袁自能

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南　長沙　410004）

緩解城市熱島效應(yīng)瀝青混合料性能試驗(yàn)分析

袁自能

（湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南長沙410004）

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市規(guī)模越來越大，城市熱島效應(yīng)也越來越明顯。熱島效應(yīng)不僅吸收城市中的熱輻射能量，產(chǎn)生大量氮氧化物，還會(huì)使城市空氣質(zhì)量下降。作為城市環(huán)境中單體建筑面積較大的城市道路，因自身的高吸熱性，使熱島效應(yīng)進(jìn)一步加劇。文中在總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，提出用熱阻集料替換天然粗、細(xì)集料，以減少路面內(nèi)部熱量傳遞，降低城市環(huán)境溫度，進(jìn)而減輕城市熱島效應(yīng)；并對(duì)采用這種材料的道路的性能進(jìn)行檢測，結(jié)果表明其功能性及路用性能良好。

公路；城市熱島效應(yīng)；瀝青混合料；吸熱；熱阻材料

瀝青砼材料因施工簡單、行車噪聲低、舒適度高、安全性好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于城市道路建設(shè)。因?yàn)楹谏珵r青的存在，瀝青砼能吸收并存儲(chǔ)陽光中的能量。在夏季，隨著陽光照射時(shí)間的增加，城市道路路表溫度增高，造成道路高溫周期延長，在持續(xù)高溫及車輪荷載作用下，路面極易發(fā)生永久性車轍，對(duì)于行車舒適度及安全性都有不利影響，還會(huì)提高城市內(nèi)環(huán)境溫度，造成熱島效應(yīng)。熱島效應(yīng)屬于城市環(huán)境范疇，在城市熱量分布中，主城區(qū)屬于高溫區(qū)，就像海面上漂浮的島嶼，因而得名城市熱島。熱島效應(yīng)不僅受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人工熱源影響，還受城市內(nèi)部其他基礎(chǔ)設(shè)施面層的影響，其中道路面積所占比重最大，對(duì)城市熱島效應(yīng)影響最明顯。

為了保護(hù)環(huán)境，降低瀝青路面對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)路面降溫技術(shù)開展了深入研究。其中開展最廣泛的道路降溫方法為灑水降溫，但以中國華北地區(qū)為代表的水資源匱乏地區(qū)，在耗費(fèi)水資源的同時(shí)，人工費(fèi)、設(shè)備費(fèi)等也是一筆巨大開銷。有學(xué)者提出采用保水型路面降低路面溫度，即將高爐礦渣等極易吸收水分的材料填充在大空隙混合料中，通過吸水材料的吸水作用吸收水分，溫度較高時(shí)，通過蒸發(fā)作用，水分散失，達(dá)到溫度降低的作用。根據(jù)文獻(xiàn)［4]，保水型路面可降低溫度8℃以上。曹雪娟等研制路面反射涂料，用來提高路表反射率，降低路面溫度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者研究了相變材料對(duì)路面降溫的影響，結(jié)果表明相變材料對(duì)路面降溫有一定幫助，可降低5℃。長安大學(xué)的沙愛民教授將混合料中的粗、細(xì)集料全部替換為導(dǎo)熱系數(shù)低的天然熱阻材料，以減少熱量傳遞，吸熱量減小的情況下，路面溫度能得到降低。從以上研究成果來看，降低材料導(dǎo)熱性能及改善路表反射能力能有效降低路面溫度。該文采用耐火碎石替代天然集料設(shè)計(jì)降溫瀝青混合料，并與普通瀝青混合料相比，分析其性能。

1　原材料及瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1原材料

普通SMA-13型瀝青混合料（其技術(shù)指標(biāo)見表1～3）和熱阻式SMA瀝青混合料的區(qū)別在于熱阻式SMA瀝青混合料中添加了一種粒徑為5～15 mm的耐火碎石，其特征為吸水率高、強(qiáng)度低，為堿性石料。為了保證使用要求，使用前用環(huán)氧樹脂對(duì)耐火碎石進(jìn)行活化，活化前后的技術(shù)指標(biāo)見表4。

從表4可以看出：在耐火碎石加入環(huán)氧樹脂活化劑后，碎石的吸水率降低，與瀝青的粘結(jié)效果增強(qiáng)，磨耗值與壓碎值降低，說明環(huán)氧樹脂的加入提高了耐火碎石與瀝青的粘附性，并且對(duì)于降低瀝青砼孔隙率、提高瀝青砼密實(shí)度和強(qiáng)度有重要作用。

表1　SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表2　粗集料的技術(shù)指標(biāo)

表3　細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)

表4　耐火碎石的技術(shù)指標(biāo)

1.2混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

為了對(duì)兩種混合料的路用降溫效果進(jìn)行對(duì)比，在保證兩種混合料級(jí)配相同的前提下，將石料篩分成單粒徑進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)?；旌狭辖M成設(shè)計(jì)為：把不加任何降溫材料的天然SMA瀝青混合料作為對(duì)比組（OR -SMA）；將天然粗、細(xì)集料替換成耐火碎石粗、細(xì)集料形成降溫型SMA瀝青混合料（JW-SMA）；兩種瀝青混合料采用的級(jí)配形式相同（見表5）。

表5　SMA-13型普通瀝青混合料的級(jí)配

2　路面降溫評(píng)價(jià)

2.1降溫試驗(yàn)

采用WT0T1-3型多路溫度記錄儀對(duì)試樣進(jìn)行溫度測試，其測溫頻率為20 min，精度為0.5℃。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范成型車轍板試件，尺寸為30 cm ×30 cm×10 cm。為了便于測試瀝青表面及混合料一定深度內(nèi)的溫度，在混合料表面進(jìn)行挖槽處理，使傳感器探頭能夠放入，隨后用一定的瀝青進(jìn)行裹覆；在測試瀝青混合料5 cm深度的溫度時(shí)，使用小型鉆孔機(jī)在瀝青混合料5 cm深處進(jìn)行鉆孔，將傳感器探頭植入，空隙部位用瀝青填補(bǔ)。

路面溫度測試時(shí)，將瀝青混合料路面看作有一定厚度并向深處無限延伸的彈性半空間體。因?yàn)榭諝鉃閭鳠峤橘|(zhì)，路表通過空氣與外界發(fā)生熱交換，路表在吸收能量后沿深度方向向下傳導(dǎo)溫度。為了更好地模擬夏季高溫環(huán)境下路表的溫度情況，制作填充5 cm厚隔溫泡沫的隔溫箱，避免試件與外界的熱交換，并且能直觀地顯示降溫混合料的降溫效果。

2.2降溫效果評(píng)價(jià)

兩種路面的溫度測試結(jié)果見表6。

表6　特征溫度℃

從表6可以看出：路表和路面深度5 cm處降溫混合料的最高溫度均低于普通SMA-13型瀝青混合料，最高相差10.5℃；普通SMA-13型瀝青混合料的日溫差較大，說明普通SMA-13型混合料受溫度影響較大，對(duì)混合料的抗老化能力有不利影響；5 cm深度處，普通SMA-13型瀝青混合料的各特征點(diǎn)溫度均高于降溫瀝青混合料，最高為5.7℃。

降溫瀝青混合料因?yàn)闊嶙璨牧夏突鹚槭募尤?，?dāng)白天太陽照射路面時(shí)，阻止了太陽熱量向路面深處傳遞，起到隔溫的作用；當(dāng)夜晚環(huán)境溫度降低時(shí)，耐火碎石的存在延緩了路面溫度散失。這樣一方面提高了夜間路面的路表溫度，另一方面降低了白天的路表溫度，對(duì)于路面溫度的波動(dòng)起到一定限制作用，降低了瀝青的感溫作用，從而使瀝青不易老化，瀝青使用壽命增加，保證了瀝青混合料的使用性能。同時(shí)，因?yàn)闊嶙璨牧系募尤?，?dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，如夜晚，因?yàn)槁访鏈囟仍诎滋斓玫缴?，路面熱量通過對(duì)流作用流向周圍環(huán)境，熱阻材料的存在使熱量向外傳輸散失的速率降低，進(jìn)而降低了路面的熱量散失。

3　路用性能評(píng)價(jià)

3.1水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

目前，中國評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的常用指標(biāo)為殘留穩(wěn)定度，混合料的殘留穩(wěn)定度越高，表明瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好，抵抗水損壞的能力越強(qiáng)。一般情況下，當(dāng)水分進(jìn)入瀝青混合料時(shí)，在分子力作用下，集料會(huì)松散脫落，使路表形成坑槽，導(dǎo)致行車舒適性降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起道路交通事故。為了深入比較兩種混合料的水穩(wěn)定性，還引入凍融劈裂強(qiáng)度比作為評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

圖1　兩種瀝青混合料殘留穩(wěn)定度對(duì)比

圖2　兩種瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比對(duì)比

從圖1、圖2可以看出：普通SMA-13型瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比及殘留穩(wěn)定度均高于降溫SMA-13型瀝青混合料，說明普通SMA-13型瀝青混合料的抗水損壞能力高于降溫SMA-13型瀝青混合料，熱阻粗、細(xì)集料替換普通粗、細(xì)集料造成降溫SMA-13型瀝青混合料的水穩(wěn)定性能降低。但兩種瀝青混合料的路用性能指標(biāo)相差不大。根據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，殘留穩(wěn)定度不小于80％，凍融劈裂強(qiáng)度比不小于75％，降溫SMA-13型瀝青混合料的水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求，能確保路用性能。

3.2低溫性能

低溫性能是指混合料在低溫條件下抵抗收縮裂縫的能力。通過勁度模量試驗(yàn)、彎曲應(yīng)變試驗(yàn)、彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)在MTS萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按規(guī)范要求將瀝青混合料首先碾壓成300 mm×300 mm×50 mm車轍板，然后切割成40 mm×40 mm×250 mm小梁，最后在-10℃、加載速率50 mm/min的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3～5。

圖3　兩種瀝青混合料勁度模量對(duì)比

圖4　兩種瀝青混合料彎拉強(qiáng)度對(duì)比

由圖3～5可知：降溫SMA-13型瀝青混合料的勁度模量、應(yīng)變值均較低，普通SMA-13型瀝青混合料的勁度模量、應(yīng)變值均較高，說明降溫瀝青混合料的低溫性能有所降低，但仍能滿足規(guī)范要求，保證路用性能。

圖5　兩種瀝青混合料彎曲應(yīng)變對(duì)比

3.3高溫性能

采用輪轍試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料高溫抗車轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，溫度60℃，試件重約為10 kg，輪胎直徑為200 mm、寬50 mm，輪壓12個(gè)往返使混合料達(dá)到馬歇爾密度的100％。試驗(yàn)結(jié)果如下：降溫SMA-13型瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比普通SMA-13型瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高23.1％，高溫性能明顯提高。

4　結(jié)論

（1）降溫瀝青混合料的降溫性能良好，同樣條件下，降溫瀝青混合料溫度比普通瀝青混合料溫度低7～8℃，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度降溫瀝青混合料比普通瀝青混合料低5～6℃。

（2）熱阻材料的存在使混合料導(dǎo)熱性能下降，外部熱量難以導(dǎo)入路面內(nèi)部，從而降低路面溫度。

（3）降溫瀝青混合料的高溫性能提高明顯，水穩(wěn)定性能因石料的性質(zhì)有所下降，但仍滿足規(guī)范要求；低溫性能與普通瀝青混合料相差不大，符合路用性能要求。

［1］李俊.自調(diào)溫瀝青混合料性能研究［D].西安：長安大學(xué)，2012.

［2］肖鑫.排水瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)及排水特性研究［D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

［3］劉廣英.相變材料在半柔性路面中的應(yīng)用［D].西安：長安大學(xué)，2013.

［4］周啟偉.灌入式保水性瀝青混凝土抗車轍性能及機(jī)理分析［J].中外公路，2014，34（2）.

［5］郭建國.透水性路面材料對(duì)路面溫度影響的研究［J].中外公路，2014，34（6）.

U416.217

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1671-2668（2016）01-0118-03

2015-07-06