邢國輝

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術學院，內(nèi)蒙古赤峰 024005)

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，交通運輸飛速發(fā)展，城市中道路、廣場、房屋人工下墊面越來越多，自然下墊面所占比重越來越小。人工下墊面隔斷了自然下墊面的水熱循環(huán)通道，加之其吸熱性好，提高了近地空氣溫度，從而形成城市熱島效應(Urban Heat Island，UHI)［1-2］。道路鋪面是城市人工下墊的重要組成部分，對城市熱島效應影響巨大，所以研發(fā)新型路面材料以緩減城市熱島效應，已成為道路科技工作者們需要迫切解決的問題。

為了降低路面溫度，國內(nèi)外的研究者對降溫型路面進行了一定的研究，主要有路用熱反射涂層、大孔隙路面、保水式路面和阻熱式路面四大類;然而，路用熱反射涂層的缺點也較為明顯:抗滑性能較差、路面反光影響夜間行車、造價高［3-4］。大孔隙瀝青混合料是一種具有相互連通孔隙的開級配瀝青混合料，孔隙率在 20%左右［5］，眾所周知，該混合料具有透水功能、降噪功能和良好的抗滑性能。宋憲發(fā)等的研究表明，排水性瀝青路面可以有效降低中面層和下面層的溫度，相比SMA路面，大孔隙路面的降溫幅度在2.5℃左右［6］。早在20世紀90年代，日本對低吸熱保水型鋪裝進行了研究，1994年研發(fā)出了保水型聯(lián)鎖塊鋪裝。明朝輝等把粉煤灰和高爐礦渣等吸水性材料填充于大孔隙混合料中，路面最高可降溫10℃以上［7］。阻熱式路面可以有效解決路面高溫病害和城市熱島效應，沙愛民等向混合料中摻入鍛燒鋁磯土石料，能降低路面溫度5℃。德國采用鍛燒鋁磯土石料的瀝青路面，可使瀝青路面溫度降低5 ℃～8 ℃［8］。

基于以上各類降溫路面的技術特點，本文通過理論分析、室內(nèi)試驗等方法進行有關高反射保水阻熱多孔水泥路面的研究，綜合阻熱、保水與高反射3種降溫技術，研發(fā)一種新型的能緩解城市熱島效應的高反射保水阻熱多孔水泥路面，使它不僅能大幅提高降溫效果，還能降低采用單一技術而導致的路面材料性能過分衰減的潛在風險。

1 高反射保水阻熱路面的降溫機理

高反射保水阻熱多孔水泥路面集成了阻熱、保水與高反射3種降溫技術，實現(xiàn)復合降溫。

1.1 阻熱機理

研究表明，材料的導熱系數(shù)越低，熱量就越難向路面內(nèi)部傳遞，進而會降低路面溫度［9-10］。因此，本文采用高鋁質耐火碎石作為骨料配制多孔阻熱水泥混凝土，由于高鋁質耐火碎石的導熱系數(shù)較普通集料低，進而可以降低水泥混凝土的導熱系數(shù)。將低導熱系數(shù)的阻熱水泥混凝土鋪筑于路表，相當于鋪筑了一層隔熱層，阻止了太陽輻射通過路表進一步向地下傳導，進而降低路面溫度，其降溫機理如圖1所示［11］。

1.2 保水機理

保水材料由粉煤灰、水泥、硅灰和水組成。粉煤灰是種多孔材料，具有很強的吸水性和保水性，同時也可起到一定的潤滑作用;硅灰除了具有保水的功能之外，還可以起到潤滑作用，從而提高保水材料的流動性;水泥水化后形成的水化物可以提供強度，防止保水材料的流失［12］。

圖1 阻熱降溫機理

將保水材料灌注于多孔水泥混凝土中，它可以吸收雨水或高溫季節(jié)灑在路表面的水，保存在其內(nèi)部的水分蒸發(fā)時吸熱，從而有效降低路面溫度，其降溫機理如圖2所示。

圖2 保水降溫機理

1.3 高反射機理

瀝青路面屬于黑色路面，吸熱性很高，而水泥混凝土路面為灰色，本身就有很好的光反射特性，在路表面涂覆由環(huán)氧樹脂、固化劑、二氧化鈦、炭黑組成的反射涂層［13］，可以反射太陽輻射中的可見光，從而降低路表面溫度，其降溫機理如圖3所示。

圖3 高反射降溫機理

2 高反射保水阻熱路面設計

2.1 保水材料設計

保水材料由粉煤灰、水泥、硅灰和水組成，保水材料的組成設計主要考慮保水材料的保水性、流動性和強度［14］。設計方法如圖4所示。

圖4 保水材料設計方法

根據(jù)試驗結果和規(guī)范要求最終得出:粉煤灰與硅灰的質量比為3∶2，水泥用量為粉煤灰與硅灰總質量的15%，用水量為水泥、粉煤灰、硅灰總質量的2 倍，其保水量為 0.28 g·cm－3，流動度為 18 s，抗壓強度為 2.7 MPa。

2.2 多孔水泥混凝土設計

根據(jù)填充包裹理論，在進行配合比設計時應確定粗集料的緊密堆積的空隙率V、目標空隙率P、水灰比C。V由粗集料的表觀密度和緊密堆積密度求得，水灰比C為0.28，目標空隙率P為18%±2%，設計方法如圖5所示。

圖5 多孔水泥混凝土設計流程

按圖5的方法設計多孔水泥混凝土，確定1 m3多孔水泥混凝土的材料組成和技術性能，如表1所示。分析表1可知，骨料為高鋁質耐火碎石的多孔水泥混凝土，其強度低于骨料為玄武巖的水泥混凝土，這是由于高鋁質耐火碎石的強度比玄武巖低造成的。

表1 多孔水泥混凝土的組成及技術性能

2.3 高反射材料選擇

本文所選的高反射材料是由環(huán)氧樹脂、固化劑、二氧化鈦、炭黑組成的。二氧化鈦遮光能力好、黏附力強、化學性質穩(wěn)定，適合道路工程使用，但是其為白色，涂覆到路表后在陽光下易產(chǎn)生反光現(xiàn)象［15］，對車輛及行人的安全不利。因此，先用炭黑作為調(diào)色原料加入到遮熱涂層中，將遮熱涂層的顏色調(diào)和成視覺上較為舒適的灰色。根據(jù)資料將遮熱涂層中環(huán)氧樹脂、固化劑、二氧化鈦、炭黑的比例調(diào)整為1 ∶0.4 ∶0.9 ∶0.045，涂層厚度為 1～2 mm［16-17］。

3 高反射保水阻熱路面的強度性能及降溫特性

3.1 強度性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)的方法成型15 cm×15 cm×15 cm的立方體試件，SMA-13瀝青混合料(SMA)、普通水泥混凝土(PCC)、保水型水泥混凝土(WCC)、保水阻熱型水泥混凝土(WTCC)試件各2塊，測試其28、90 d抗壓強度;成型15 cm×15 cm×550 cm的長方體試件并測試其28、90 d的抗折強度。圖6、7為PCC、WCC和WTCC的抗壓強度和抗折強度試驗結果。試驗結果表明，WTCC 28、90 d抗壓強度分別可以達到30.4 MPa和42.1 MPa，28、90 d抗折強度分別為4.6 MPa和 6.1 MPa，滿足規(guī)范的要求。加入保水材料后，水泥混凝土的強度得到增強，抗壓強度和抗折強度的增加幅度分別為1.4%～2.9%和4.4%～4.9%，這是因為硬化后保水材料填充于水泥混凝土的空隙中，形成了附加強度;當水泥劑量相同時，保水阻熱水泥混凝土的抗壓強度和抗折強度比保水式水泥混凝土降低了5.6%～10.1%和8.3%～10.3%，這是由于高鋁質耐火碎石的強度比玄武巖低造成的。

3.2 降溫特性

圖6 抗壓強度測試結果

圖7 抗折強度測試結果

在試件內(nèi)橫向植入溫度傳感器，采用杭州澤大儀器有限公司的ZDR-41型多通道溫度自動記錄儀測試溫度，精度為0.5℃，測試頻率為10 min。在測試前分別對SMA、PCC、WCC、WTCC噴灑相同質量的水，模擬一次降雨過程，然后接上溫度記錄儀，記錄4種路面的溫度變化曲線。

以上4種路面的路表溫度和路面5 cm深度處的溫度變化情況如圖8、9所示，兩者的最高溫度、最低溫度、全天平均溫度、白天(7:00至19:00)平均溫度及夜間平均溫度如表2、3所示。試驗結果表明:與SMA、PCC、WCC相比，WTCC的路表最高溫度分別降低了11.4 ℃、5.5 ℃和4.1 ℃，路面內(nèi)部最高溫度分別降低了10.3℃、6.1℃和4.6℃。

圖8 4種混合料的路表溫度曲線

圖9 4種混合料的內(nèi)部溫度曲線

表2 路表的特征溫度

表3 路面5 cm深度處的特征溫度

本文對高反射保水阻熱混凝土(HWTCC)和WTCC的溫度曲線進行對比，如圖10、11所示。結果表明:與WTCC試件相比，HWTCC路表最高溫度降低5℃，路面內(nèi)部最高溫度降低5.2℃。

圖10 WTCC和HWTCC路表溫度曲線對比

路面溫度除了受太陽輻射強度影響外，還與路面吸熱性、路面內(nèi)部蒸發(fā)效應和材料的導熱系數(shù)有關［18］。通過對以上4種路面的路表溫度與內(nèi)部溫度的進一步分析可知以下幾點。

圖11 WTCC和HWTCC內(nèi)部溫度曲線對比

(1)作為黑色的瀝青路面，SMA具有最高的吸熱性和最低的反射率，輻射到路表的太陽能被更多地吸收到路面中，因此具有最高的溫度。

(2)保水型水泥混凝土(WCC)的路表和5 cm深度處的最高溫度分別較普通水泥混凝土降低了1.4℃和1.5℃。這是因為:當溫度升高時，保水材料中的水分不斷蒸發(fā)并吸收熱量，使得路面的溫度降低;隨著水分蒸發(fā)完畢，保水材料的降溫作用失效，其中的粉煤灰和硅灰的吸熱性高于水泥，因此在18:00后保水型水泥混凝土的溫度又會高于普通水泥混凝土。

(3)保水阻熱型水泥混凝土(WTCC)與保水型水泥混凝土(WCC)相比，路表最高溫度降低了4.1℃，5 cm深度處的最高溫度降低了4.6℃，這是因為保水阻熱型水泥混凝土中采用了高鋁質耐火碎石，這種碎石具有很低的導熱系數(shù)，減少了路表熱量向路面內(nèi)部的傳遞，等同于在路面覆蓋了一層隔溫層。

(4)高反射涂層使得保水阻熱混凝土路面(HWTCC)降溫效果更好，因為反射涂層可以將輻射到路表的太陽能反射掉一大部分，使得路面溫度降低。

4 結語

(1)提出了多孔水泥混凝土的設計方法，采用水泥和粒徑為4.75～9.5 mm的集料配制出了高強度且空隙率為20%左右的高鋁質碎石和普通碎石多孔水泥混凝土。

(2)試驗結果表明，高反射保水阻熱水泥混凝土 28、90 d 的抗壓強度可以達到 30.4、42.1MPa，28、90 d 抗折強度分別為 4.6、6.1 MPa，比普通碎石多孔水泥混凝土和保水混凝土有所降低，但仍滿足重交通公路路面的設計要求。

(3)與SMA瀝青混合料、普通水泥混凝土、保水水泥混凝土相比，設計的復合降溫水泥混凝土的路表最高溫度分別降低 16.4 ℃、8.7 ℃和 6.6 ℃，路面內(nèi)部最高溫度分別降低15.5 ℃、9.1 ℃和7.2 ℃。

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