基于明色鋪裝對隧道照明質(zhì)量的研究

李志勇，黃 樺

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

隧道因其具有減小坡率和高差、避免大邊坡開挖等優(yōu)勢飽受工程界青睞。瀝青路面以其表面平整、施工工藝簡單、行車噪音低、抗滑性能較好等出色性能儼然成為隧道路面鋪裝的較好選擇。但其不足是路面反射率低，導(dǎo)致隧道光效利用率低，進(jìn)而需增加光源功率以提高路面亮度保證駕駛安全，但卻增加了隧道運營費用。據(jù)統(tǒng)計，山西大運高速的雁門關(guān)隧道運營費用約為30萬元/月，終南山隧道電費為200萬元/月；2010年重慶地區(qū)所有隧道消耗了兩億人民幣來保持隧道照明正常運轉(zhuǎn)；2015年舟山跨海大橋、甬臺溫高速甬臺段和臺金高速等4條高速路發(fā)現(xiàn)全程路段水電動力費用達(dá)到2 687萬元，其中隧道用電費用高達(dá)1 630萬元，占總費用的60.66%[1-4]。因此，如何降低隧道用電能耗、提高隧道光效利用率成為亟需解決的問題。

20世紀(jì)60年代，美國工程界通過在瀝青混合料中添加玻璃以制成新型的玻璃瀝青混合料，并鋪設(shè)多個試驗路段；試驗表明玻璃能有效提高路面反光效果[5-8]。我國對隧道照明研究起步晚，近年來隧道照明質(zhì)量才逐漸引起學(xué)界關(guān)注。史小麗等[9]在OGFC中摻入不同粒徑的玻璃微珠，以玻璃微珠特有的回歸反光特性提高路面明度，并提出了最佳粒徑和最佳比例。滕前良等[10]在SMA-13中混入白色方堅石和碎玻璃進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)白色方堅石路用性能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，其漫反射良好，能有效提升路面明度。李小平等[11]對比了在GA-10、SMA-13和AC-13瀝青混合料表面撒布碾壓明色碎石所制備的明色鋪裝路面，發(fā)現(xiàn)其在能滿足路用性能同時，GA-10的穩(wěn)定性較好且明色效果良好。閆瑾等[12]采用封裝薄層明色手段，提高了路面反射系數(shù)以達(dá)到節(jié)能目的。隨著隧道照明質(zhì)量關(guān)注度提高，照明理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，中間視覺[13-14]和光生物效應(yīng)等新研究成果拓展了照明理論的空間和范圍；尤其是視覺功效和可見度[15]的提出，對隧道照明質(zhì)量研究又有了新的方向和評價方式。這種不再是以單調(diào)亮度照度為依據(jù)簡單評價隧道照明質(zhì)量好壞，而是以人眼特性為基礎(chǔ)，在充分考慮駕駛員生心理狀態(tài)情況下對隧道照明質(zhì)量進(jìn)行評價，以此建立更好的視覺環(huán)境，提高隧道照明質(zhì)量和保證行車安全。

1 研究方法

1.1 原材料

筆者以細(xì)粒式AC-13瀝青混合料為母體，用明色材料替換級配組成的某一檔粒徑。試驗材料包括石灰?guī)r碎石集料、SBS改性瀝青、石灰?guī)r礦粉、2%水泥、鋼化廢玻璃，淺色雨花石。成型試件AC-13級配曲線如圖1。

1.2 試件成型

馬歇爾試件和車轍板試件均按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16]所規(guī)定的試件成型方法來制備，其中：混合料拌合溫度為170 ℃，壓實溫度為160 ℃。制作馬歇爾試件時，雙面各擊實75次之后放置冷卻形成標(biāo)準(zhǔn)試件；在制作車轍板試件時，按照文獻(xiàn)[16]進(jìn)行制作，但在嵌入明色材料時，是將車轍板在車轍板試樣機上先碾壓兩個往返后鋪上明色材料，然后將試件溫度提高到160 ℃，再進(jìn)行12個往返碾壓最終形成車轍板試件，最后成型效果如圖2、3。

1.3 明色材料鋪裝方案設(shè)計

通過替換嵌入某一檔集料的方式來改變傳統(tǒng)的AC-13級配，通過兩種材料和不同粒徑替換擬定了10種隧道路面鋪裝方案?？紤]到隧道是半封閉結(jié)構(gòu)，全年溫度變化不大，在對試件進(jìn)行路用性能評價時主要是對水穩(wěn)定性、抗滑性和黏結(jié)性這3個方面來評價，鋪裝設(shè)計如表1。

表1 明色鋪裝方案設(shè)計

1.4 照明研究方法

1.4.1 隧道模型

試驗采用的隧道模型是根據(jù)實際隧道按1：10制作形成的雙車道圓形斷面隧道，隧道側(cè)壁鋪設(shè)淺黃色瓷磚鑲面材料。燈具采用NDL155型防眩燈，其額定功率為50 W；采用中間布燈方式，間距為0.6 m。

1.4.2 試驗步驟

筆者使用的縮尺隧道模型中保證光源燈具間距和安裝角度等其他參量不變，更換擬定的10種不同路面鋪裝材料，利用BM-5A亮度計和數(shù)位式照度計測量計算出平均亮度和平均照度，通過平均亮度和平均照度計算材料反射系數(shù)并對反射系數(shù)進(jìn)行分析。

試驗開始前需制作活動板，以方便替換不同材料測量，之后在材料板上選取合適區(qū)域測量亮度和照度?？紤]到測點密度過大的問題，采用了橫向4測點，間距25 cm；縱向3測點，間距20 cm。測量區(qū)域確定后，將鋪裝材料活動板放入隧道模型中。打開電源，待到電壓達(dá)到額定電壓并穩(wěn)定后，開始利用相關(guān)儀器對區(qū)域內(nèi)進(jìn)行亮度和照度測量。為減小誤差，提高試驗準(zhǔn)確性，每點測量3次，取其平均值作為最終亮度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 路用性能分析

路用性能試驗結(jié)果如表2。

表2 路用性能試驗結(jié)果

2.1.1 水穩(wěn)定性分析

通過凍融劈裂試驗結(jié)果可看出：嵌入明色集料后劈裂強度均有所下降，其中鋼化廢玻璃組以A9.5下降最明顯，淺色雨花石組以BD4.75下降最明顯。但大趨勢還是為在替換其中大粒徑集料后，凍融劈裂強度較傳統(tǒng)瀝青混合料下降較為明顯。主要原因是：替換大粒徑集料后，明色材料是以碾壓方式嵌入到瀝青混合料表層面的，故受凍融影響較大，但是文獻(xiàn)[16]要求凍融劈裂強度在80%以上，即滿足了要求。從馬歇爾殘留穩(wěn)定度可看出：作為對照組AD4.75、BD4.75試件由于4.75檔次粒徑用量過高，使得試件表面不能形成嵌擠結(jié)構(gòu)，故馬歇爾穩(wěn)定度下降較為明顯；殘留穩(wěn)定度比較規(guī)律，即隨著大粒徑嵌入殘留穩(wěn)定度呈現(xiàn)下降趨勢，但殘留度均大于85%，滿足文獻(xiàn)[16]對殘留度要求。

2.1.2 抗滑性分析

從試驗數(shù)據(jù)來看，嵌入明色集料可提高路面的抗滑性能。鋼化廢玻璃在嵌入4.75檔次時抗滑性能最好，隨后嵌入大粒徑后抗滑性能降低。其原因為：當(dāng)嵌入大粒徑鋼化廢玻璃后，碾壓過程將其壓碎，導(dǎo)致了路表面光滑；嵌入淺色雨花石抗滑性能則呈上升趨勢，且淺色雨花石抗滑性能比鋼化廢玻璃效果更好、更明顯。

2.1.3 黏結(jié)性分析

從肯塔堡飛散試驗可看出：嵌入明色集料后飛散損失明顯，其中嵌入鋼化廢玻璃試件相對淺色雨花石而言磨耗質(zhì)量較多，且隨著嵌入粒徑顆粒越大，飛散損失質(zhì)量越大。飛散質(zhì)量最大的為AM4.75+9.5試件(為6.261%)，其小于15%，滿足文獻(xiàn)[16]要求。

2.2 不同鋪裝材料亮度分析

2.2.1 路面平均亮度分析

測量區(qū)域路面亮度分布如圖4。由圖4可看出：測量中心區(qū)域比邊緣區(qū)域亮度相差2 cd/m2。在鋪裝材料中嵌入明色材料能有效提高路面平均亮度；在瀝青混合料中采用檔次高的替換粒徑對提高路面平均亮度更為明顯。比較鋼化廢玻璃和淺色雨花石，通過實測AC-13瀝青混合料平均亮度發(fā)現(xiàn)：嵌入淺色雨花石能將平均亮度提高7%～17%，鋼化廢玻璃能將平均亮度提高13%～20%。究其原因，當(dāng)微玻璃珠受光束照射時，在玻璃珠上回形成反射光、內(nèi)部反射光及透射光，且內(nèi)部反射光因具有聚光性和回歸性，最后在某一狹小角度相聚集并反射回光源處。以平均亮度分析，嵌入鋼化廢玻璃比嵌入淺色雨花石效果更佳明顯；且嵌入粒徑和摻入量越多對提高路面明度越大。

圖4 測量區(qū)域路面亮度分布

2.2.2 路面亮度均勻度分析

路面亮度均勻度變化如圖5。圖5(a)中：隨著大粒徑明色材料的嵌入，路面亮度總均勻度在減小，在A4.75到A9.5這兩檔中，亮度均勻度急速下降；而淺色雨花石則表現(xiàn)良好，且呈規(guī)律的下降趨勢。圖5(b)反應(yīng)了不同級配明色鋪裝路面縱向均勻度變化。

圖5 路面亮度均勻度變化

這兩種材料縱向均勻度表現(xiàn)良好，能滿足行業(yè)規(guī)范要求。亮度均勻度是保證駕駛員在行駛過程中避免駕駛員眩光的評價指標(biāo)，保證駕駛員行駛過程中的舒適度。碎玻璃雖能有效提高路面平均亮度，但總均勻度卻呈下降趨勢。若將鋼化廢玻璃過多嵌入鋪裝材料中會使得區(qū)域亮度集中，而邊緣區(qū)域相對處于視野“盲區(qū)”。

2.3 路面鋪裝反射系數(shù)分析

亮度評價僅能從側(cè)面反映隧道明色鋪裝路面的節(jié)能效果，但其材料本身特性無法用亮度來進(jìn)行評判，能反映材料本身特性的就只有路面反射系數(shù)。路面材料反射系數(shù)如圖6。由圖6可看出：普通AC-13型SBS改性瀝青混凝土路面反射系數(shù)實測值為0.130；傳統(tǒng)水泥路面反射系數(shù)為0.256。在嵌入明色材料之后，嵌入鋼化廢玻璃的試件路面反射系數(shù)為0.144～0.151，嵌入淺色雨花石路面反射系數(shù)為0.136～0.147，但仍無法達(dá)到混凝土路面反射系數(shù)要求。嵌入碎玻璃瀝青混合料反射系數(shù)大，隨著嵌入粒徑和摻量比例加大，反射系數(shù)的增長越來越平緩；而嵌入淺色雨花石瀝青混合料的反射系數(shù)隨著粒徑和摻入量增加，其路面反射系數(shù)增長越來越明顯。

圖6 路面材料反射系數(shù)

2.4 不同鋪裝材料下小目標(biāo)可見度分析

筆者針對明色鋪裝改善隧道照明效果進(jìn)行分析。分別選取不同規(guī)格的3種小目標(biāo)(1 cm×1 cm，2 cm×2 cm，3 cm×3 cm)，選用A4.75和B4.75這兩種鋪裝方案和普通AC-13對比，采用STV值對照明視覺感知環(huán)境的影響規(guī)律進(jìn)行評價。不同鋪裝材料下的STV值如表3，鋪裝材料與小目標(biāo)可見度、平均亮度及小目標(biāo)尺寸關(guān)系如圖7。

從圖7可看出：小目標(biāo)可見度是與小目標(biāo)尺寸相關(guān)的，目標(biāo)越大越易識別。當(dāng)路面平均亮度和小目標(biāo)尺寸條件控制相同時，A4.75和B4.75鋪裝方案相比于普通AC-13鋪裝，STV值明顯增大，說明了A4.75和B4.75鋪裝方案能有效地提高小目標(biāo)識別度，提高駕駛員視覺功效。究其原因是：當(dāng)鋼化廢玻璃和淺色雨花石嵌入傳統(tǒng)AC-13時，路面反射系數(shù)得以提高，可將更多地光能急性傳播與反射，以此整體提高了隧道內(nèi)部照明質(zhì)量，同時駕駛員也獲得了更好視野，保證車輛行駛安全。

圖7 小目標(biāo)可見度與鋪裝材料關(guān)系

2.5 不同鋪裝材料下小目標(biāo)反應(yīng)時間分析

隧道照明目的是為給駕駛員更多的視野空間，則駕駛員反應(yīng)時間對隧道照明質(zhì)量的研究具有重要意義。根據(jù)隧道照明試件模擬裝置，小目標(biāo)反應(yīng)時間如表4。小目標(biāo)反應(yīng)時間與背景亮度關(guān)系如圖8。

表4 小目標(biāo)反應(yīng)時間

由圖8可看出：當(dāng)對比度C=0.2、0.5時，起反應(yīng)時間有很大影響。當(dāng)背景亮度越大，凡因時間越低，當(dāng)鋪裝材料保持一致時依舊為反應(yīng)時間隨背景亮度的增強而增大。上述材料中，這兩種鋪裝方案較于普通AC-13反應(yīng)時間短，其中A4.75方案反應(yīng)時間最小。因此在隧道瀝青混合料中嵌入鋼化廢玻璃，能提高隧道內(nèi)部照明質(zhì)量，究其原因為：鋼化廢玻璃棱角多，能明顯提高路面反射系數(shù)；且鋼化玻璃珠反射光線接近黃綠色，人眼對黃綠光更為敏感，因此在鋼化廢玻璃反光中，光譜反射更多的為黃綠色光，因此更易被人眼接受。

圖8 小目標(biāo)反應(yīng)時間與背景亮度關(guān)系

3 結(jié) 論

筆者通過對AC-13嵌入明色集料試件進(jìn)行路用性能試驗和隧道縮尺模型模擬隧道照明試驗，擬定10種鋪裝方案進(jìn)行比較，通過實驗分析得出以下結(jié)論：

1)用鋼化廢玻璃或淺色雨花石替換級配的某一檔次粒徑，其水穩(wěn)定性有所下降，但仍能滿足要求；當(dāng)明色集料嵌入瀝青混合料時，飛散損失較于普通AC-13損失要多，但并不影響試件路用性能；抗滑性能反而有小幅度提高，增加了路面行駛安全性。

2)通過多種亮度指標(biāo)對嵌入明色材料瀝青混合料進(jìn)行評價。發(fā)現(xiàn)在相同照明條件下，鋼化廢玻璃因其玻璃微珠具有回復(fù)反射特性使得路面平均亮度提高13%～20%，淺色雨花石以其漫反射性能使得路面平均亮度提高7%～17%，但路面亮度總均勻度對比淺色雨花石來講要遜色些許；綜合路面平均亮度和亮度總均勻度考慮，建議采用A4.75和B4.75嵌入方案，能有效保證亮度均勻度和總均勻度，提高隧道照明質(zhì)量。

3)嵌入明色材料有效提高了路面反射系數(shù)，鋼化廢玻璃瀝青路面反射系數(shù)為0.144～0.151，淺色雨花石瀝青路面反射系數(shù)為0.136～0.147。隨嵌入比例增加，明色路面反射系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢，其淺色雨花石瀝青路面反射系數(shù)增長幅度比鋼化廢玻璃明顯。

4)通過小目標(biāo)可見度和小目標(biāo)反應(yīng)時間試驗發(fā)現(xiàn)：在相同照明條件下，小目標(biāo)可見度與路面反射系數(shù)呈正相關(guān)；當(dāng)路面明色度越高，越能有效提高駕駛員視覺功效，給予駕駛員更多視野，降低小目標(biāo)識別反應(yīng)時間。