彩色保水半柔性路面材料降温效果研究

2022-11-19卢孙泉汤铭锋

西部交通科技 2022年8期

卢孙泉，汤铭锋

(1.广西交通投资集团崇左高速公路运营有限公司，广西崇左 532200；2.广西交投科技有限公司，广西南宁 530009)

0 引言

城市热岛效应[1]是指城市内部的温度比外部郊区明显高出许多的现象。现代城市化建设中对交通需求日益增长，城市路面主要由沥青路面结构组成。沥青本身就是一种吸热材料，沥青对太阳光的吸收率高达0.85～0.95。在气温达到35 ℃时，沥青路面的温度往往能达到60～65 ℃。蓄积了大量热量的沥青路面不断释放热量而加热周围大气，从而加剧了城市热岛效应[2]。因此，需要新型路面结构和材料来减少路面病害并且缓解热岛效应，在提高道路使用性能的同时，还能抑制路面温度升高[3-5]。

保水降温路面一般指路面结构内部能够保持水分，通过内部水分蒸发抑制路表温度上升并且降低空气温度的功能性路面[6]。保水降温半柔性路面材料一般以孔隙率为20%～25%大孔隙沥青混合料为骨架，灌注一定比例的保水性砂浆来实现其功能性要求。孙高峰研究了以矿渣粉、粉煤灰、消石灰加水拌和作为保水性乳浆灌注OGFC基体形成的保水性路面材料，在室内模拟路面光热环境比密级配沥青混合料有10 ℃的降温效果[7]。凌天清等研究了保水降温半柔性路面混合料SFAC-13的高温稳定性及水稳定性、抗疲劳性能均优于普通沥青混凝土AC-16，且相比普通沥青混合料路面能够到达降温8 ℃～10 ℃的效果[8]。张亮亮等研究了钢桥面沥青混凝土铺装层灌入保水砂浆以及结合洒水的方法可以有效减少铺装层蠕变变形和车辙破坏，提高了经济效益[9]。

结合以上研究的几种路面降温思路，本文采用大孔隙基体沥青混合料中灌注浅色保水砂浆，在室内模拟太阳光照射升温至60 ℃后进行人工洒水与自然降雨的试验方法，记录洒水前升温、洒水后降温、水分蒸发后再次升温三个阶段的路面温度变化情况，对比普通沥青试块、保水半柔性试块和彩色保水半柔性试块的降温效果。

1 保水降温半柔性路面材料试件制作

1.1 保水砂浆

本文采用的保水砂浆由水泥、砂、矿粉以及硅藻土、高炉矿渣粉、色粉外加剂等组成。水泥采用广西P·O 42.5白色硅酸盐水泥，经过配合比验证保水砂浆最优配合比为水∶水泥∶砂∶矿渣∶硅藻土∶矿粉=55∶50∶25∶6∶4∶12；色粉外掺1%。技术要求满足《半柔性混合料用水泥基灌浆材料》(JT/T1238-2019)[10]规范要求。保水砂浆性能指标见表1。

表1 保水砂浆性能指标要求值及实测值对比表

1.2 大孔隙基体沥青混合料

本文试验所采用的沥青为中国石化“东海牌”70#A级道路石油基质沥青，满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[11]要求；矿质集料均为广西桂林产石灰岩，选用表面纹理好、棱角分明、压碎值小、片状较低的石灰岩，集料各项指标均符合规范要求。基体沥青混合料各项指标要求见表2，级配采用《专用砂浆半柔性路面应用技术规范》(DB44/T 1296-2014)推荐级配Ⅰ型，见下页表3。

表2 基体沥青混合料技术要求表

表3 基体沥青混合料级配范围及技术指标表

1.3 保水降温半柔性路面材料成型

基体沥青混合料在尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板上成型，待成型后的车辙试件冷却至一定的温度后进行灌浆。将带有模具的基体沥青混合料放在振动台上，按照设计好的配合比制备灌浆料，用水泥砂浆机搅拌好灌浆料使其具有良好的流动性能，并迅速倒入车辙板表面，先依靠灌浆料的自重作用流入大孔隙基体沥青混合料的骨架空隙当中，然后开启振动台边振动边灌注，直至灌浆料无法渗透时停止灌注，用橡皮刮板刮除顶面多余胶浆直至露出部分粗骨料。将灌浆完毕的车辙板试件放在温度为20 ℃±2 ℃、相对湿度>95%的环境下养护7 d后脱模。

2 试验方法

参考相关文献与研究，其中日本保水性铺装技术研究会发表的《保水性铺装的室内照射试验方法》一文中指出[12]，可通过散光型电子灯来进行太阳光模拟照射，进行路面的保水蒸发降温试验。本文中光照模拟灯采用的是220 V、300 W紫外线加热灯，其具备类似夏季太阳光的照射升温效果。本次试验以300 mm×300 mm×50 mm的车辙板作为试件，用灯光模拟太阳光，加热灯到试块的距离固定为60 cm。在试块中心点打一个约2 cm的小孔，然后将测温探头放入其中，与测温仪相连。试验开始前对试件温度进行测定，保证试件之间误差不超过1 ℃。通过数显测温仪对试件的温度进行监测记录，然后分别模拟洒水与降雨的降温方式。车辙试验温度为60 ℃，故本试验加热至60 ℃时开始人工洒水试验。整个试验流程为：打开加热灯，测温仪采集温度实时数据，当试块加热温度达到60 ℃时进行人工洒水，洒水后待温度重新达到60 ℃则试验完成。

3 试验过程与分析

3.1 人工洒水试验

室内模拟试验分为人工洒水和自然降雨两部分。路面洒水试验以洒水量为控制变量。第一组试件的洒水量为100 mL，等效洒水厚度为1.11 L/m2；第二组试件的洒水量为200 mL，等效洒水厚度为2.22 L/m2。每组试件分为普通沥青混合料试块、灌注普通保水砂浆以及灌注彩色保水砂浆的半柔性沥青混合料试块。打开加热灯，开启温度采集仪，每隔10 min对试件温度数据采集1次，三个试件逐步升温至60 ℃时开始人工洒水，试件表面水分蒸发完后试件温度会缓慢降低，最后又升温至60 ℃。试验结果见图1～2。

图1 洒水量为100 m L时三种不同试块升降温曲线图

图2 洒水量为200 m L时三种不同试块升降温曲线图

洒水前升温阶段，普通沥青路面的试块温度最先达到60 ℃，三种不同路面材料从初始温度26 ℃加热到60 ℃分别耗时60 min、150 min、190 min。文献[13]得出普通沥青混合料路面反射率在5%～6%左右，沥青混合料的反射率并不会因为级配而产生较大差异，红、黄、蓝、绿彩色水泥混凝土路面的反射率为20%～25%，而灰色的水泥混凝土反射率则为16%，说明彩色路面具有优良的反射太阳辐射和降低热量吸收的能力。

洒水后降温阶段，三种不同路面材料洒水量为100 mL时分别降至53 ℃、50.9 ℃、50.7 ℃，降幅分别为8.9 ℃、9.1 ℃、9.3 ℃，耗时分别为15 min、32 min、42 min；洒水量为200 mL时，温度分别降至51.1 ℃、50.5 ℃、50.5 ℃，降幅分别为8.9 ℃、9.5 ℃、9.5 ℃，耗时分别为10 min、23 min、31 min。相较于普通沥青试块，保水试块的温度表现为缓慢下降，普通沥青试块降温速度快。依据蒸发量模型结论[14]，试块反射率小的蒸发量大，蒸发量大的降温速度快，因此彩色保水试块蒸发量<保水试块的蒸发量<普通沥青试块的蒸发量。

洒水蒸发后升温至60 ℃这一阶段可以理解为降温持续时长的对比。洒水量为100 mL时三种路面材料降温时长分别为19 min、75 min、117 min，洒水量为200 mL时降温时长分别为46 min、118 min、152 min。由此可见，彩色保水试块降温持续时间最长，且洒水量对降温时长影响显著。原因在于保水试块中的保水胶浆有着多孔吸水材料将大部分水存储起来，在加热灯的持续照射下，保水试块内部储存的水分才缓慢蒸发散热，故保水试块的温度长时间保持在55 ℃以下。对于彩色保水试块，其降温方式与保水试块一致，但是因其表面反射率高，吸热量小，降温时间最长。

3.2 自然降雨试验

桂林市夏季月平均降水量为200 mm左右，日降雨时间约为3 h[15]，本次试验采用花洒对试块进行浇水的方式模拟自然降雨。将降水量进行单位换算，为尽可能模仿降水时雨水对路面的冲刷渗透，经计算得出雨水流速为32 mL/s。用花洒与烧杯进行流速调整后，分别对普通沥青试块、保水半柔性试块与彩色保水半柔性试块进行浇水。以降雨时间的不同设置三组试验，分别为1 h、2 h和3 h，对应为试验一、试验二、试验三。浇水结束后用加热灯对试块进行加热，用测温仪进行监测记录。试验结果见图3～6。

图3 三次试验各试块升至60 ℃所用时间对比柱状图

从图3可知，彩色保水半柔性试块比保水半柔性试块升温至60 ℃所用的时间多约30～40 min，延长约14.8%的降温时间，比沥青混合料试块多约170～210 min，延长约172%的降温时间。由图4纵向对比可知，对于普通沥青路面，降水时间的增加有助于减缓其升温速度，但是效果不明显，因为普通沥青路面在降水时无法吸收较多水分，主要通过残留在表面与空隙中的水蒸发散热，降水时间长只能将其空隙填满以达到降温效果，空隙填满后就无法继续减缓自身升温速度。所以在降雨条件下，普通沥青路面因为无法储存水分，降温效果一般，只在短时间内有效，路面残留的水分越多则升温时间越长。而对于保水半柔性路面，因为其内部有吸水材料，降水时间与吸水效果息息相关，在升温过程中，保水半柔性路面可以通过蒸发水分来散热，所以其升温速度慢，处于低温的时间较长。从图5～6可知，降水2 h后升温时间较降水1 h有所延长，而3 h的降水时间对升温时间并无明显提升。由此可知，保水半柔性试块在降水时间为2 h左右达到饱和状态，降温时间相比降水1 h延长了21%。彩色保水半柔性路面升温趋势与保水半柔性路面大致相同，但降温时间又进一步延长，平均延长30～40 min。