透水混凝土整體路面減緩熱島效應(yīng)試驗研究

胡 江，姚 勇，何燕玲，陳代果，付東山 （西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010）

透水混凝土整體路面減緩熱島效應(yīng)試驗研究

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

胡 江，姚 勇，何燕玲，陳代果，付東山 （西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010）

通過對透水混凝土整體路面、瀝青路面、水泥混凝土路面在夏季高溫天氣時的溫度進行測試，實測得到其表面溫度和上部空氣溫度，并對其變化規(guī)律進行分析：瀝青路面表面白天極端高溫為53.3℃，水泥混凝土表面在14時，出現(xiàn)最高溫度，并持續(xù)保持較高溫度，20時高出其余二者3.5 K；透水混凝土降溫升溫均較快，12時之后上部空氣溫度開始降低，20時混凝土低1.7 K。透水混凝土路面的多孔結(jié)構(gòu)和較低比熱容起到快速升溫和降溫，緩解城市熱島效應(yīng)的作用。

透水混凝土；整體路面；熱島效應(yīng)；溫度調(diào)節(jié)

城市建設(shè)中，水泥混凝土、瀝青路面對環(huán)境帶來的負面影響越來越明顯，高溫天氣時缺乏對地表溫度、濕度調(diào)節(jié)功能，形成“城市熱島”，部分城市年平均氣溫比郊區(qū)高出 1 K 甚至更多，夏季城市局部地區(qū)的氣溫甚至比郊區(qū)高出 6 K以上，城市宜居性大幅下降，“城市熱島”現(xiàn)象受到越來越廣泛的關(guān)注。透水混凝土整體路面具備一系列與外部空氣及下部透水墊層相連通的多孔構(gòu)造，雨水能沿著貫通的孔隙通道滲入地下或存于路基中，補充地下水；雨過天晴以后，透水混凝土整體路面下墊層土壤中豐富的毛細水在太陽輻射作用下的自然蒸發(fā)蒸騰作用，吸收大量的顯熱和潛熱，使地表溫度降低，采用透水混凝土鋪裝的地面能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，可有效地緩解“熱島效益”。

1 試驗概況

通過測試透水混凝土整體路面、瀝青路面、水泥混凝土路面三種路面鋪裝材料在晴天的表面溫度和上部空氣溫度，對比分析不同鋪裝材料在夏天溫度變化規(guī)律。3 個場地相距小于 1 km，場地面積大，周邊開闊無遮擋，可近似認為環(huán)境條件一致。

透水混凝土整體路面：四川省綿陽市農(nóng)業(yè)學(xué)校正門廣場，黑色透水混凝土整體路面(圖1)，材性實驗結(jié)果如表1。

表1 透水混凝土路面材性實驗結(jié)果

瀝青路面：西南科技大學(xué)和綿陽農(nóng)校間雙向四車新建黑色瀝青路面鋪裝道路(圖2)。

混凝土路面：西南科技大學(xué)北三籃球場(圖3)。

圖1 透水混凝土整體路面

圖2 瀝青路面

圖3 水泥混凝土路面

2014 年 7、8 月，對試驗場地采用杭州美控儀器生產(chǎn)的 RX-T401 溫度記錄儀記錄鋪裝材料表面溫度、RXTH402N 溫濕度記錄儀記錄地表以及上空 1.5 m 處近地層空氣的溫濕度。為確保測定溫度為材料表面溫度，在 3 種路面上分別用磨砂機按照溫度記錄儀探頭的形狀和半徑磨成凹槽，使感應(yīng)部分及表身一半埋入地面，一半露出，使感應(yīng)部分與所測地面接觸緊密。試驗選取 7 月 25 日至 8 月 18日之間的晴天進行分時測量，記錄每天 8、9、10、12、14、16、18、19、20 時各場地的表面溫度和上部空氣溫度。

2 試驗結(jié)果與討論

路面溫度隨天氣而變化，除雨、雪、冰雹等天氣外，參照日照時數(shù)來區(qū)分天空狀況，將天空狀況分為“晴到少云”、“多云”、“陰天”3 種?！扒绲缴僭啤睘槿照諘r數(shù)＞5 h，“多云”為日照時數(shù) 3～5 h，“陰天”為日照時數(shù)＜3 h。路面最高溫度均在“晴到少云”天氣形成，而且路面溫度在日出后升溫較快。本文選取試驗中的 8 月 3 日至8 月 10 日，連續(xù) 7 d 天氣為“晴到少云”天氣進行詳細分析。

2.1 不同材料表面和上部空氣極端高溫對比

不同的路面鋪裝材料及上部空氣極高溫度見表2。7天中，表面極端高溫為：透水混凝土 52.7℃，瀝青路面53.3℃，混凝土 52.2℃；7 d 的平均值：透水混凝土表面溫度為 48.5℃，瀝青路面為 48.6℃，混凝土為 47.3℃；上部空氣溫度的極端高溫：透水混凝土為 49.7℃，瀝青路面為 50.4℃，混凝土為 48.8℃；7 d 平均值：透水混凝土46.1℃，瀝青 45.4℃，混凝土為 44.7℃。

表1 不同材料空氣表面和上部空氣極端高溫

從各天的極端高溫和 7 d 最高溫度的平均，均發(fā)現(xiàn)瀝青和透水混凝土表面和近地層空氣最高溫度高溫高于普通混凝土的。

2.2 不同材料的表面溫度變化規(guī)律

將 3 種路面材料各測試時刻的溫度平均后得到圖4、圖5。總體規(guī)律為：8～12 時，隨太陽輻射增加，表面溫度迅速上升；在 12～16 時，保持較高的溫度，16 時之后逐步下降至低溫。

圖4 鋪裝表面溫度對比

圖5 鋪裝上部空氣溫度對比

(1) 鋪裝表面溫度變化規(guī)律：透水混凝土整體路面：在 8～12 時，溫度上升至 46℃，并保持 46～47℃ 到 14時，逐步下降至 34℃。

瀝青路面：在上午 11 時到達 46℃，12～14 時保持在46～47℃，14 時之后逐漸下降至 34℃。

混凝土路面：12 時升溫到 45℃，在 12～16 時緩慢上升至 46℃，16 時后開始下降，并持續(xù)高于透水混凝土路面和瀝青路面，20 時溫度降至 37.5℃，高出其余兩者約 3.5 K。

(2) 鋪裝上部空氣變化規(guī)律：透水混凝土整體路面：8～12 時，空氣溫度快速上升至44.5℃后，溫度便開始下降，12～16時下降緩慢，16時之后，溫度快速下降至 31℃。

瀝青路面：8～12 時，溫度快速上升至 44℃，在12～16 段保持高溫，14 時出現(xiàn)極高溫度 46℃，14～20時，溫度快速下降至 31 ℃。

普通混凝土：8～12 時，溫度上升至 42℃，12～16時，保持在極端高溫 42-43℃，16 時之后溫度開始下降，但其下降速度較透水混凝土和瀝青路面低，20 時降至32.7℃，較其余兩者高 1.7 K 左右。

通過對比 12～16 時測試數(shù)據(jù)(表3)可知：12 時，透水混凝土、瀝青路面表面溫度分別為 47.3℃ 和 47.4℃，兩者均高出水泥混凝土 2 K。透水混凝土和瀝青路面上部空氣溫度接近，分別為 44.6℃ 和 44.1℃，高出水泥混凝土 2 K；隨時間推移，14～16 時間內(nèi)，混凝土路面表面溫度逐步超過透水混凝土和瀝青路面，達到 46.3℃；從空氣溫度看，瀝青路面上部空氣溫度在 16 時，仍比混凝土路面高 1.5 K，此時透水混凝土路面已經(jīng)比水泥混凝土路面低 0.8 K，較瀝青路面低 2.3 K。

表3 12～16 時不同鋪裝材料表面和近地層空氣溫度

3 溫度變化機理分析

3.1 表面反射率的影響

路面溫度變化的熱量來源是太陽輻射，當(dāng)路面吸收的熱量多于散發(fā)的熱量時，路面就會增熱升溫；當(dāng)路面吸收的熱量少于散出的熱量時，路面就會冷卻降溫。對于不同路面結(jié)構(gòu)，反射率不同，吸收熱量不同，在相同的太陽輻射條件下，路面溫度仍有很大差異。測定場地透水混凝土和瀝青路面顏色相近，反射率只有 0.05～0.1，較水泥混凝土略深，其反射率也較低。此外透水混凝土表面粗糙，相同路面面積下，接受太陽輻射面積增大。升溫階段，單位時間吸收的太陽輻射較多，溫度上升快；混凝土路面反射太陽輻射多，吸收較少，升溫緩于瀝青路面和透水混凝土路面。12 時之后，太陽輻射變化較小，透水混凝土路面和瀝青路面溫度上升后，吸熱和散熱逐漸平衡，保持高溫狀態(tài)；而混凝土路面溫度較低，吸熱大于散熱，仍能夠繼續(xù)吸熱升溫。

3.2 材料比熱容的影響

透水混凝土主要有碎石或破碎的卵石堆積而成，外表附著一層較薄的膠凝材料，而普通混凝土空隙由水泥砂漿填充。碎石或卵石集料，比熱容約 0.75 kJ/(kg·K)，而水泥砂漿的比熱容通常為 0.84 kJ/(kg·K)，測定場地透水混凝土孔隙率在 20% 左右，在相同的太陽輻射條件下，單位面積路面的質(zhì)量小、比熱容也小，溫度變化快?；炷梁屯杆炷吝_到相同的溫度值時，透水混凝土所吸收存儲的熱量較少，太陽輻射減小后，該部分熱量又可以快速散發(fā)，而混凝土則吸收熱量多，降溫速度較慢，直至 16 時左右，太陽輻射顯著降低后，混凝土溫度逐漸才下降，一直高出透水混凝土和瀝青路面 3.5 K。

3.3 內(nèi)部孔道

透水混凝土由于內(nèi)部骨架構(gòu)造特殊，存在一系列與外部空氣相連通的孔隙，路面與路基之間形成良好的熱傳導(dǎo)通道，利于路面內(nèi)部熱量散發(fā)。12 時之后，整個透水混凝土面層溫度上升，地下儲存的水以水蒸氣形式經(jīng)過透水路面進入空氣，空氣濕度增加可促進空氣流動，帶走空氣中的熱量，空氣溫度明顯降低，舒適度得到提高；降雨時或太陽輻射強度減弱時，連續(xù)空隙形成的熱傳導(dǎo)通道成了路面溫度快速下降的決定性因素。20 時，水泥混凝土路面空氣溫度32.7℃，瀝青路面為 30.9℃，透水混凝土為 30.8℃；材料表面溫度，混凝土 37.5℃，瀝青路面為 34.1℃，透水混凝土為 34.1℃。透水混凝土路面結(jié)構(gòu)對路面溫度的自我調(diào)節(jié)能力比較強，不容易形成路面極端高溫，從而緩解城市熱島效應(yīng)的形成。

4 結(jié) 語

綜上所述，我們可以得出如下結(jié)論:

(1) 在 12 時，透水混凝土、瀝青路面表面溫度接近，透水混凝土路面為 47.3℃，瀝青路面為 47.4℃；透水混凝土整體路面比瀝青路面、普通混凝土路面具有更好的降溫效果，20 時，前兩者表面溫度較混凝土路面低 3.5 K，近地層空氣溫度低 1.7 K；在 12～17 時，透水混凝土近地層空氣溫度比瀝青路面溫度低約 1～2 K；

(2) 透水混凝土路面是一種環(huán)境友好型路面結(jié)構(gòu)，對城市熱島效應(yīng)起到緩解作用，主要是由比熱容更小的碎石骨料組成，整體比熱容小，能夠快速降溫；通過與外部空氣及下部透水墊層相連通的連通空隙，透水性鋪裝內(nèi)部及下墊層中的水分可通過太陽輻照下的蒸發(fā)作用，帶走空隙周圍熱量，使透水混凝土表面溫度和近地層空氣溫度快速降低。

通過對鋪裝和近地層溫度的分析，透水混凝土整體路面能夠起到減緩熱島效應(yīng)的功能，但是需要利用淺色透水混凝土，并且進行大面積鋪裝，達到一定的規(guī)模時，才能形成以透水性鋪裝為中心的低溫區(qū)，才能與周圍的高溫區(qū)域之間形成溫差，形成局地空氣小環(huán)流，主動削減周圍地段的熱島效應(yīng)。本文集中在小范圍內(nèi)進行研究，深色的透水混凝土路面，在 12～14 時，表面溫度溫度高于普通混凝土，透水混凝土整體路面結(jié)構(gòu)對環(huán)境改善的效果還有待進一步研究。

TU50

A

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

四川省科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)苗子工程(2016104)；四川省科技支撐計劃項目(2015GZ0349)；綿陽市科技局項目(15zd2115)

2016-09-25

胡江，西南科技大學(xué)碩士研究生，主要從事透水混凝土路面材料、橋梁養(yǎng)護加固研究。作者通信地址：四川省綿陽市西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，郵編：621010。