透水铺装结构对局地温湿度影响的实验研究

魏继合

摘 要：与非透水性铺装相比，透水铺装能有效改善城市湿热环境，为研究透水铺装结构对局地温湿度变化规律的影响，搭建了可以改变试验条件并能够长期监测透水铺装结构的试验台。在人工模拟降雨、人工控温等试验条件下，收集透水铺装结构表面及内部的温度和体积含水率数据，研究透水铺装结构对局地温湿度变化规律的影响。

关键词：透水铺装结构 局地温湿度 模拟 温度 体积含水率

中图分类号：TU993.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0077-02

传统的城市道路面层材料具有明显的不透水性。随着城市化进程的加快，不透水人工表面比例越来越大。不透水路面对城市气候的形成影响极大。通过遥感分析等技术手段已清楚地发现不透水铺装系统与城市高温化和热岛效应有强烈的相关关系。

1 透水铺装结构试验装置及条件介绍

1.1 透水铺装结构形式的设计及试验台的搭建

根据目前主要应用的透水路面形式确定该试验的透水铺装结构形式。整个透水铺装结构各层总厚度为40 cm，试样从上到下依次为：5 cm透水沥青混凝土层、25 cm碎石层和10 cm土壤层。将各种材料按照图1所示的形式依次装入一个隔热隔湿的试验箱内。试验箱箱体由内外双层的PVC板制成，可以有效隔绝试验箱内试样与外界温度与水分的交换。为了测得透水铺装试样表面和内部温度和体积含水率的变化情况，按照试样的各层的结构形式布设传感器，最后安装好透水性沥青混凝土试件后在试件与箱体的缝隙填充好发泡胶，防止降雨时雨水从试件四周缝隙流入下层。

1.2 试验条件的研究与确定

该文的主要研究手段是通过室内模拟气象因素等试验条件的方法实现对小尺度室内透水铺装结构试验台内部温湿度的变化情况的监测。进行模拟的试验条件主要是降雨强度和气温。通过查阅文献和实际测量等方法，确定模拟气象条件的标准。

（1）降水强度的确定：根据透水性铺装系统试验箱的截面面积，计算不同降雨强度下所需的降雨量。以模拟降小雨为例，小雨的最大小时雨量为2.5 mm，试验箱横截面面积为0.09 m2，计算出模拟小雨应量取的水量为225 mL。

（2）试验温度的确定：根据夏季沥青路面所处的实际环境，该文利用控温室控制气温为30 ℃。

2 试验结果及分析

该文在控温及模拟暴雨强度的试验条件下研究试验台试样表面及内部温湿度变化的基本规律，得出不同试验条件下，透水铺装试样对局地温湿度的影响。

图2和图3分别为控温条件下试验台面层试件级配类型为OGFC和SMA时，试验台试样表面和内部温度变化关系图。

由图2可知，对于沥青试件表面：当控温进行到约30 min时，试验台试件表面达到了最大温度且保持最高温度不变；到第80 min开始降雨时，试件表面的温度急剧下降；降雨结束后由于控温仍在继续，表面温度开始快速回升；到第150 min结束控温后，试件表面温度又开始缓慢下降。

对于试样各层的温度：测试后期试件表面处温度缓慢降低而其他各层温度缓慢升高，是因为水分从温度较高的面层向温度较低的碎石层和土层迁移时，与透水面层、碎石和土壤发生了热交换，使面层温度降低而碎石层和土层的温度升高。

由图3可知，SMA试件搭建的试验台各层温度变化趋势与OGFC相似，但其各层温度变化幅度均小于OGFC。由于SMA试件是密实结构，降雨过后表层的水分无法透过表面试件渗入下方而发生热传递，因此试件表面温度最终保持一个相对稳定的状态，表面下各层的温度变化幅度也比OGFC要小。

对于试件表面温度：OGFC试件比SMA试件温度敏感性更强。在同样的控温条件下，OGFC试件表面温度能比SMA试件达到更高的温度；OGFC试件表面因降雨造成温度下降12.1 ℃，SMA试件表面温度下降9.1 ℃；降雨结束后由于控温仍在进行，OGFC和SMA试件表面温度相对于降雨刚结束分别升高7.3 ℃和5.2 ℃；而在测试后期，OGFC表面温度一直缓慢下降，SMA表面温度先缓慢上升最后达到相对稳定状态。

由于OGFC试件空隙率较大，在外界温度较高时，热量可以通过孔隙使试件比较均匀的受热，造成整体温度上升较快且短时间内温度升高较多，而SMA仅有试件的表面与外界空气相互作用，因此升温比较缓慢，短时间内温度升高较少；在降雨时，温度较低的雨水与温度较高的试件发生热传递使试件表面温度降低，雨水可以从OGFC试件的孔隙中渗入下层带走大量热量，而SMA试件没有这种现象，因此降雨时OGFC试件表面比SMA降温更多；在测试后期，OGFC由于试件内部和下层含有大量水分，水分可以通过孔隙蒸发继续降低试件表面温度，而SMA试件空隙率较低，降雨时雨水在试件表面形成径流排走，在后期无法通过蒸发降低温度。

比较由OGFC试件和SMA试件搭建的试验台各层温度变化可以发现：降雨结束后OGFC各层的平均温度均低于SMA各层温度，从控温达到最高温度经过降雨直到测试结束，OGFC和SMA试件表面温度分别降低6.9 ℃和4.2 ℃，说明在控温试验条件下OGFC相对于SMA在降雨后能降低更多的温度。通过雨水与试样内部材料的热传递将热量从表面转移到了下层；而由于透水表面（OGFC）比不透水表面（SMA）对外界温度变化更敏感，在外界温度较高时，透水路面因大部分热量被面层吸收，故面层下方的平均温度比不透水路面面层下方的平均温度要低。

图4为控温条件下面层试件为OGFC时，试验台表面和内部体积含水率变化关系图。

由图4可知，随着模拟降雨的开始，除距离试件表面35 cm处试样，其他各层体积含水率的变化趋势相同：在降雨开始后急剧增长，降雨结束后又较快降低后最终达到一个稳定状态，且达到稳定状态时的体积含水率均比降雨前要高。距离试件表面35 cm处的体积含水率在降雨开始后快速增长并最终达到稳定状态。OGFC试件表面的体积含水率在测试第83 min（降雨开始3 min）达到峰值0.295，然后快速降低；距离表面5 cm、15 cm和25 cm处的体积含水率分别在第87、88和91 min达到峰值。

3 结语

该文研究了在模拟降暴雨时，透水铺装试样在室内控温的条件下表面与内部温度和体积含水率的变化规律，得出以下结论：（1）透水路面（OGFC）比不透水路面（SMA）对外界温度变化更敏感。测试前期在相同的高温环境中，透水面层能比不透水面层达到更高的温度；在降雨后，由于雨水与面层试件发生热传递，透水试件能比不透水试件降低更多的温度，而带有大量來自面层热量的水分进入下面各层时再次与碎石和土壤发生热交换，使下方各层的温度升高。（2）降雨结束后OGFC各层的平均温度均低于SMA各层温度，从控温达到最高温度经过降雨直到测试结束OGFC和SMA试件表面温度分别降低6.9 ℃和4.2 ℃，说明在控温试验条件下OGFC相对于SMA在降雨后能降低更多的温度。

参考文献

[1] 宋志斌，张梅芳，王保春.透水性混凝土路面砖减缓城市热岛效应的试验研究[J].混凝土，2008（224）：94-95.

[2] Shao J T，Liu J，Zhao J N，et al.A novel method for full-scale measurement of the external convective heat transfer coefficient for building horizontal roof[J].Energy and Buildings，2009，41（8）：840-847.