高反射保水阻熱多孔水泥路面的力學(xué)及降溫特性

邢國輝

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024005)

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，交通運(yùn)輸飛速發(fā)展，城市中道路、廣場(chǎng)、房屋人工下墊面越來越多，自然下墊面所占比重越來越小。人工下墊面隔斷了自然下墊面的水熱循環(huán)通道，加之其吸熱性好，提高了近地空氣溫度，從而形成城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island，UHI)［1-2］。道路鋪面是城市人工下墊的重要組成部分，對(duì)城市熱島效應(yīng)影響巨大，所以研發(fā)新型路面材料以緩減城市熱島效應(yīng)，已成為道路科技工作者們需要迫切解決的問題。

為了降低路面溫度，國內(nèi)外的研究者對(duì)降溫型路面進(jìn)行了一定的研究，主要有路用熱反射涂層、大孔隙路面、保水式路面和阻熱式路面四大類;然而，路用熱反射涂層的缺點(diǎn)也較為明顯:抗滑性能較差、路面反光影響夜間行車、造價(jià)高［3-4］。大孔隙瀝青混合料是一種具有相互連通孔隙的開級(jí)配瀝青混合料，孔隙率在 20%左右［5］，眾所周知，該混合料具有透水功能、降噪功能和良好的抗滑性能。宋憲發(fā)等的研究表明，排水性瀝青路面可以有效降低中面層和下面層的溫度，相比SMA路面，大孔隙路面的降溫幅度在2.5℃左右［6］。早在20世紀(jì)90年代，日本對(duì)低吸熱保水型鋪裝進(jìn)行了研究，1994年研發(fā)出了保水型聯(lián)鎖塊鋪裝。明朝輝等把粉煤灰和高爐礦渣等吸水性材料填充于大孔隙混合料中，路面最高可降溫10℃以上［7］。阻熱式路面可以有效解決路面高溫病害和城市熱島效應(yīng)，沙愛民等向混合料中摻入鍛燒鋁磯土石料，能降低路面溫度5℃。德國采用鍛燒鋁磯土石料的瀝青路面，可使瀝青路面溫度降低5 ℃～8 ℃［8］。

基于以上各類降溫路面的技術(shù)特點(diǎn)，本文通過理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)等方法進(jìn)行有關(guān)高反射保水阻熱多孔水泥路面的研究，綜合阻熱、保水與高反射3種降溫技術(shù)，研發(fā)一種新型的能緩解城市熱島效應(yīng)的高反射保水阻熱多孔水泥路面，使它不僅能大幅提高降溫效果，還能降低采用單一技術(shù)而導(dǎo)致的路面材料性能過分衰減的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1 高反射保水阻熱路面的降溫機(jī)理

高反射保水阻熱多孔水泥路面集成了阻熱、保水與高反射3種降溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合降溫。

1.1 阻熱機(jī)理

研究表明，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低，熱量就越難向路面內(nèi)部傳遞，進(jìn)而會(huì)降低路面溫度［9-10］。因此，本文采用高鋁質(zhì)耐火碎石作為骨料配制多孔阻熱水泥混凝土，由于高鋁質(zhì)耐火碎石的導(dǎo)熱系數(shù)較普通集料低，進(jìn)而可以降低水泥混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。將低導(dǎo)熱系數(shù)的阻熱水泥混凝土鋪筑于路表，相當(dāng)于鋪筑了一層隔熱層，阻止了太陽輻射通過路表進(jìn)一步向地下傳導(dǎo)，進(jìn)而降低路面溫度，其降溫機(jī)理如圖1所示［11］。

1.2 保水機(jī)理

保水材料由粉煤灰、水泥、硅灰和水組成。粉煤灰是種多孔材料，具有很強(qiáng)的吸水性和保水性，同時(shí)也可起到一定的潤滑作用;硅灰除了具有保水的功能之外，還可以起到潤滑作用，從而提高保水材料的流動(dòng)性;水泥水化后形成的水化物可以提供強(qiáng)度，防止保水材料的流失［12］。

圖1 阻熱降溫機(jī)理

將保水材料灌注于多孔水泥混凝土中，它可以吸收雨水或高溫季節(jié)灑在路表面的水，保存在其內(nèi)部的水分蒸發(fā)時(shí)吸熱，從而有效降低路面溫度，其降溫機(jī)理如圖2所示。

圖2 保水降溫機(jī)理

1.3 高反射機(jī)理

瀝青路面屬于黑色路面，吸熱性很高，而水泥混凝土路面為灰色，本身就有很好的光反射特性，在路表面涂覆由環(huán)氧樹脂、固化劑、二氧化鈦、炭黑組成的反射涂層［13］，可以反射太陽輻射中的可見光，從而降低路表面溫度，其降溫機(jī)理如圖3所示。

圖3 高反射降溫機(jī)理

2 高反射保水阻熱路面設(shè)計(jì)

2.1 保水材料設(shè)計(jì)

保水材料由粉煤灰、水泥、硅灰和水組成，保水材料的組成設(shè)計(jì)主要考慮保水材料的保水性、流動(dòng)性和強(qiáng)度［14］。設(shè)計(jì)方法如圖4所示。

圖4 保水材料設(shè)計(jì)方法

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)范要求最終得出:粉煤灰與硅灰的質(zhì)量比為3∶2，水泥用量為粉煤灰與硅灰總質(zhì)量的15%，用水量為水泥、粉煤灰、硅灰總質(zhì)量的2 倍，其保水量為 0.28 g·cm－3，流動(dòng)度為 18 s，抗壓強(qiáng)度為 2.7 MPa。

2.2 多孔水泥混凝土設(shè)計(jì)

根據(jù)填充包裹理論，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確定粗集料的緊密堆積的空隙率V、目標(biāo)空隙率P、水灰比C。V由粗集料的表觀密度和緊密堆積密度求得，水灰比C為0.28，目標(biāo)空隙率P為18%±2%，設(shè)計(jì)方法如圖5所示。

圖5 多孔水泥混凝土設(shè)計(jì)流程

按圖5的方法設(shè)計(jì)多孔水泥混凝土，確定1 m3多孔水泥混凝土的材料組成和技術(shù)性能，如表1所示。分析表1可知，骨料為高鋁質(zhì)耐火碎石的多孔水泥混凝土，其強(qiáng)度低于骨料為玄武巖的水泥混凝土，這是由于高鋁質(zhì)耐火碎石的強(qiáng)度比玄武巖低造成的。

表1 多孔水泥混凝土的組成及技術(shù)性能

2.3 高反射材料選擇

本文所選的高反射材料是由環(huán)氧樹脂、固化劑、二氧化鈦、炭黑組成的。二氧化鈦遮光能力好、黏附力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適合道路工程使用，但是其為白色，涂覆到路表后在陽光下易產(chǎn)生反光現(xiàn)象［15］，對(duì)車輛及行人的安全不利。因此，先用炭黑作為調(diào)色原料加入到遮熱涂層中，將遮熱涂層的顏色調(diào)和成視覺上較為舒適的灰色。根據(jù)資料將遮熱涂層中環(huán)氧樹脂、固化劑、二氧化鈦、炭黑的比例調(diào)整為1 ∶0.4 ∶0.9 ∶0.045，涂層厚度為 1～2 mm［16-17］。

3 高反射保水阻熱路面的強(qiáng)度性能及降溫特性

3.1 強(qiáng)度性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)的方法成型15 cm×15 cm×15 cm的立方體試件，SMA-13瀝青混合料(SMA)、普通水泥混凝土(PCC)、保水型水泥混凝土(WCC)、保水阻熱型水泥混凝土(WTCC)試件各2塊，測(cè)試其28、90 d抗壓強(qiáng)度;成型15 cm×15 cm×550 cm的長方體試件并測(cè)試其28、90 d的抗折強(qiáng)度。圖6、7為PCC、WCC和WTCC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，WTCC 28、90 d抗壓強(qiáng)度分別可以達(dá)到30.4 MPa和42.1 MPa，28、90 d抗折強(qiáng)度分別為4.6 MPa和 6.1 MPa，滿足規(guī)范的要求。加入保水材料后，水泥混凝土的強(qiáng)度得到增強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的增加幅度分別為1.4%～2.9%和4.4%～4.9%，這是因?yàn)橛不蟊Ｋ牧咸畛溆谒嗷炷恋目障吨?，形成了附加?qiáng)度;當(dāng)水泥劑量相同時(shí)，保水阻熱水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度比保水式水泥混凝土降低了5.6%～10.1%和8.3%～10.3%，這是由于高鋁質(zhì)耐火碎石的強(qiáng)度比玄武巖低造成的。

3.2 降溫特性

圖6 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖7 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

在試件內(nèi)橫向植入溫度傳感器，采用杭州澤大儀器有限公司的ZDR-41型多通道溫度自動(dòng)記錄儀測(cè)試溫度，精度為0.5℃，測(cè)試頻率為10 min。在測(cè)試前分別對(duì)SMA、PCC、WCC、WTCC噴灑相同質(zhì)量的水，模擬一次降雨過程，然后接上溫度記錄儀，記錄4種路面的溫度變化曲線。

以上4種路面的路表溫度和路面5 cm深度處的溫度變化情況如圖8、9所示，兩者的最高溫度、最低溫度、全天平均溫度、白天(7:00至19:00)平均溫度及夜間平均溫度如表2、3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:與SMA、PCC、WCC相比，WTCC的路表最高溫度分別降低了11.4 ℃、5.5 ℃和4.1 ℃，路面內(nèi)部最高溫度分別降低了10.3℃、6.1℃和4.6℃。

圖8 4種混合料的路表溫度曲線

圖9 4種混合料的內(nèi)部溫度曲線

表2 路表的特征溫度

表3 路面5 cm深度處的特征溫度

本文對(duì)高反射保水阻熱混凝土(HWTCC)和WTCC的溫度曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖10、11所示。結(jié)果表明:與WTCC試件相比，HWTCC路表最高溫度降低5℃，路面內(nèi)部最高溫度降低5.2℃。

圖10 WTCC和HWTCC路表溫度曲線對(duì)比

路面溫度除了受太陽輻射強(qiáng)度影響外，還與路面吸熱性、路面內(nèi)部蒸發(fā)效應(yīng)和材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)［18］。通過對(duì)以上4種路面的路表溫度與內(nèi)部溫度的進(jìn)一步分析可知以下幾點(diǎn)。

圖11 WTCC和HWTCC內(nèi)部溫度曲線對(duì)比

(1)作為黑色的瀝青路面，SMA具有最高的吸熱性和最低的反射率，輻射到路表的太陽能被更多地吸收到路面中，因此具有最高的溫度。

(2)保水型水泥混凝土(WCC)的路表和5 cm深度處的最高溫度分別較普通水泥混凝土降低了1.4℃和1.5℃。這是因?yàn)?當(dāng)溫度升高時(shí)，保水材料中的水分不斷蒸發(fā)并吸收熱量，使得路面的溫度降低;隨著水分蒸發(fā)完畢，保水材料的降溫作用失效，其中的粉煤灰和硅灰的吸熱性高于水泥，因此在18:00后保水型水泥混凝土的溫度又會(huì)高于普通水泥混凝土。

(3)保水阻熱型水泥混凝土(WTCC)與保水型水泥混凝土(WCC)相比，路表最高溫度降低了4.1℃，5 cm深度處的最高溫度降低了4.6℃，這是因?yàn)楸Ｋ锜嵝退嗷炷林胁捎昧烁咪X質(zhì)耐火碎石，這種碎石具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，減少了路表熱量向路面內(nèi)部的傳遞，等同于在路面覆蓋了一層隔溫層。

(4)高反射涂層使得保水阻熱混凝土路面(HWTCC)降溫效果更好，因?yàn)榉瓷渫繉涌梢詫⑤椛涞铰繁淼奶柲芊瓷涞粢淮蟛糠?，使得路面溫度降低?/p>

4 結(jié)語

(1)提出了多孔水泥混凝土的設(shè)計(jì)方法，采用水泥和粒徑為4.75～9.5 mm的集料配制出了高強(qiáng)度且空隙率為20%左右的高鋁質(zhì)碎石和普通碎石多孔水泥混凝土。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，高反射保水阻熱水泥混凝土 28、90 d 的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到 30.4、42.1MPa，28、90 d 抗折強(qiáng)度分別為 4.6、6.1 MPa，比普通碎石多孔水泥混凝土和保水混凝土有所降低，但仍滿足重交通公路路面的設(shè)計(jì)要求。

(3)與SMA瀝青混合料、普通水泥混凝土、保水水泥混凝土相比，設(shè)計(jì)的復(fù)合降溫水泥混凝土的路表最高溫度分別降低 16.4 ℃、8.7 ℃和 6.6 ℃，路面內(nèi)部最高溫度分別降低15.5 ℃、9.1 ℃和7.2 ℃。

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