透水混凝土整体路面减缓热岛效应试验研究

胡 江，姚 勇，何燕玲，陈代果，付东山 （西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010）

透水混凝土整体路面减缓热岛效应试验研究

Test Study on Relief of Heat Island by Applying Permeable Concrete Pavement

胡 江，姚 勇，何燕玲，陈代果，付东山 （西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010）

通过对透水混凝土整体路面、沥青路面、水泥混凝土路面在夏季高温天气时的温度进行测试，实测得到其表面温度和上部空气温度，并对其变化规律进行分析：沥青路面表面白天极端高温为53.3℃，水泥混凝土表面在14时，出现最高温度，并持续保持较高温度，20时高出其余二者3.5 K；透水混凝土降温升温均较快，12时之后上部空气温度开始降低，20时混凝土低1.7 K。透水混凝土路面的多孔结构和较低比热容起到快速升温和降温，缓解城市热岛效应的作用。

透水混凝土；整体路面；热岛效应；温度调节

城市建设中，水泥混凝土、沥青路面对环境带来的负面影响越来越明显，高温天气时缺乏对地表温度、湿度调节功能，形成“城市热岛”，部分城市年平均气温比郊区高出 1 K 甚至更多，夏季城市局部地区的气温甚至比郊区高出 6 K以上，城市宜居性大幅下降，“城市热岛”现象受到越来越广泛的关注。透水混凝土整体路面具备一系列与外部空气及下部透水垫层相连通的多孔构造，雨水能沿着贯通的孔隙通道渗入地下或存于路基中，补充地下水；雨过天晴以后，透水混凝土整体路面下垫层土壤中丰富的毛细水在太阳辐射作用下的自然蒸发蒸腾作用，吸收大量的显热和潜热，使地表温度降低，采用透水混凝土铺装的地面能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，可有效地缓解“热岛效益”。

1 试验概况

通过测试透水混凝土整体路面、沥青路面、水泥混凝土路面三种路面铺装材料在晴天的表面温度和上部空气温度，对比分析不同铺装材料在夏天温度变化规律。3 个场地相距小于 1 km，场地面积大，周边开阔无遮挡，可近似认为环境条件一致。

透水混凝土整体路面：四川省绵阳市农业学校正门广场，黑色透水混凝土整体路面(图1)，材性实验结果如表1。

表1 透水混凝土路面材性实验结果

沥青路面：西南科技大学和绵阳农校间双向四车新建黑色沥青路面铺装道路(图2)。

混凝土路面：西南科技大学北三篮球场(图3)。

图1 透水混凝土整体路面

图2 沥青路面

图3 水泥混凝土路面

2014 年 7、8 月，对试验场地采用杭州美控仪器生产的 RX-T401 温度记录仪记录铺装材料表面温度、RXTH402N 温湿度记录仪记录地表以及上空 1.5 m 处近地层空气的温湿度。为确保测定温度为材料表面温度，在 3 种路面上分别用磨砂机按照温度记录仪探头的形状和半径磨成凹槽，使感应部分及表身一半埋入地面，一半露出，使感应部分与所测地面接触紧密。试验选取 7 月 25 日至 8 月 18日之间的晴天进行分时测量，记录每天 8、9、10、12、14、16、18、19、20 时各场地的表面温度和上部空气温度。

2 试验结果与讨论

路面温度随天气而变化，除雨、雪、冰雹等天气外，参照日照时数来区分天空状况，将天空状况分为“晴到少云”、“多云”、“阴天”3 种。“晴到少云”为日照时数＞5 h，“多云”为日照时数 3～5 h，“阴天”为日照时数＜3 h。路面最高温度均在“晴到少云”天气形成，而且路面温度在日出后升温较快。本文选取试验中的 8 月 3 日至8 月 10 日，连续 7 d 天气为“晴到少云”天气进行详细分析。

2.1 不同材料表面和上部空气极端高温对比

不同的路面铺装材料及上部空气极高温度见表2。7天中，表面极端高温为：透水混凝土 52.7℃，沥青路面53.3℃，混凝土 52.2℃；7 d 的平均值：透水混凝土表面温度为 48.5℃，沥青路面为 48.6℃，混凝土为 47.3℃；上部空气温度的极端高温：透水混凝土为 49.7℃，沥青路面为 50.4℃，混凝土为 48.8℃；7 d 平均值：透水混凝土46.1℃，沥青 45.4℃，混凝土为 44.7℃。

表1 不同材料空气表面和上部空气极端高温

从各天的极端高温和 7 d 最高温度的平均，均发现沥青和透水混凝土表面和近地层空气最高温度高温高于普通混凝土的。

2.2 不同材料的表面温度变化规律

将 3 种路面材料各测试时刻的温度平均后得到图4、图5。总体规律为：8～12 时，随太阳辐射增加，表面温度迅速上升；在 12～16 时，保持较高的温度，16 时之后逐步下降至低温。

图4 铺装表面温度对比

图5 铺装上部空气温度对比

(1) 铺装表面温度变化规律：透水混凝土整体路面：在 8～12 时，温度上升至 46℃，并保持 46～47℃ 到 14时，逐步下降至 34℃。

沥青路面：在上午 11 时到达 46℃，12～14 时保持在46～47℃，14 时之后逐渐下降至 34℃。

混凝土路面：12 时升温到 45℃，在 12～16 时缓慢上升至 46℃，16 时后开始下降，并持续高于透水混凝土路面和沥青路面，20 时温度降至 37.5℃，高出其余两者约 3.5 K。

(2) 铺装上部空气变化规律：透水混凝土整体路面：8～12 时，空气温度快速上升至44.5℃后，温度便开始下降，12～16时下降缓慢，16时之后，温度快速下降至 31℃。

沥青路面：8～12 时，温度快速上升至 44℃，在12～16 段保持高温，14 时出现极高温度 46℃，14～20时，温度快速下降至 31 ℃。

普通混凝土：8～12 时，温度上升至 42℃，12～16时，保持在极端高温 42-43℃，16 时之后温度开始下降，但其下降速度较透水混凝土和沥青路面低，20 时降至32.7℃，较其余两者高 1.7 K 左右。

通过对比 12～16 时测试数据(表3)可知：12 时，透水混凝土、沥青路面表面温度分别为 47.3℃ 和 47.4℃，两者均高出水泥混凝土 2 K。透水混凝土和沥青路面上部空气温度接近，分别为 44.6℃ 和 44.1℃，高出水泥混凝土 2 K；随时间推移，14～16 时间内，混凝土路面表面温度逐步超过透水混凝土和沥青路面，达到 46.3℃；从空气温度看，沥青路面上部空气温度在 16 时，仍比混凝土路面高 1.5 K，此时透水混凝土路面已经比水泥混凝土路面低 0.8 K，较沥青路面低 2.3 K。

表3 12～16 时不同铺装材料表面和近地层空气温度

3 温度变化机理分析

3.1 表面反射率的影响

路面温度变化的热量来源是太阳辐射，当路面吸收的热量多于散发的热量时，路面就会增热升温；当路面吸收的热量少于散出的热量时，路面就会冷却降温。对于不同路面结构，反射率不同，吸收热量不同，在相同的太阳辐射条件下，路面温度仍有很大差异。测定场地透水混凝土和沥青路面颜色相近，反射率只有 0.05～0.1，较水泥混凝土略深，其反射率也较低。此外透水混凝土表面粗糙，相同路面面积下，接受太阳辐射面积增大。升温阶段，单位时间吸收的太阳辐射较多，温度上升快；混凝土路面反射太阳辐射多，吸收较少，升温缓于沥青路面和透水混凝土路面。12 时之后，太阳辐射变化较小，透水混凝土路面和沥青路面温度上升后，吸热和散热逐渐平衡，保持高温状态；而混凝土路面温度较低，吸热大于散热，仍能够继续吸热升温。

3.2 材料比热容的影响

透水混凝土主要有碎石或破碎的卵石堆积而成，外表附着一层较薄的胶凝材料，而普通混凝土空隙由水泥砂浆填充。碎石或卵石集料，比热容约 0.75 kJ/(kg·K)，而水泥砂浆的比热容通常为 0.84 kJ/(kg·K)，测定场地透水混凝土孔隙率在 20% 左右，在相同的太阳辐射条件下，单位面积路面的质量小、比热容也小，温度变化快。混凝土和透水混凝土达到相同的温度值时，透水混凝土所吸收存储的热量较少，太阳辐射减小后，该部分热量又可以快速散发，而混凝土则吸收热量多，降温速度较慢，直至 16 时左右，太阳辐射显著降低后，混凝土温度逐渐才下降，一直高出透水混凝土和沥青路面 3.5 K。

3.3 内部孔道

透水混凝土由于内部骨架构造特殊，存在一系列与外部空气相连通的孔隙，路面与路基之间形成良好的热传导通道，利于路面内部热量散发。12 时之后，整个透水混凝土面层温度上升，地下储存的水以水蒸气形式经过透水路面进入空气，空气湿度增加可促进空气流动，带走空气中的热量，空气温度明显降低，舒适度得到提高；降雨时或太阳辐射强度减弱时，连续空隙形成的热传导通道成了路面温度快速下降的决定性因素。20 时，水泥混凝土路面空气温度32.7℃，沥青路面为 30.9℃，透水混凝土为 30.8℃；材料表面温度，混凝土 37.5℃，沥青路面为 34.1℃，透水混凝土为 34.1℃。透水混凝土路面结构对路面温度的自我调节能力比较强，不容易形成路面极端高温，从而缓解城市热岛效应的形成。

4 结 语

综上所述，我们可以得出如下结论:

(1) 在 12 时，透水混凝土、沥青路面表面温度接近，透水混凝土路面为 47.3℃，沥青路面为 47.4℃；透水混凝土整体路面比沥青路面、普通混凝土路面具有更好的降温效果，20 时，前两者表面温度较混凝土路面低 3.5 K，近地层空气温度低 1.7 K；在 12～17 时，透水混凝土近地层空气温度比沥青路面温度低约 1～2 K；

(2) 透水混凝土路面是一种环境友好型路面结构，对城市热岛效应起到缓解作用，主要是由比热容更小的碎石骨料组成，整体比热容小，能够快速降温；通过与外部空气及下部透水垫层相连通的连通空隙，透水性铺装内部及下垫层中的水分可通过太阳辐照下的蒸发作用，带走空隙周围热量，使透水混凝土表面温度和近地层空气温度快速降低。

通过对铺装和近地层温度的分析，透水混凝土整体路面能够起到减缓热岛效应的功能，但是需要利用浅色透水混凝土，并且进行大面积铺装，达到一定的规模时，才能形成以透水性铺装为中心的低温区，才能与周围的高温区域之间形成温差，形成局地空气小环流，主动削减周围地段的热岛效应。本文集中在小范围内进行研究，深色的透水混凝土路面，在 12～14 时，表面温度温度高于普通混凝土，透水混凝土整体路面结构对环境改善的效果还有待进一步研究。

TU50

A

1674-814X(2017)01-0069-04

四川省科技创新创业苗子工程(2016104)；四川省科技支撑计划项目(2015GZ0349)；绵阳市科技局项目(15zd2115)

2016-09-25

胡江，西南科技大学硕士研究生，主要从事透水混凝土路面材料、桥梁养护加固研究。作者通信地址：四川省绵阳市西南科技大学土木工程与建筑学院，邮编：621010。