楊 明,丘金興,趙干順,盧孫泉

(1.廣西北投公路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530025;2.廣西交通投資集團(tuán)河池高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司,廣西 河池 547000;3.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)

0 引言

我國(guó)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(diào),無(wú)法很好地與人們生活中的各種環(huán)境相協(xié)調(diào)并且提供額外的使用性能。而彩色路面在引導(dǎo)交通、美化環(huán)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(guò)鋪筑彩色路面還可以提高路面識(shí)認(rèn)性[1],路面通過(guò)不同的顏色來(lái)代表不同功能的車(chē)道,劃分行駛車(chē)輛,駕駛員看到道路顏色更加注意,增加了行車(chē)安全[2]。除此之外,對(duì)于黑色瀝青路面,因?yàn)閷?duì)光的低反射率會(huì)造成大量太陽(yáng)輻射被其吸收,導(dǎo)致道路蓄熱量增加,從而加劇城市熱島效應(yīng)[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(yīng)。國(guó)內(nèi)外對(duì)半柔性路面、保水路面以及彩色路面的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)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(duì)于彩色保水半柔性路面降溫性能評(píng)價(jià)還鮮有研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器

本研究采用散光型電子燈模擬太陽(yáng)光照射,結(jié)合路面保水蒸發(fā)與降溫特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。光照模擬燈采用220 V 、300 W紫外線加熱燈。試驗(yàn)采用300 mm×300 mm×50 mm的車(chē)轍板作為試件,通過(guò)在試塊中心點(diǎn)打約2 cm小孔并插入測(cè)溫探頭,與測(cè)溫儀相連,確保試件之間溫度誤差≤1 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)數(shù)顯測(cè)溫儀對(duì)試件溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(yàn)材料與裝置

在兩個(gè)試驗(yàn)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(xiàn)[7-8]所給出方法并滿足規(guī)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(wú)極氧化鐵色粉摻量為1%。根據(jù)《瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)》(T0719-2011)制作300 mm×300 mm×50 mm的車(chē)轍板,普通瀝青試件為AC-13瀝青混合料車(chē)轍板,保水試件與彩色保水試件分別是在車(chē)轍板中灌注保水膠漿與彩色保水膠漿而成。

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

(3)加熱設(shè)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(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 紫外線燈的技術(shù)指標(biāo)表

2 路面降溫性能評(píng)價(jià)

2.1 路面灑水條件下

路面灑水降溫是我國(guó)常用的給路面降溫的方式[9],以灑水量為變量,設(shè)計(jì)灑水100 mL與200 mL兩組試驗(yàn)[10]。打開(kāi)加熱燈,每10 min左右記錄一次試塊溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)試件溫度達(dá)到60 ℃后,給每個(gè)試件表面均勻?yàn)⑸?00 mL的水,然后繼續(xù)對(duì)試塊溫度進(jìn)行記錄。本次試驗(yàn)對(duì)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(fā)模型

試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)建立水分蒸發(fā)模型進(jìn)行分析。對(duì)于水分蒸發(fā)量,對(duì)其造成影響的因素有日照強(qiáng)度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和水汽壓差等[11]。在本次室內(nèi)試驗(yàn)中,不考慮這些影響因素,只采用水分蒸發(fā)量模型及方法進(jìn)行計(jì)算。

水分蒸發(fā)量計(jì)算公式[12]為:

(1)

式中:E0——水分蒸發(fā)量;

H0——蒸發(fā)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(shù);

Ea——干燥力參數(shù)。

而蒸發(fā)量的輻射平衡計(jì)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(fā)量分別為E1、E2,通過(guò)式(3)比較保水試塊和普通試塊經(jīng)過(guò)灑水之后各自水分蒸發(fā)量大小。其比較過(guò)程為:

E1-E2=Δ(α2-α1)QΔ+γ

(4)

由式(4)可得蒸發(fā)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(fā)量越小。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖1～2的數(shù)據(jù),可以得知普通瀝青路面試塊在從26.5 ℃升溫到60 ℃的過(guò)程中,耗時(shí)約60 min。相比之下,保水試塊需要約150 min的時(shí)間升溫,而彩色保水試塊則需要約190 min的時(shí)間升溫。普通瀝青試塊因?yàn)楸砻姹粸r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?yàn)椴噬皾{的填充和包裹,表面反射率最高。

在降溫階段,當(dāng)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(dá)到60 ℃時(shí),對(duì)其分別進(jìn)行灑水。根據(jù)表2數(shù)據(jù),可以看出彩色保水試塊、保水試塊和普通試塊的溫度都開(kāi)始下降。

表2 不同灑水量試塊降溫情況表

由表2試驗(yàn)結(jié)果顯示,普通瀝青試塊灑水100 mL時(shí)能快速降到48.8 ℃,降溫用時(shí)為17 min;灑水200 mL時(shí),溫度降到47.6 ℃,用時(shí)12 min。保水試塊則表現(xiàn)為緩慢下降,灑水100 mL時(shí)最終溫度降到50.7 ℃,降幅為9.3 ℃,用時(shí)35 min;灑水200 mL時(shí)最終溫度為50.4 ℃,降幅為9.6 ℃,降溫時(shí)間為24 min。彩色保水試塊的降溫時(shí)間最長(zhǎng),灑水100 mL時(shí)彩色保水試塊下降至50.5 ℃,降幅為9.5 ℃,用時(shí)為45 min;灑水200 mL時(shí)彩色保水試塊下降至50.3 ℃,降幅為9.7 ℃,用時(shí)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(shí)間最長(zhǎng)。根據(jù)蒸發(fā)量模型[12],因?yàn)榉瓷渎师?>α2>α1,所以蒸發(fā)量E1

2.2 自然降雨溫度條件下

2.2.1 流速模擬試驗(yàn)

在本次試驗(yàn)中,采用花灑模擬自然降雨,將降水量進(jìn)行換算得出雨水流速為32 mL/s,以此模仿雨水對(duì)路面的沖擊滲透。為了調(diào)整流速,使用花灑和燒杯進(jìn)行試驗(yàn)前的流速調(diào)整。試驗(yàn)分別對(duì)普通瀝青試塊、保水半柔性試塊和彩色保水半柔性試塊進(jìn)行澆水,設(shè)置了1 h、2 h和3 h的澆水時(shí)間。澆水結(jié)束后,用加熱燈加熱試塊,并通過(guò)測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)和記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)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(yàn)結(jié)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(shí)間均長(zhǎng)于普通瀝青路面與保水半柔性試塊,平均時(shí)長(zhǎng)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(guò)表面水進(jìn)行散熱,溫度升高的速度較緩慢。隨著表面水的蒸發(fā),普通瀝青試塊內(nèi)部水分較少,散熱能力差,且吸熱能力強(qiáng),因此開(kāi)始迅速升溫直到60 ℃。保水試塊由于其吸水材料能夠吸收儲(chǔ)存水分,因此在表面水蒸發(fā)完之后仍有短時(shí)間的快速升溫,之后通過(guò)蒸發(fā)內(nèi)部水分進(jìn)行散熱,持續(xù)緩慢升溫直到60 ℃左右。彩色保水路面因?yàn)槠湔凵渎矢?對(duì)光的吸收較少,吸收的熱量也少,需要蒸發(fā)的水分較少,因此在吸收水量差不多的情況下,其升溫時(shí)間能比保水路面更長(zhǎng)。

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

2.3 降溫效果的灰色關(guān)聯(lián)分析

2.3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

(1)設(shè)系統(tǒng)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(guān)因素。

(2)變量序列的無(wú)量綱化。通過(guò) “中心化”“極差化”“極大化”“極小化”“均值化” “初值化”處理辦法. 對(duì)各序列的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,本次灰色關(guān)聯(lián)分析采用“中心化”處理方法,公式為:

(5)

(3)原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理后,x0與xi(i=1,2 ,3, …,n)在j點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為:

(6)

(4)關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算如下:

(7)

2.3.2 數(shù)據(jù)處理分析

降溫效果以初始溫度升至60 ℃的升溫時(shí)間作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將母體混合料空隙率、保水膠漿保水率、灑水量與降水時(shí)間為自變量進(jìn)行試驗(yàn),得到的升溫時(shí)間為因變量,然后對(duì)空隙率、保水率、灑水量和降水量與升溫時(shí)間之間進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算。試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)表

然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)依次帶入式(5)和式(6)中進(jìn)行“中心化”和無(wú)量綱化處理計(jì)算,計(jì)算得出的關(guān)聯(lián)系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 關(guān)聯(lián)系數(shù)表

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)模擬人工灑水與自然降水進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn),分析了不同試驗(yàn)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(yàn)中,通過(guò)建立水分蒸發(fā)模型分析了數(shù)據(jù);在降水試驗(yàn)中,采用橫縱向?qū)Ρ鹊姆绞竭M(jìn)行了分析。同時(shí),本研究還通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算了各影響因素的關(guān)聯(lián)度,得到了以下結(jié)論:

(1)彩色保水半柔性材料從26.5 ℃升溫至60 ℃所用時(shí)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(shí)的降溫幅度為9.6 ℃,升溫時(shí)間為117 min;灑水200 mL時(shí)的降溫幅度為9.5 ℃,升溫時(shí)間為152 min。短時(shí)間內(nèi)彩色保水半柔性材料的蒸發(fā)量較少,所以其降溫速度較慢,因?yàn)槠淠軌騼?chǔ)存水分,故升溫速度也較慢。在高溫來(lái)臨之前對(duì)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(shí)間均長(zhǎng)于普通瀝青路面和保水半柔性試塊,平均時(shí)長(zhǎng)分別增加了160 min和33 min。

(4)各影響因素對(duì)升溫時(shí)間的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榻邓畷r(shí)間>保水膠漿保水率>灑水量>混合料空隙率。