高反射保水阻热多孔水泥路面的力学及降温特性

邢国辉

(内蒙古交通职业技术学院，内蒙古赤峰 024005)

0 引言

随着城市规模的不断扩大，交通运输飞速发展，城市中道路、广场、房屋人工下垫面越来越多，自然下垫面所占比重越来越小。人工下垫面隔断了自然下垫面的水热循环通道，加之其吸热性好，提高了近地空气温度，从而形成城市热岛效应(Urban Heat Island，UHI)［1-2］。道路铺面是城市人工下垫的重要组成部分，对城市热岛效应影响巨大，所以研发新型路面材料以缓减城市热岛效应，已成为道路科技工作者们需要迫切解决的问题。

为了降低路面温度，国内外的研究者对降温型路面进行了一定的研究，主要有路用热反射涂层、大孔隙路面、保水式路面和阻热式路面四大类;然而，路用热反射涂层的缺点也较为明显:抗滑性能较差、路面反光影响夜间行车、造价高［3-4］。大孔隙沥青混合料是一种具有相互连通孔隙的开级配沥青混合料，孔隙率在 20%左右［5］，众所周知，该混合料具有透水功能、降噪功能和良好的抗滑性能。宋宪发等的研究表明，排水性沥青路面可以有效降低中面层和下面层的温度，相比SMA路面，大孔隙路面的降温幅度在2.5℃左右［6］。早在20世纪90年代，日本对低吸热保水型铺装进行了研究，1994年研发出了保水型联锁块铺装。明朝辉等把粉煤灰和高炉矿渣等吸水性材料填充于大孔隙混合料中，路面最高可降温10℃以上［7］。阻热式路面可以有效解决路面高温病害和城市热岛效应，沙爱民等向混合料中掺入锻烧铝矶土石料，能降低路面温度5℃。德国采用锻烧铝矶土石料的沥青路面，可使沥青路面温度降低5 ℃～8 ℃［8］。

基于以上各类降温路面的技术特点，本文通过理论分析、室内试验等方法进行有关高反射保水阻热多孔水泥路面的研究，综合阻热、保水与高反射3种降温技术，研发一种新型的能缓解城市热岛效应的高反射保水阻热多孔水泥路面，使它不仅能大幅提高降温效果，还能降低采用单一技术而导致的路面材料性能过分衰减的潜在风险。

1 高反射保水阻热路面的降温机理

高反射保水阻热多孔水泥路面集成了阻热、保水与高反射3种降温技术，实现复合降温。

1.1 阻热机理

研究表明，材料的导热系数越低，热量就越难向路面内部传递，进而会降低路面温度［9-10］。因此，本文采用高铝质耐火碎石作为骨料配制多孔阻热水泥混凝土，由于高铝质耐火碎石的导热系数较普通集料低，进而可以降低水泥混凝土的导热系数。将低导热系数的阻热水泥混凝土铺筑于路表，相当于铺筑了一层隔热层，阻止了太阳辐射通过路表进一步向地下传导，进而降低路面温度，其降温机理如图1所示［11］。

1.2 保水机理

保水材料由粉煤灰、水泥、硅灰和水组成。粉煤灰是种多孔材料，具有很强的吸水性和保水性，同时也可起到一定的润滑作用;硅灰除了具有保水的功能之外，还可以起到润滑作用，从而提高保水材料的流动性;水泥水化后形成的水化物可以提供强度，防止保水材料的流失［12］。

图1 阻热降温机理

将保水材料灌注于多孔水泥混凝土中，它可以吸收雨水或高温季节洒在路表面的水，保存在其内部的水分蒸发时吸热，从而有效降低路面温度，其降温机理如图2所示。

图2 保水降温机理

1.3 高反射机理

沥青路面属于黑色路面，吸热性很高，而水泥混凝土路面为灰色，本身就有很好的光反射特性，在路表面涂覆由环氧树脂、固化剂、二氧化钛、炭黑组成的反射涂层［13］，可以反射太阳辐射中的可见光，从而降低路表面温度，其降温机理如图3所示。

图3 高反射降温机理

2 高反射保水阻热路面设计

2.1 保水材料设计

保水材料由粉煤灰、水泥、硅灰和水组成，保水材料的组成设计主要考虑保水材料的保水性、流动性和强度［14］。设计方法如图4所示。

图4 保水材料设计方法

根据试验结果和规范要求最终得出:粉煤灰与硅灰的质量比为3∶2，水泥用量为粉煤灰与硅灰总质量的15%，用水量为水泥、粉煤灰、硅灰总质量的2 倍，其保水量为 0.28 g·cm－3，流动度为 18 s，抗压强度为 2.7 MPa。

2.2 多孔水泥混凝土设计

根据填充包裹理论，在进行配合比设计时应确定粗集料的紧密堆积的空隙率V、目标空隙率P、水灰比C。V由粗集料的表观密度和紧密堆积密度求得，水灰比C为0.28，目标空隙率P为18%±2%，设计方法如图5所示。

图5 多孔水泥混凝土设计流程

按图5的方法设计多孔水泥混凝土，确定1 m3多孔水泥混凝土的材料组成和技术性能，如表1所示。分析表1可知，骨料为高铝质耐火碎石的多孔水泥混凝土，其强度低于骨料为玄武岩的水泥混凝土，这是由于高铝质耐火碎石的强度比玄武岩低造成的。

表1 多孔水泥混凝土的组成及技术性能

2.3 高反射材料选择

本文所选的高反射材料是由环氧树脂、固化剂、二氧化钛、炭黑组成的。二氧化钛遮光能力好、黏附力强、化学性质稳定，适合道路工程使用，但是其为白色，涂覆到路表后在阳光下易产生反光现象［15］，对车辆及行人的安全不利。因此，先用炭黑作为调色原料加入到遮热涂层中，将遮热涂层的颜色调和成视觉上较为舒适的灰色。根据资料将遮热涂层中环氧树脂、固化剂、二氧化钛、炭黑的比例调整为1 ∶0.4 ∶0.9 ∶0.045，涂层厚度为 1～2 mm［16-17］。

3 高反射保水阻热路面的强度性能及降温特性

3.1 强度性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)的方法成型15 cm×15 cm×15 cm的立方体试件，SMA-13沥青混合料(SMA)、普通水泥混凝土(PCC)、保水型水泥混凝土(WCC)、保水阻热型水泥混凝土(WTCC)试件各2块，测试其28、90 d抗压强度;成型15 cm×15 cm×550 cm的长方体试件并测试其28、90 d的抗折强度。图6、7为PCC、WCC和WTCC的抗压强度和抗折强度试验结果。试验结果表明，WTCC 28、90 d抗压强度分别可以达到30.4 MPa和42.1 MPa，28、90 d抗折强度分别为4.6 MPa和 6.1 MPa，满足规范的要求。加入保水材料后，水泥混凝土的强度得到增强，抗压强度和抗折强度的增加幅度分别为1.4%～2.9%和4.4%～4.9%，这是因为硬化后保水材料填充于水泥混凝土的空隙中，形成了附加强度;当水泥剂量相同时，保水阻热水泥混凝土的抗压强度和抗折强度比保水式水泥混凝土降低了5.6%～10.1%和8.3%～10.3%，这是由于高铝质耐火碎石的强度比玄武岩低造成的。

3.2 降温特性

图6 抗压强度测试结果

图7 抗折强度测试结果

在试件内横向植入温度传感器，采用杭州泽大仪器有限公司的ZDR-41型多通道温度自动记录仪测试温度，精度为0.5℃，测试频率为10 min。在测试前分别对SMA、PCC、WCC、WTCC喷洒相同质量的水，模拟一次降雨过程，然后接上温度记录仪，记录4种路面的温度变化曲线。

以上4种路面的路表温度和路面5 cm深度处的温度变化情况如图8、9所示，两者的最高温度、最低温度、全天平均温度、白天(7:00至19:00)平均温度及夜间平均温度如表2、3所示。试验结果表明:与SMA、PCC、WCC相比，WTCC的路表最高温度分别降低了11.4 ℃、5.5 ℃和4.1 ℃，路面内部最高温度分别降低了10.3℃、6.1℃和4.6℃。

图8 4种混合料的路表温度曲线

图9 4种混合料的内部温度曲线

表2 路表的特征温度

表3 路面5 cm深度处的特征温度

本文对高反射保水阻热混凝土(HWTCC)和WTCC的温度曲线进行对比，如图10、11所示。结果表明:与WTCC试件相比，HWTCC路表最高温度降低5℃，路面内部最高温度降低5.2℃。

图10 WTCC和HWTCC路表温度曲线对比

路面温度除了受太阳辐射强度影响外，还与路面吸热性、路面内部蒸发效应和材料的导热系数有关［18］。通过对以上4种路面的路表温度与内部温度的进一步分析可知以下几点。

图11 WTCC和HWTCC内部温度曲线对比

(1)作为黑色的沥青路面，SMA具有最高的吸热性和最低的反射率，辐射到路表的太阳能被更多地吸收到路面中，因此具有最高的温度。

(2)保水型水泥混凝土(WCC)的路表和5 cm深度处的最高温度分别较普通水泥混凝土降低了1.4℃和1.5℃。这是因为:当温度升高时，保水材料中的水分不断蒸发并吸收热量，使得路面的温度降低;随着水分蒸发完毕，保水材料的降温作用失效，其中的粉煤灰和硅灰的吸热性高于水泥，因此在18:00后保水型水泥混凝土的温度又会高于普通水泥混凝土。

(3)保水阻热型水泥混凝土(WTCC)与保水型水泥混凝土(WCC)相比，路表最高温度降低了4.1℃，5 cm深度处的最高温度降低了4.6℃，这是因为保水阻热型水泥混凝土中采用了高铝质耐火碎石，这种碎石具有很低的导热系数，减少了路表热量向路面内部的传递，等同于在路面覆盖了一层隔温层。

(4)高反射涂层使得保水阻热混凝土路面(HWTCC)降温效果更好，因为反射涂层可以将辐射到路表的太阳能反射掉一大部分，使得路面温度降低。

4 结语

(1)提出了多孔水泥混凝土的设计方法，采用水泥和粒径为4.75～9.5 mm的集料配制出了高强度且空隙率为20%左右的高铝质碎石和普通碎石多孔水泥混凝土。

(2)试验结果表明，高反射保水阻热水泥混凝土 28、90 d 的抗压强度可以达到 30.4、42.1MPa，28、90 d 抗折强度分别为 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，但仍满足重交通公路路面的设计要求。

(3)与SMA沥青混合料、普通水泥混凝土、保水水泥混凝土相比，设计的复合降温水泥混凝土的路表最高温度分别降低 16.4 ℃、8.7 ℃和 6.6 ℃，路面内部最高温度分别降低15.5 ℃、9.1 ℃和7.2 ℃。

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