缓解城市热岛效应沥青混合料性能试验分析

2016-10-28袁自能

公路与汽运 2016年1期

关键词：城市热岛热阻集料

袁自能

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南　长沙　410004）

缓解城市热岛效应沥青混合料性能试验分析

袁自能

（湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙410004）

随着中国经济的高速发展，城市规模越来越大，城市热岛效应也越来越明显。热岛效应不仅吸收城市中的热辐射能量，产生大量氮氧化物，还会使城市空气质量下降。作为城市环境中单体建筑面积较大的城市道路，因自身的高吸热性，使热岛效应进一步加剧。文中在总结国内外研究成果的基础上，提出用热阻集料替换天然粗、细集料，以减少路面内部热量传递，降低城市环境温度，进而减轻城市热岛效应；并对采用这种材料的道路的性能进行检测，结果表明其功能性及路用性能良好。

公路；城市热岛效应；沥青混合料；吸热；热阻材料

沥青砼材料因施工简单、行车噪声低、舒适度高、安全性好等特点而被广泛应用于城市道路建设。因为黑色沥青的存在，沥青砼能吸收并存储阳光中的能量。在夏季，随着阳光照射时间的增加，城市道路路表温度增高，造成道路高温周期延长，在持续高温及车轮荷载作用下，路面极易发生永久性车辙，对于行车舒适度及安全性都有不利影响，还会提高城市内环境温度，造成热岛效应。热岛效应属于城市环境范畴，在城市热量分布中，主城区属于高温区，就像海面上漂浮的岛屿，因而得名城市热岛。热岛效应不仅受工农业生产、人工热源影响，还受城市内部其他基础设施面层的影响，其中道路面积所占比重最大，对城市热岛效应影响最明显。

为了保护环境，降低沥青路面对城市热岛效应的影响，国内外众多学者对路面降温技术开展了深入研究。其中开展最广泛的道路降温方法为洒水降温，但以中国华北地区为代表的水资源匮乏地区，在耗费水资源的同时，人工费、设备费等也是一笔巨大开销。有学者提出采用保水型路面降低路面温度，即将高炉矿渣等极易吸收水分的材料填充在大空隙混合料中，通过吸水材料的吸水作用吸收水分，温度较高时，通过蒸发作用，水分散失，达到温度降低的作用。根据文献［4]，保水型路面可降低温度8℃以上。曹雪娟等研制路面反射涂料，用来提高路表反射率，降低路面温度。哈尔滨工业大学的学者研究了相变材料对路面降温的影响，结果表明相变材料对路面降温有一定帮助，可降低5℃。长安大学的沙爱民教授将混合料中的粗、细集料全部替换为导热系数低的天然热阻材料，以减少热量传递，吸热量减小的情况下，路面温度能得到降低。从以上研究成果来看，降低材料导热性能及改善路表反射能力能有效降低路面温度。该文采用耐火碎石替代天然集料设计降温沥青混合料，并与普通沥青混合料相比，分析其性能。

1　原材料及沥青混合料级配设计

1.1原材料

普通SMA-13型沥青混合料（其技术指标见表1～3）和热阻式SMA沥青混合料的区别在于热阻式SMA沥青混合料中添加了一种粒径为5～15 mm的耐火碎石，其特征为吸水率高、强度低，为碱性石料。为了保证使用要求，使用前用环氧树脂对耐火碎石进行活化，活化前后的技术指标见表4。

从表4可以看出：在耐火碎石加入环氧树脂活化剂后，碎石的吸水率降低，与沥青的粘结效果增强，磨耗值与压碎值降低，说明环氧树脂的加入提高了耐火碎石与沥青的粘附性，并且对于降低沥青砼孔隙率、提高沥青砼密实度和强度有重要作用。

表1　SBS改性沥青的技术指标

表2　粗集料的技术指标

表3　细集料的技术指标

表4　耐火碎石的技术指标

1.2混合料级配设计

为了对两种混合料的路用降温效果进行对比，在保证两种混合料级配相同的前提下，将石料筛分成单粒径进行级配设计。混合料组成设计为：把不加任何降温材料的天然SMA沥青混合料作为对比组（OR -SMA）；将天然粗、细集料替换成耐火碎石粗、细集料形成降温型SMA沥青混合料（JW-SMA）；两种沥青混合料采用的级配形式相同（见表5）。

表5　SMA-13型普通沥青混合料的级配

2　路面降温评价

2.1降温试验

采用WT0T1-3型多路温度记录仪对试样进行温度测试，其测温频率为20 min，精度为0.5℃。

根据相关规范成型车辙板试件，尺寸为30 cm ×30 cm×10 cm。为了便于测试沥青表面及混合料一定深度内的温度，在混合料表面进行挖槽处理，使传感器探头能够放入，随后用一定的沥青进行裹覆；在测试沥青混合料5 cm深度的温度时，使用小型钻孔机在沥青混合料5 cm深处进行钻孔，将传感器探头植入，空隙部位用沥青填补。

路面温度测试时，将沥青混合料路面看作有一定厚度并向深处无限延伸的弹性半空间体。因为空气为传热介质，路表通过空气与外界发生热交换，路表在吸收能量后沿深度方向向下传导温度。为了更好地模拟夏季高温环境下路表的温度情况，制作填充5 cm厚隔温泡沫的隔温箱，避免试件与外界的热交换，并且能直观地显示降温混合料的降温效果。

2.2降温效果评价

两种路面的温度测试结果见表6。

表6　特征温度℃

从表6可以看出：路表和路面深度5 cm处降温混合料的最高温度均低于普通SMA-13型沥青混合料，最高相差10.5℃；普通SMA-13型沥青混合料的日温差较大，说明普通SMA-13型混合料受温度影响较大，对混合料的抗老化能力有不利影响；5 cm深度处，普通SMA-13型沥青混合料的各特征点温度均高于降温沥青混合料，最高为5.7℃。

降温沥青混合料因为热阻材料耐火碎石的加入，当白天太阳照射路面时，阻止了太阳热量向路面深处传递，起到隔温的作用；当夜晚环境温度降低时，耐火碎石的存在延缓了路面温度散失。这样一方面提高了夜间路面的路表温度，另一方面降低了白天的路表温度，对于路面温度的波动起到一定限制作用，降低了沥青的感温作用，从而使沥青不易老化，沥青使用寿命增加，保证了沥青混合料的使用性能。同时，因为热阻材料的加入，当环境温度较低时，如夜晚，因为路面温度在白天得到升高，路面热量通过对流作用流向周围环境，热阻材料的存在使热量向外传输散失的速率降低，进而降低了路面的热量散失。

3　路用性能评价

3.1水稳定性能评价

目前，中国评价沥青混合料水稳定性能的常用指标为残留稳定度，混合料的残留稳定度越高，表明沥青混合料的水稳定性能越好，抵抗水损坏的能力越强。一般情况下，当水分进入沥青混合料时，在分子力作用下，集料会松散脱落，使路表形成坑槽，导致行车舒适性降低，严重时会引起道路交通事故。为了深入比较两种混合料的水稳定性，还引入冻融劈裂强度比作为评价沥青混合料水稳定性的指标。试验结果见图1、图2。

图1　两种沥青混合料残留稳定度对比

图2　两种沥青混合料冻融劈裂强度比对比

从图1、图2可以看出：普通SMA-13型沥青混合料的冻融劈裂强度比及残留稳定度均高于降温SMA-13型沥青混合料，说明普通SMA-13型沥青混合料的抗水损坏能力高于降温SMA-13型沥青混合料，热阻粗、细集料替换普通粗、细集料造成降温SMA-13型沥青混合料的水稳定性能降低。但两种沥青混合料的路用性能指标相差不大。根据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》，残留稳定度不小于80％，冻融劈裂强度比不小于75％，降温SMA-13型沥青混合料的水稳定性能满足规范要求，能确保路用性能。

3.2低温性能

低温性能是指混合料在低温条件下抵抗收缩裂缝的能力。通过劲度模量试验、弯曲应变试验、弯拉强度试验对沥青混合料的低温性能进行评价。试验在MTS万能试验机上进行，按规范要求将沥青混合料首先碾压成300 mm×300 mm×50 mm车辙板，然后切割成40 mm×40 mm×250 mm小梁，最后在-10℃、加载速率50 mm/min的条件下进行试验。试验结果见图3～5。

图3　两种沥青混合料劲度模量对比

图4　两种沥青混合料弯拉强度对比

由图3～5可知：降温SMA-13型沥青混合料的劲度模量、应变值均较低，普通SMA-13型沥青混合料的劲度模量、应变值均较高，说明降温沥青混合料的低温性能有所降低，但仍能满足规范要求，保证路用性能。

图5　两种沥青混合料弯曲应变对比

3.3高温性能

采用轮辙试验对沥青混合料高温抗车辙性能进行评价。接地压强为0.7 MPa，温度60℃，试件重约为10 kg，轮胎直径为200 mm、宽50 mm，轮压12个往返使混合料达到马歇尔密度的100％。试验结果如下：降温SMA-13型沥青混合料的动稳定度比普通SMA-13型沥青混合料的动稳定度提高23.1％，高温性能明显提高。