涼爽瀝青路面研究進展綜述

作者簡介：楊文燦（1969—），高級工程師，主要從事道路工程施工和管理工作。

摘要：瀝青路面的服役性能與路面溫度場緊密相關，路面結構熱物性參數(shù)的調控可通過新型材料的開發(fā)應用和路面結構的優(yōu)化設計等方式較為方便地實現(xiàn)。鑒于此，道路領域的科研工作者們基于對不同路面結構熱物性參數(shù)的調控開發(fā)了多種形式的涼爽路面，以期降低夏季較高的路面溫度，達到減輕路面高溫病害、緩解城市熱島效應的目的。文章綜述了現(xiàn)有涼爽瀝青路面形式，并論述了其降溫原理及存在的問題。

關鍵詞：涼爽路面；降溫作用；蒸發(fā)式路面；熱反射路面；熱阻式路面；相變調溫路面

中圖分類號：U416.217

0 引言

交通運輸是國民經濟和社會發(fā)展的命脈，是惠及國計民生的基礎性、先導性行業(yè)。瀝青路面因其優(yōu)異的行車舒適性和便捷的維修養(yǎng)護方式已成為主要的路面鋪筑類型。

然而，研究表明，由于較低的反照率，瀝青路面在炎熱的夏季會大量吸收太陽輻射的能量，導致路面溫度在一天中某些時段內可高達60 ℃以上。夏季過高的瀝青路面溫度不僅會增加瀝青的黏性流動從而引起路面車轍等高溫病害，還將加速瀝青的光氧老化反應，使瀝青脆化而失去粘結作用，從而進一步誘發(fā)路面開裂、水損等其他病害，最終嚴重影響路面服役性能，縮短路面服役壽命。此外，過高的瀝青路面溫度也會加劇城市熱島效應，進一步刺激城市能耗的增長以及溫室氣體的排放，使城市氣候環(huán)境陷入惡性循環(huán)。

涼爽路面是一類通過調節(jié)瀝青路面的吸熱、傳熱、散熱、儲熱等過程來實現(xiàn)路面降溫的新型綠色道路建造技術。按照不同的降溫原理，涼爽路面主要可劃分為熱阻式路面、相變調溫路面、蒸發(fā)式路面和熱反射路面。其中熱阻式路面、相變調溫路面、蒸發(fā)式路面是對進入路面結構內部的熱流進行阻擋、吸收、散發(fā)，而熱反射路面則通過影響路面反照率可直接決定進入路面結構的能量多少。

本文綜述了現(xiàn)有主要涼爽瀝青路面形式（見圖1），論述了其降溫原理，分析了不同涼爽路面形式存在的問題，以期助力涼爽路面材料的推廣應用，從而減少高溫病害，減緩瀝青路面老化進程，有助于綠色道路的發(fā)展和城市微氣候的改善。

1 蒸發(fā)式路面

蒸發(fā)式路面是一種具有較好蓄水能力，且利用水分蒸發(fā)帶走路面結構熱量的涼爽路面。蒸發(fā)式路面主要包括多孔路面、透水路面和保水式路面。三種路面在應用形式上有所不同，但其本質都是通過去除掉集料級配中粒徑較小的顆粒部分，增加路面結構的空隙率，以便于結構內部水分的蓄存和蒸發(fā)。

有研究表明，對于多孔路面，當孔隙內填充的是泥土、沙、石等材料時，多孔路面的熱學性能與混凝土路面相差不大，無法起到明顯的路面降溫效果。只有與草皮等植被結合應用時，多孔路面才能起到較好的降溫效果^［1-2］。因此，多孔路面多用于人行道、停車場、公園等區(qū)域，較少應用于高等級公路。

透水路面主要用于減少雨水地面徑流，緩解城市內澇，透水路面的空隙中一般不填充其他物質。雨水可從透水路面的空隙中流走，較難長時間蓄存在路面結構中。有研究表明，透水路面的透水性高出保水式路面一到兩個數(shù)量級^［3-4］。此外，Nemirosky等^［5］研究發(fā)現(xiàn)，水分蓄存的位置對蒸發(fā)式路面降溫的效果影響重大。當水分蓄存的深度＞25 mm時，路面很難通過水分蒸發(fā)起到散熱的作用。即使透水路面采用非排水基層，基層處的蓄水也很難通過蒸發(fā)或毛細作用輸送到路面而起到降溫效果。因此，經過雨水充分澆灌的透水路面通過蒸發(fā)散熱實現(xiàn)降溫的有效時間一般只能維持1～2 d^［6］。此外，與普通的密級配混凝土路面相比，粗糙的路表和開級配的結構特點使得透水路面表現(xiàn)出更低的反照率和熱慣性。在干燥環(huán)境條件下，透水路面相較于普通的密級配混凝土路面反而表現(xiàn)出更高的路面溫度^［7-9］。

相較于多孔路面和透水路面，保水式路面通過向空隙結構中填充吸水性強的多孔材料，有更好的吸水和蓄水能力。填充的保水材料一般分為礦物類和聚合物類。聚合物類保水材料主要是以各種吸水性樹脂為主，但樹脂材料存在施工和易性差和耐久性差的問題^［10］。對于礦物類保水材料，除了采用單一的多孔礦物材料如礦渣、皂土、硅藻土等作為保水材料外，由各種礦物材料（包括水泥、高爐礦渣微粉末、粉煤灰、火山灰、消石灰、陶瓷顆粒、沸石等）、添加劑和水拌和后所形成的保水性漿體也逐漸受到研究者們關注^［11-13］。此外，地聚物也廣泛應用于制備多孔的保水材料。Okada等^［14］利用水鋁英石和蛭石制備了一種對水分吸收快而釋放慢的多孔陶瓷微粒保水材料。Okada等^［15］還利用不同比例的硅酸鈉、偏高嶺土、氫氧化鈉和水制備了一系列用作保水材料的地聚物，并對它們的多孔性、保水性和力學性能進行評價。根據(jù)不同填充材料，保水式路面的蓄水能力為0.15～0.27 g/cm³，而透水路面的蓄水能力僅為0.06～0.1 g/cm³，保水式路面的蓄水能力是透水路面蓄水能力的兩倍多^［16-17］。此外，有研究表明，給干燥的保水式路面澆水30 min，保水式路面的蓄水量就可達到其滿載的70%以上^［18］。較好的蓄水能力使保水式路面的降溫作用一般可持續(xù)一周左右^［16］。

大量研究證明，蒸發(fā)式路面在濕潤狀態(tài)下，路面結構內部蓄存的水分在高溫環(huán)境下的蒸發(fā)作用會帶走熱量，從而發(fā)揮明顯的路面降溫作用。但是，當其處于干燥狀態(tài)時，由于其較低的反照率和熱慣性，其路面溫度會高于普通瀝青混凝土路面溫度^［11-16］。由此可知，蒸發(fā)式路面降溫作用的發(fā)揮嚴重依賴于路面結構內部蓄存水分的多少以及水分輸送通道的暢通。對于干旱季節(jié)或缺水地區(qū)，或是蓄水腔體發(fā)生堵塞后，蒸發(fā)式路面的降溫作用都將受到嚴重限制^［19］。此外，較大的空隙率以及水分對路面結構的反復浸潤會造成蒸發(fā)式路面容易出現(xiàn)松散和水損病害，縮短路面的服役壽命^［20］。

2 熱反射路面

熱反射路面通過增加路面對太陽輻射的反射能力從而達到路面降溫目的。研究表明，相較于導熱系數(shù)、比熱、發(fā)射率等熱物性參數(shù)，路面反照率更易于人為調控，且對路表及路面結構內部溫度的影響最為顯著^［21］。研究發(fā)現(xiàn)最高路面溫度與路表反照率呈現(xiàn)負的線性關系，并且反照率每增加0.1，路面最高溫度可下降3.5 ℃～4.3 ℃^［22-23］，見圖2。

因此，基于提高路面反照率而研發(fā)的熱反射路面被認為是降低夏季路面高溫，緩解城市熱島效應最為有效的涼爽路面。目前，熱反射技術在路面的應用形式可分為兩大類：一種是將具有高反照率的材料直接以涂層的形式涂覆于瀝青路表之上；另一種是通過各種改性方法提高瀝青混合料的反照率，再將瀝青混合料以混凝土、微表處、罩面、封層等形式應用于路面結構^［11］。

瀝青路面熱反射技術的研究主要集中在四個方向。（1）開發(fā)各種具有高反照率的淺色涂料；（2）針對淺色涂料在可見光波段的顯著反射作用容易給車輛駕駛者造成眩目問題，開發(fā)主要針對紅外波段表現(xiàn)出高反射能力的涂料；（3）將淺色骨料或是被淺色涂料裹覆的骨料應用于瀝青混合料之中；（4）開發(fā)熱致變色涂料或利用熱致變色材料對瀝青基路面材料進行改性。大量研究表明，各類熱反射技術均可顯著提高瀝青路面對太陽輻射的反射能力，從而降低夏季路面溫度，緩解城市熱島效應^［11］。

盡管熱反射路面中淺色涂層或紅外反射涂層都能在夏季起到顯著的路面降溫作用，但其固定不變的高反照率也會在冬季給路面起到降溫的反作用，引起路面的低溫病害^［24］。針對這兩類熱反射涂層的不足，反射能力可隨環(huán)境溫度而動態(tài)變化的可逆熱致變色材料開始應用于涼爽路面，并逐漸受到人們重視。目前，應用于涼爽路面的熱致變色材料是一種變色溫度在31 ℃上下的三組分有機可逆熱致變色微膠囊材料。該膠囊材料由囊芯和囊壁組成。囊芯材料主要起到熱致變色的作用，是一種由發(fā)色劑、顯色劑和溶劑組成的三組分復配物^［25-27］，見圖3。

同時，熱反射涂層對路面抗滑性的不利影響，涂層本身較差的耐磨性和耐久性都是限制熱反射涂層廣泛應用的突出問題^［28］。針對熱反射涂層抗滑性差的問題，學者們研究發(fā)現(xiàn)，向涂層中加入防滑顆粒如沙子、小粒徑的石灰?guī)r、陶瓷微粒等可以在一定程度上提高涂層抗滑性能 ^［29-31］。對于改善熱反射涂層的耐久性，學者們也開展了相關研究。Chen等^［32］基于涂層抗壓、抗輪碾、抗磨耗、抗腐蝕、抗沖擊性能的測試結果，運用多目標灰靶決策方法綜合評價了不同的功能型礦物對反射涂層耐久性的影響，并最終確定了單摻鏡鐵或將黃鐵礦與二氧化鈦復配摻入的涂層耐久性最佳。Xie等^［33］研究發(fā)現(xiàn)，向涂層中加入納米粒子氧化鋅可以有效提升涂層在自然老化作用下的耐久性。

3 熱阻式路面

熱阻式路面是一類通過在路面中應用具有阻熱功能的集料來降低路面結構導熱系數(shù)，減小熱量在路面內部傳遞的涼爽路面。常用的熱阻集料包括鋁礬石類、陶瓷、膨脹蛭石及多孔玄武巖等^［34-36］。熱阻集料在路面中的應用形式可分為三類：等體積替換普通粗集料或細集料、層間設置熱阻黏封層和路表加鋪熱阻薄層^［34］。熱阻集料存在多孔、強度低、吸水率偏大的特點，熱阻集料的路用技術指標一般較差。熱阻集料的摻入普遍會大幅降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性，某些熱阻集料還會對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性造成不利影響^［31］。此外，熱阻式路面在阻斷熱流由路表向路面結構內部傳遞的過程中，熱量容易在路表蓄積從而引起路表溫度過高的現(xiàn)象^［36］。

4 相變調溫路面

相變調溫路面是利用相變材料在發(fā)生相態(tài)轉變時儲存或釋放大量潛熱且保持自身溫度不變的特點對路面溫度進行調節(jié)。相變材料的摻入可以提高瀝青路面材料的熱容，從而降低夏季高溫時段瀝青路面的升溫速率和高溫峰值。目前，圍繞路用相變材料的研究主要集中在相變特性和力學特性兩個方面^［37］。相變特性決定著相變調溫路面的調溫效果，而力學特性影響著相變調溫路面的路用性能。由于固-固相變材料的相變溫度一般遠高于路面的服役溫度而無法起到路面調溫作用，所以應用于路面的相變材料以固-液相變材料為主。但固-液相變材料熱穩(wěn)定性差，液態(tài)的相變材料具有較強的流動性，不僅會引起自身的泄漏問題，還會對路面性能產生不利影響^［37］。因此，應用于路面的固-液相變材料一般需要以聚合物（如聚乙烯）或多孔材料（輕質骨料、膨脹石墨、多孔陶瓷、膨脹蛭石、硅藻土等）為載體形成定形復合相變材料或是通過膠囊包封技術防止泄漏^［37-40］。雖然這些技術能在一定程度上限制相變材料的流動性，但仍存在如多孔材料吸附性不足、包封技術對相變特性的削弱等問題^［37］。

5 結語

涼爽路面是一種環(huán)境友好型路面形式，該路面形式的推廣應用不僅可以通過降低路面溫度，減少路面高溫病害，減緩瀝青老化進程，還可以降低城市熱島效應，改善城市微氣候。研究者們根據(jù)路面與外界環(huán)境熱交換形式，研發(fā)了可以降低路面吸熱的熱反射路面、阻礙熱流向路面?zhèn)鲗У臒嶙枋铰访?、利用水分的蓄積與蒸發(fā)散熱的蒸發(fā)式路面以及增加材料儲熱能力的相變調溫路面等路面形式。但是，針對不同涼爽路面形式，其對路面使用性能的影響及評價方法、降溫性能的耐久性以及工程實體的應用方式還有待進一步研究。

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收稿日期：2023-04-16