因此在表面水蒸發完之后仍有短時間的快速升溫,之后通過蒸發內部水分進行散熱,持續緩慢升溫直到60 ℃左右。彩色保水路面因為其折射率高,對光的吸收較少,吸收的熱量也少,需要蒸發的水分較少,因此在吸收水量差不多的情況下,其升溫時間能比保水路面更長。

普通瀝青路面降水時間越長,升溫速度可以減緩,但效果不明顯。保水半柔性路面由于內部有吸水材料,降水時間與吸水效果相關,升溫速度較慢,處于較低溫下的時間長。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,但升溫時間更長。

2.3 降溫效果的灰色關聯分析

2.3.1 灰色關聯分析法

(1)設系統的因變量為參考序列y0、自變量為比較序列yi(i=1,2,3,…,n),且y0{y0(j) } ,j=1,2,3, …,m,均為正相關因素。

(2)變量序列的無量綱化。通過 “中心化”“極差化”“極大化”“極小化”“均值化” “初值化”處理辦法. 對各序列的原始數據進行無量綱化處理,本次灰色關聯分析采用“中心化”處理方法,公式為:

(5)

(3)原始數據無量綱化處理后,x0與xi(i=1,2 ,3, …,n)在j點的關聯系數為:

(6)

(4)關聯系數計算如下:

(7)

2.3.2 數據處理分析

降溫效果以初始溫度升至60 ℃的升溫時間作為評價標準,將母體混合料空隙率、保水膠漿保水率、灑水量與降水時間為自變量進行試驗,得到的升溫時間為因變量,然后對空隙率、保水率、灑水量和降水量與升溫時間之間進行灰色關聯分析計算。試驗原始數據見表3。

表3 試驗原始數據表

然后將試驗數據依次帶入式(5)和式(6)中進行“中心化”和無量綱化處理計算,計算得出的關聯系數見表4。

表4 關聯系數表

3 結語

本文通過模擬人工灑水與自然降水進行了室內試驗,分析了不同試驗方式下普通瀝青路面、保水半柔性路面和彩色保水半柔性路面的降溫情況。在灑水試驗中,通過建立水分蒸發模型分析了數據;在降水試驗中,采用橫縱向對比的方式進行了分析。同時,本研究還通過灰色關聯分析計算了各影響因素的關聯度,得到了以下結論:

(1)彩色保水半柔性材料從26.5 ℃升溫至60 ℃所用時間為190 min,高于普通保水半柔性試塊的150 min和普通瀝青試塊的60 min。

(2)在高溫情況下灑水,灑水量100 mL時的降溫幅度為9.6 ℃,升溫時間為117 min;灑水200 mL時的降溫幅度為9.5 ℃,升溫時間為152 min。短時間內彩色保水半柔性材料的蒸發量較少,所以其降溫速度較慢,因為其能夠儲存水分,故升溫速度也較慢。在高溫來臨之前對彩色保水半柔性路面灑水是比較好的選擇。

(3)模擬降雨1 h、2 h和3 h情況下,彩色保水半柔性試塊升溫至60 ℃的時間均長于普通瀝青路面和保水半柔性試塊,平均時長分別增加了160 min和33 min。

(4)各影響因素對升溫時間的關聯度排序為降水時間>保水膠漿保水率>灑水量>混合料空隙率。