作者簡(jiǎn)介:楊文燦(1969—),高級(jí)工程師,主要從事道路工程施工和管理工作。
摘要:瀝青路面的服役性能與路面溫度場(chǎng)緊密相關(guān),路面結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)的調(diào)控可通過(guò)新型材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式較為方便地實(shí)現(xiàn)。鑒于此,道路領(lǐng)域的科研工作者們基于對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)的調(diào)控開(kāi)發(fā)了多種形式的涼爽路面,以期降低夏季較高的路面溫度,達(dá)到減輕路面高溫病害、緩解城市熱島效應(yīng)的目的。文章綜述了現(xiàn)有涼爽瀝青路面形式,并論述了其降溫原理及存在的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:涼爽路面;降溫作用;蒸發(fā)式路面;熱反射路面;熱阻式路面;相變調(diào)溫路面
中圖分類(lèi)號(hào):U416.217
0 引言
交通運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的命脈,是惠及國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性行業(yè)。瀝青路面因其優(yōu)異的行車(chē)舒適性和便捷的維修養(yǎng)護(hù)方式已成為主要的路面鋪筑類(lèi)型。
然而,研究表明,由于較低的反照率,瀝青路面在炎熱的夏季會(huì)大量吸收太陽(yáng)輻射的能量,導(dǎo)致路面溫度在一天中某些時(shí)段內(nèi)可高達(dá)60 ℃以上。夏季過(guò)高的瀝青路面溫度不僅會(huì)增加瀝青的黏性流動(dòng)從而引起路面車(chē)轍等高溫病害,還將加速瀝青的光氧老化反應(yīng),使瀝青脆化而失去粘結(jié)作用,從而進(jìn)一步誘發(fā)路面開(kāi)裂、水損等其他病害,最終嚴(yán)重影響路面服役性能,縮短路面服役壽命。此外,過(guò)高的瀝青路面溫度也會(huì)加劇城市熱島效應(yīng),進(jìn)一步刺激城市能耗的增長(zhǎng)以及溫室氣體的排放,使城市氣候環(huán)境陷入惡性循環(huán)。
涼爽路面是一類(lèi)通過(guò)調(diào)節(jié)瀝青路面的吸熱、傳熱、散熱、儲(chǔ)熱等過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)路面降溫的新型綠色道路建造技術(shù)。按照不同的降溫原理,涼爽路面主要可劃分為熱阻式路面、相變調(diào)溫路面、蒸發(fā)式路面和熱反射路面。其中熱阻式路面、相變調(diào)溫路面、蒸發(fā)式路面是對(duì)進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱流進(jìn)行阻擋、吸收、散發(fā),而熱反射路面則通過(guò)影響路面反照率可直接決定進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)的能量多少。
本文綜述了現(xiàn)有主要涼爽瀝青路面形式(見(jiàn)圖1),論述了其降溫原理,分析了不同涼爽路面形式存在的問(wèn)題,以期助力涼爽路面材料的推廣應(yīng)用,從而減少高溫病害,減緩瀝青路面老化進(jìn)程,有助于綠色道路的發(fā)展和城市微氣候的改善。
1 蒸發(fā)式路面
蒸發(fā)式路面是一種具有較好蓄水能力,且利用水分蒸發(fā)帶走路面結(jié)構(gòu)熱量的涼爽路面。蒸發(fā)式路面主要包括多孔路面、透水路面和保水式路面。三種路面在應(yīng)用形式上有所不同,但其本質(zhì)都是通過(guò)去除掉集料級(jí)配中粒徑較小的顆粒部分,增加路面結(jié)構(gòu)的空隙率,以便于結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分的蓄存和蒸發(fā)。
有研究表明,對(duì)于多孔路面,當(dāng)孔隙內(nèi)填充的是泥土、沙、石等材料時(shí),多孔路面的熱學(xué)性能與混凝土路面相差不大,無(wú)法起到明顯的路面降溫效果。只有與草皮等植被結(jié)合應(yīng)用時(shí),多孔路面才能起到較好的降溫效果[1-2]。因此,多孔路面多用于人行道、停車(chē)場(chǎng)、公園等區(qū)域,較少應(yīng)用于高等級(jí)公路。
透水路面主要用于減少雨水地面徑流,緩解城市內(nèi)澇,透水路面的空隙中一般不填充其他物質(zhì)。雨水可從透水路面的空隙中流走,較難長(zhǎng)時(shí)間蓄存在路面結(jié)構(gòu)中。有研究表明,透水路面的透水性高出保水式路面一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)[3-4]。此外,Nemirosky等[5]研究發(fā)現(xiàn),水分蓄存的位置對(duì)蒸發(fā)式路面降溫的效果影響重大。當(dāng)水分蓄存的深度>25 mm時(shí),路面很難通過(guò)水分蒸發(fā)起到散熱的作用。即使透水路面采用非排水基層,基層處的蓄水也很難通過(guò)蒸發(fā)或毛細(xì)作用輸送到路面而起到降溫效果。因此,經(jīng)過(guò)雨水充分澆灌的透水路面通過(guò)蒸發(fā)散熱實(shí)現(xiàn)降溫的有效時(shí)間一般只能維持1~2 d[6]。此外,與普通的密級(jí)配混凝土路面相比,粗糙的路表和開(kāi)級(jí)配的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得透水路面表現(xiàn)出更低的反照率和熱慣性。在干燥環(huán)境條件下,透水路面相較于普通的密級(jí)配混凝土路面反而表現(xiàn)出更高的路面溫度[7-9]。
相較于多孔路面和透水路面,保水式路面通過(guò)向空隙結(jié)構(gòu)中填充吸水性強(qiáng)的多孔材料,有更好的吸水和蓄水能力。填充的保水材料一般分為礦物類(lèi)和聚合物類(lèi)。聚合物類(lèi)保水材料主要是以各種吸水性樹(shù)脂為主,但樹(shù)脂材料存在施工和易性差和耐久性差的問(wèn)題[10]。對(duì)于礦物類(lèi)保水材料,除了采用單一的多孔礦物材料如礦渣、皂土、硅藻土等作為保水材料外,由各種礦物材料(包括水泥、高爐礦渣微粉末、粉煤灰、火山灰、消石灰、陶瓷顆粒、沸石等)、添加劑和水拌和后所形成的保水性漿體也逐漸受到研究者們關(guān)注[11-13]。此外,地聚物也廣泛應(yīng)用于制備多孔的保水材料。Okada等[14]利用水鋁英石和蛭石制備了一種對(duì)水分吸收快而釋放慢的多孔陶瓷微粒保水材料。Okada等[15]還利用不同比例的硅酸鈉、偏高嶺土、氫氧化鈉和水制備了一系列用作保水材料的地聚物,并對(duì)它們的多孔性、保水性和力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)不同填充材料,保水式路面的蓄水能力為0.15~0.27 g/cm3,而透水路面的蓄水能力僅為0.06~0.1 g/cm3,保水式路面的蓄水能力是透水路面蓄水能力的兩倍多[16-17]。此外,有研究表明,給干燥的保水式路面澆水30 min,保水式路面的蓄水量就可達(dá)到其滿載的70%以上[18]。較好的蓄水能力使保水式路面的降溫作用一般可持續(xù)一周左右[16]。
大量研究證明,蒸發(fā)式路面在濕潤(rùn)狀態(tài)下,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄存的水分在高溫環(huán)境下的蒸發(fā)作用會(huì)帶走熱量,從而發(fā)揮明顯的路面降溫作用。但是,當(dāng)其處于干燥狀態(tài)時(shí),由于其較低的反照率和熱慣性,其路面溫度會(huì)高于普通瀝青混凝土路面溫度[11-16]。由此可知,蒸發(fā)式路面降溫作用的發(fā)揮嚴(yán)重依賴于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部蓄存水分的多少以及水分輸送通道的暢通。對(duì)于干旱季節(jié)或缺水地區(qū),或是蓄水腔體發(fā)生堵塞后,蒸發(fā)式路面的降溫作用都將受到嚴(yán)重限制[19]。此外,較大的空隙率以及水分對(duì)路面結(jié)構(gòu)的反復(fù)浸潤(rùn)會(huì)造成蒸發(fā)式路面容易出現(xiàn)松散和水損病害,縮短路面的服役壽命[20]。
2 熱反射路面
熱反射路面通過(guò)增加路面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射能力從而達(dá)到路面降溫目的。研究表明,相較于導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、發(fā)射率等熱物性參數(shù),路面反照率更易于人為調(diào)控,且對(duì)路表及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的影響最為顯著[21]。研究發(fā)現(xiàn)最高路面溫度與路表反照率呈現(xiàn)負(fù)的線性關(guān)系,并且反照率每增加0.1,路面最高溫度可下降3.5 ℃~4.3 ℃[22-23],見(jiàn)圖2。
因此,基于提高路面反照率而研發(fā)的熱反射路面被認(rèn)為是降低夏季路面高溫,緩解城市熱島效應(yīng)最為有效的涼爽路面。目前,熱反射技術(shù)在路面的應(yīng)用形式可分為兩大類(lèi):一種是將具有高反照率的材料直接以涂層的形式涂覆于瀝青路表之上;另一種是通過(guò)各種改性方法提高瀝青混合料的反照率,再將瀝青混合料以混凝土、微表處、罩面、封層等形式應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)[11]。
瀝青路面熱反射技術(shù)的研究主要集中在四個(gè)方向。(1)開(kāi)發(fā)各種具有高反照率的淺色涂料;(2)針對(duì)淺色涂料在可見(jiàn)光波段的顯著反射作用容易給車(chē)輛駕駛者造成眩目問(wèn)題,開(kāi)發(fā)主要針對(duì)紅外波段表現(xiàn)出高反射能力的涂料;(3)將淺色骨料或是被淺色涂料裹覆的骨料應(yīng)用于瀝青混合料之中;(4)開(kāi)發(fā)熱致變色涂料或利用熱致變色材料對(duì)瀝青基路面材料進(jìn)行改性。大量研究表明,各類(lèi)熱反射技術(shù)均可顯著提高瀝青路面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射能力,從而降低夏季路面溫度,緩解城市熱島效應(yīng)[11]。
盡管熱反射路面中淺色涂層或紅外反射涂層都能在夏季起到顯著的路面降溫作用,但其固定不變的高反照率也會(huì)在冬季給路面起到降溫的反作用,引起路面的低溫病害[24]。針對(duì)這兩類(lèi)熱反射涂層的不足,反射能力可隨環(huán)境溫度而動(dòng)態(tài)變化的可逆熱致變色材料開(kāi)始應(yīng)用于涼爽路面,并逐漸受到人們重視。目前,應(yīng)用于涼爽路面的熱致變色材料是一種變色溫度在31 ℃上下的三組分有機(jī)可逆熱致變色微膠囊材料。該膠囊材料由囊芯和囊壁組成。囊芯材料主要起到熱致變色的作用,是一種由發(fā)色劑、顯色劑和溶劑組成的三組分復(fù)配物[25-27],見(jiàn)圖3。
同時(shí),熱反射涂層對(duì)路面抗滑性的不利影響,涂層本身較差的耐磨性和耐久性都是限制熱反射涂層廣泛應(yīng)用的突出問(wèn)題[28]。針對(duì)熱反射涂層抗滑性差的問(wèn)題,學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn),向涂層中加入防滑顆粒如沙子、小粒徑的石灰?guī)r、陶瓷微粒等可以在一定程度上提高涂層抗滑性能 [29-31]。對(duì)于改善熱反射涂層的耐久性,學(xué)者們也開(kāi)展了相關(guān)研究。Chen等[32]基于涂層抗壓、抗輪碾、抗磨耗、抗腐蝕、抗沖擊性能的測(cè)試結(jié)果,運(yùn)用多目標(biāo)灰靶決策方法綜合評(píng)價(jià)了不同的功能型礦物對(duì)反射涂層耐久性的影響,并最終確定了單摻鏡鐵或?qū)ⅫS鐵礦與二氧化鈦復(fù)配摻入的涂層耐久性最佳。Xie等[33]研究發(fā)現(xiàn),向涂層中加入納米粒子氧化鋅可以有效提升涂層在自然老化作用下的耐久性。
3 熱阻式路面
熱阻式路面是一類(lèi)通過(guò)在路面中應(yīng)用具有阻熱功能的集料來(lái)降低路面結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù),減小熱量在路面內(nèi)部傳遞的涼爽路面。常用的熱阻集料包括鋁礬石類(lèi)、陶瓷、膨脹蛭石及多孔玄武巖等[34-36]。熱阻集料在路面中的應(yīng)用形式可分為三類(lèi):等體積替換普通粗集料或細(xì)集料、層間設(shè)置熱阻黏封層和路表加鋪熱阻薄層[34]。熱阻集料存在多孔、強(qiáng)度低、吸水率偏大的特點(diǎn),熱阻集料的路用技術(shù)指標(biāo)一般較差。熱阻集料的摻入普遍會(huì)大幅降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性,某些熱阻集料還會(huì)對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性造成不利影響[31]。此外,熱阻式路面在阻斷熱流由路表向路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞的過(guò)程中,熱量容易在路表蓄積從而引起路表溫度過(guò)高的現(xiàn)象[36]。
4 相變調(diào)溫路面
相變調(diào)溫路面是利用相變材料在發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)儲(chǔ)存或釋放大量潛熱且保持自身溫度不變的特點(diǎn)對(duì)路面溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。相變材料的摻入可以提高瀝青路面材料的熱容,從而降低夏季高溫時(shí)段瀝青路面的升溫速率和高溫峰值。目前,圍繞路用相變材料的研究主要集中在相變特性和力學(xué)特性兩個(gè)方面[37]。相變特性決定著相變調(diào)溫路面的調(diào)溫效果,而力學(xué)特性影響著相變調(diào)溫路面的路用性能。由于固-固相變材料的相變溫度一般遠(yuǎn)高于路面的服役溫度而無(wú)法起到路面調(diào)溫作用,所以應(yīng)用于路面的相變材料以固-液相變材料為主。但固-液相變材料熱穩(wěn)定性差,液態(tài)的相變材料具有較強(qiáng)的流動(dòng)性,不僅會(huì)引起自身的泄漏問(wèn)題,還會(huì)對(duì)路面性能產(chǎn)生不利影響[37]。因此,應(yīng)用于路面的固-液相變材料一般需要以聚合物(如聚乙烯)或多孔材料(輕質(zhì)骨料、膨脹石墨、多孔陶瓷、膨脹蛭石、硅藻土等)為載體形成定形復(fù)合相變材料或是通過(guò)膠囊包封技術(shù)防止泄漏[37-40]。雖然這些技術(shù)能在一定程度上限制相變材料的流動(dòng)性,但仍存在如多孔材料吸附性不足、包封技術(shù)對(duì)相變特性的削弱等問(wèn)題[37]。
5 結(jié)語(yǔ)
涼爽路面是一種環(huán)境友好型路面形式,該路面形式的推廣應(yīng)用不僅可以通過(guò)降低路面溫度,減少路面高溫病害,減緩瀝青老化進(jìn)程,還可以降低城市熱島效應(yīng),改善城市微氣候。研究者們根據(jù)路面與外界環(huán)境熱交換形式,研發(fā)了可以降低路面吸熱的熱反射路面、阻礙熱流向路面?zhèn)鲗?dǎo)的熱阻式路面、利用水分的蓄積與蒸發(fā)散熱的蒸發(fā)式路面以及增加材料儲(chǔ)熱能力的相變調(diào)溫路面等路面形式。但是,針對(duì)不同涼爽路面形式,其對(duì)路面使用性能的影響及評(píng)價(jià)方法、降溫性能的耐久性以及工程實(shí)體的應(yīng)用方式還有待進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
[1]Takashi A,Vu T C. Characteristics of permeable pavement during hot summer weather and impact on the thermal environment[J].Building and Environment,2000(35):363-375.
[2]Takebayashi H,Moriyama M. Study on the urban heat island mitigation effect achieved by converting to grass-covered parking[J].Solar Energy,2009(83):1 211-1 223.
[3]Qin Y H,Yang H F,Deng Z H,et al. Water permeability of pervious concrete is dependent on the applied pressure and testing methods[J].Advances in Materials Science and Engineering,2015(2015): 404136.
[4]Nakayama T,F(xiàn)ujita T. Cooling effect of water-holding pavements made of new materials on water and heat budgets in urban areas[J].Landscape and Urban Planning,2010(96): 57-67.
[5]Nemirovsky E M,Welker A L,Lee R. Quantifying evaporation from pervious concrete systems: methodology and hydrologic perspective[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,2013,139(4): 271-277.
[6]Li H,Harvey J T,Holland T J,et al. The use of reflective and permeable pavements as a potential practice for heat island mitigation and stormwater management[J].Environmental Research Letters,2013(8): 015023.
[7]Lynn B H,Carlson T N,Rosenzweig C,et al. A modification to the NOAH LSM to simulate heat mitigation strategies in the New York City metropolitan area[J].Journal of Applied Meteorology and Climatology,2009,48(2): 199-216.
[8]Stempihar J J,Pourshams-Manzouri T,Kaloush K E,et al. Porous asphalt pavement temperature effects for urban heat island analysis[J].Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board,2012,2 293(1): 123-130.
[9]Qin Y H,Hiller J E. Understanding pavement-surface energy balance and its implications on cool pavement development[J].Energy and Buildings,2014(85):389-399.
[10]張冬梅. 保水性路面組成設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià) [D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué),2011.
[11]Santamouris M. Using cool pavements as a mitigation strategy to fight urban heat island—A review of the actual developments[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013(26): 224-240.
[12]Higashiyama H,Sano M,Nakanishi F,et al. Field measurements of road surface temperature of several asphalt pavements with temperature rise reducing function[J].Case Studies in Construction Materials,2016(4):73-80.
[13]Jiang W,Sha A M,Xiao J J,et al. Experimental study on materials composition design and mixture performance of water-retentive asphalt concrete[J].Construction and Building Materials,2016(111):128-138.
[14]Okada K,Matsui S,Isobe T,et al. Water-retention properties of porous ceramics prepared from mixtures of allophane and vermiculite for materials to counteract heat island effects[J].Ceramics International,2008(34):345-350.
[15]Okada K,Ooyama A,Isobe T,et al. Water retention properties of porous geopolymers for use in cooling applications[J].Journal of the European Ceramic Society,2009(29):1 917-1 923.
[16]Qin Y H. A review on the development of cool pavements to mitigate urban heat island effect[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015(52):445-459.
[17]Yamagata H,Nasu M,Yoshizama M,et al. Heat island mitigation using water retentive pavement sprinkled with reclaimed wastewater[J].Water Science and Technology,2008,57(5): 763-771.
[18]Akira H,Motofumi M,Akiriho M,et al. A study of pavement body configurations of the evaporative cooling pavement system with a focus on rainwater retention and capillary absorption through a summer outdoor experiment[J].Journal of Heat Island Institute International,2011(6): 30-38.
[19]倪航天,黃煜鑌. 緩解城市熱島效應(yīng)的涼爽路面研究綜述[J].公路交通技術(shù),2020,36(4): 5-10.
[20]《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》編輯部. 中國(guó)路面工程學(xué)術(shù)研究綜述·2020[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2020,33(10): 1-66.
[21]張 鑫. 瀝青路面熱反射與熱阻技術(shù)降溫機(jī)理與應(yīng)用研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.
[22]Pomerantz M,Pon B,Akbari H,et al. The effect of pavements’ temperatures on air temperatures in large cities.[R].LBNL 2434421CA:Lawrence Berkeley National Laboratory,2001.
[23]Synnefa A,Santamouris M,Apostolakis K. On the development,optical properties and thermal performance of cool colored coatings for the urban environment[J]. Solar Energy,2007(81):488-497.
[24]Hu J Y,Gao Q,Yu X. Characterization of the optical and mechanical properties of innovative multifunctional thermochromic asphalt binders[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2015,27(5):1-10.
[25]Karlessi T,Santamouris M,Apostolakis K,et al. Development and testing of thermochromic coatings for buildings and urban structures[J].Solar Energy,2009(83): 538-551.
[26]White M A,LeBlanc M. Thermochromism in commercial products[J].Journal of Chemical Education,1999,76(9): 1 201-1 205.
[27]Zihao Chen,Jianxin Liu,Henglong Zhang et al. Comparative investigation of mechanical and cooling performance between thermochromic road materials prepared by wet/dry process: For low-carbon production and sustainable service[J].Journal of Cleaner Production,2022(360): 132158.
[28]Mohajerani A,Bakaric J,Jeffrey-Bailey T. The urban heat island effect,its causes,and mitigation,with reference to the thermal properties of asphalt concrete[J].Journal of Environmental Management,2017(197): 522-538.
[29]ShaA M,Liu Z Z,Tang K,et al. Solar heating reflective coating layer (SHRCL)to cool the asphalt pavement surface[J].Construction and Building Materials,2017(139): 355-364.
[30]鄭木蓮,何利濤,高 璇,等.基于降溫功能的瀝青路面熱反射涂層性能分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2013,13(5): 10-16.
[31]Zheng M L,Han L L,Wang F,et al. Comparison and analysis on heat reflective coating for asphalt pavement based on cooling effect and anti-skid performance[J].Construction and Building Materials,2015(93):1 197-1 205.
[32]Chen Q,Wang C H,F(xiàn)u H,et al. Durability evaluation of road cooling coating[J].Construction and Building Materials,2018(190):13-23.
[33]Xie N,Li H,Zhang H J,et al. Effects of accelerated weathering on the optical characteristics of reective coatings for cool pavement[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2020(215):110698.
[34]劉 佳.熱阻式路面材料研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2009.
[35]孟憲金,劉高啟,班孝義.熱阻瀝青路面降溫效果及作用機(jī)理[J].公路,2018,63(5): 7-11.
[36]高志偉,劉魯清,肖緒蕩,等.熱阻瀝青混合料研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2020,40(1): 125-134.
[37]劉 濤,郭乃勝,譚憶秋,等.路用相變材料研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].材料導(dǎo)報(bào),2020,34(23): 23 179-23 189.
[38]周雪艷,馬 骉,任宇錚,等.瀝青路面用復(fù)合定形相變材料調(diào)溫效果研究[J].硅酸鹽通報(bào),2018,37(11): 3 611-3 616.
[39]林飛鵬,金 嬌,鄭健龍,等.基于相變材料的調(diào)溫瀝青路面應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2017,36(6): 467-472.
[40]張 東. 瀝青路面控溫用定形相變材料的制備與性能研究[D].武漢: 武漢理工大學(xué),2019.
收稿日期:2023-04-16