太阳光反射涂层对水泥路面温度特性及城市环境影响

杨飞， 陈家豪

(1.河南建筑职业技术学院， 河南 郑州 450064; 2.河南工业大学 土木建筑学院, 河南 郑州 450001)

随着城镇化的推进，城市规模的扩大，热岛效应也越来越严重[1]。道路占城市总面积的20%～30%，且其中主要是不透水的沥青路面和水泥路面[2-5]。相比于植被覆盖区域，城市路面具有较强的太阳光吸收能力和储热能力，且阻碍渗透散热，隔绝土壤与大气热湿交换，是热岛效应的重要诱因。热岛效应除了加大夏季空调电能消耗外[6]，也会使粉尘、颗粒物及有毒气体等在空气热对流作用下悬浮在空中，大大加重空气污染程度，损坏人民身体健康[7]。因此，如何缓解城市热岛效应是迫切需要解决的难题。

太阳光反射涂层能有效减少结构吸收的热量，是缓解热岛效应、降低路面温度、减少路面热病害的重要手段之一[8-9]。反射涂层在沥青路面上的应用已有一些研究。2008年开始就有学者关注到了反射涂层在公路上的应用，徐永丽等[10]报道了以改善城市和公路沿线环境的反射性沥青路面研究进展；张静[11]在其学位论文中制备了硅丙乳液为基料，空心微珠为功能填料的反射涂层，并进行了降温试验；冯德成等[12]开发了水溶型反射涂层，并在道路上进行了试验，结果表明能降低沥青路面温度约11.4 ℃；郑木莲等[13]以环氧树脂为基料制备了路面反射涂层，测试了其降温效果，并研究了反射率的测试方法，具有一定借鉴意义；程承[14]分析了反射涂层在沥青路面的应用，结果表明，使用涂层后能有效降低沥青路面向大气传输的热量，对于缓解城市热岛效应有一定作用，而且能有效减缓路面车辙；孙威[15]研究了水性环氧树脂反射涂层的制备，分析了颜料浓度等对反射涂层效果的影响；唐伯明等[16]分析了沥青路面反射涂层的老化规律，分析了老化过程涂料外形、反射率等变化情况，结果表明太阳辐射是导致涂层老化的重要因素。从上述文献可以看出，沥青路面反射涂层研究从机理、涂层制备到老化等研究已经较为完善，可以为水泥路面反射涂层研究提供参考。

相比于沥青路面，水泥路面以其较高的承载力、较好的耐久性、较长的寿命及不易出现车辙等优点在城市中应用，是城市路面的重要组成部分，尤其是一些交通量级轻的次级道路上一般采用水泥混凝土路面。水泥混凝土路面较为粗糙，具有较大的太阳辐射吸收系数及比热容，是形成城市热岛效应的重要原因。此外，水泥混凝土作为一种刚性材料，温度的不均匀分布及波动都会在路面中引起较大的温度应力，与外荷载共同作用下很容易出现边角破损、开裂等病害。反射涂层在沥青路面上应用研究较多，但在水泥路面上的应用鲜有报道。因此，该文开展研究，分析反射涂层在水泥路面上的应用效果。

1 反射涂层在水泥路面的应用试验研究

1.1 试验概况

反射涂层主要是一种由空心玻璃微珠、成膜材料及助剂等组合成的复合材料，其中玻璃微珠主要起反射太阳光的作用，反射涂层的作用机理见图1。此次试验制备了以氟硅改性丙烯酸为基料，空心玻璃微珠为主料的反射涂层。制备过程如下：取一定量的水、消泡剂及其他助剂，加入二氧化钛，快速搅拌形成浆液，再加入丙烯酸、硅丙、氟碳乳液及其他助剂，搅拌后加入空心玻璃微珠与陶瓷微珠等，稳定40 min后再加入调节助剂制成该文所用太阳光反射涂层。采用标准方法测得其太阳辐射吸收系数为0.17，半球发射率为0.81，相关性能满足JGJ/T 359—2015的半球发射率及反射率均大于0.8的要求[17]。

图1 反射涂层的反射机理

上海地区属亚热带海洋性季风气候，夏季炎热，水泥路面病害较多，热岛效应也较明显。为研究反射隔热涂料的效果，在上海地区(121.47°E，31.23°5′N)某段水泥路面上开展试验研究。如图2所示，该路面结构由20 cm钢筋水泥混凝土+30 cm水泥稳定碎石基层+20 cm低剂量水泥稳定碎石底基层组成。采用探测器标定出路面钢筋位置，选定无钢筋处采用水钻打直径4 cm、深20 cm的孔。预制长20 cm混凝土圆柱用于埋设图3所示的pt100铂电阻温度传感器，传感器具体位置见图2。放入预埋柱和传感器后灌入细砂浆嵌缝封口，并架设气象站对风速、气温进行实时监测。采样间隔均为0.5 h。施工结束后路面见图4。

图2 传感器布置

图3 Pt100温度传感器

图4 涂刷反射涂层后的路面板

1.2 涂刷反射涂层对水泥路面温度的影响

涂层施工完成后，监测了2018年8月12日上海地区高温天气下反射涂层水泥路面温度，并与未涂刷涂层路面进行了对比，同时气象站记录了当日气温和风速的变化情况。

图5为当日气温和风速的变化曲线，当日最高气温达41 ℃，太阳光照强烈，夜间风速较小，约0.75 m/s，白天风速呈先增大后减小的规律。这些气象因素变化规律说明当日是典型的夏季高温天气，可以选为代表天气用以分析反射涂层效果。

图5 上海地区典型夏季高温天气下的气温和风速

图6给出了反射涂层对路面板表面、中部、底部温度及温度梯度的影响规律。图6(a)表明：2018年8月12日水泥路面板表面最高温度出现在13:00左右，未使用反射涂层时高达59.6 ℃，使用反射涂层后表面温度降为51.4 ℃，降低8.2 ℃，且当日夜晚路面最低温度也超过32 ℃；图6(b)表明：路面板中部最高温度出现在16:00，比板表面最高温滞后3 h左右，且未使用涂层时，最高温为49.7 ℃，使用后降为41 ℃，降低8.7 ℃；图6(c)表明：路面板底部最高温出现在18:00，比板中部滞后约2 h，且未使用反射涂层时路面板底部温度为43.8 ℃，使用反射涂层后路面板底部温度降为37.2 ℃，降低6.6 ℃。路面板内温度为不均匀分布，忽略非线性部分，路面板温度可近似为沿垂向线性分布。温度梯度可由板上表面温度减去底面温度除以板厚得到；图6(d)给出了当日板的温度梯度变化规律，最大正温度梯度出现在13:00左右，未使用反射涂层时，温度梯度为96.1 ℃/m，使用反射涂层后温度梯度为64.4 ℃/m，降低31.7 ℃/m。由此可见：反射涂层对水泥路面板温度具有明显影响，可显著降低板温度及温度梯度。

图6 反射涂层对路面板温度特性的影响

2 反射涂层对水泥路面板翘曲的影响

水泥混凝土作为一种刚性材料，不均匀的温度分布会在板内引起应力。最大正温度梯度(板上表面温度高于下表面温度)作用下，板有中心拱起，四角向下的趋势，最大负温度梯度作用下板有四角上拱中心向下的趋势。可见温度梯度破坏了原本的均匀支承状态，如有车辆荷载额外作用，此时很容易出现板角开裂、压碎等病害。上文已分析了反射涂层对板温度梯度的影响，现分析反射涂层对水泥路面板受力及变形的影响。

最大温度梯度引起的最大翘曲应力可按下式计算[18]：

(1)

式中：αc为混凝土的线膨胀系数(10-6/℃)；Ec为混凝土弹性模量(GPa)；Tg为温度梯度(℃/m)；hc为板厚(m)；BL为综合翘曲应力和内应力的温度应力系数，按下式计算：

BL=1.77e-4.48hcCL-0.131(1-CL)

(2)

式中：CL为混凝土面层板的温度翘曲应力系数，按下式计算：

(3)

式中t按下式计算：

(4)

式中：L为板长(m)；r为面层相对刚性半径(m)。

计算参数物理意义及取值如表1所示。

将表1各参数代入式(1)～(4)，得到2018年8月12日路面板内最大翘曲应力随时间的变化规律如图7所示。图7表明：没有反射涂层的路面板最大翘曲应力在13:00时达到最大值2.16 MPa，使用反射涂层后，最大翘曲应力为1.45 MPa，减小了0.71 MPa，反射涂层能有效降低翘曲应力约30%。

表1 路面板翘曲应力计算参数

3 水泥路面反射涂层热岛效应缓解效果

路面板在吸收太阳能后，大部分能量通过对流换热和红外线的方式又返还到空气中，导致空气温度升高，形成热岛效应。根据牛顿冷却定律，某一时刻以对流形式交换到空气中的热流密度为：

qc=μc(Ts-Tair)

(5)

式中：qc为单位时间进入空气的热量(W/m2)；Ts为路面板表面温度(℃)；Tair为空气温度(℃)；μc为空气对流换热吸收系数[W/(m2·℃)]，由风速决定，可按下式[19]计算：

(6)

除了对流形式外，路面板还以红外方式向空气辐射热量，根据Stefan-Boltzmann公式[20]，单位时间以辐射形式进入空气的热量为：

ql=εσ(Ts+273.15)4

(7)

式中：ql为有效辐射热流密度(W/m2)；σ取5.67×10-8W/(m2·℃4)；ε为路面发射系数，有太阳光反射涂层时，发射率取前文实测值0.81，无涂层时取混凝土值0.88[21]。

由此，由路面板进入空气的总热流为：

q=μc(Ts-Tair)+εσ(Ts+273.15)4

(8)

由图5气温和风速数据及图6(a)实测路面板表面温度可算得路面放热曲线如图8所示。

图7 有无反射涂层时路面板最大翘曲应力变化规律

图8 由路面进入空气的热流密度变化规律

(0,t)时间内空气增加的热量为图8曲线下方面积，即：

(9)

式中：Q为1 m2路面向空气中释放的热量(kJ)。

t=24 h时算得无涂层时单位面积路面向空气中释放的热量为48 626 kJ，使用涂层后向空气中释放热量为41 578.8 kJ，相比减少15%。

4 结论

首先开展试验研究，测试了反射涂层对水泥路面温度及温度梯度的影响，其次计算了有无反射涂层对路面板翘曲应力的影响，再次分析了反射涂层对热岛效应的影响，主要得到以下结论：

(1) 应用反射涂层前，夏季高温天气下路面最高温度达59 ℃，最大正温度梯度为96.1 ℃/m，反射涂层能够有效降低水泥混凝土路面温度约9 ℃，降低最大正温度梯度为31.7 ℃/m。

(2) 应用反射涂层前，路面最大翘曲应力达2.16 MPa，应用反射涂层后最大翘曲应力为1.7 MPa，降低约30%。

(3) 使用反射涂层能有效减少水泥路面向空气中散发的热量约15%，一定程度上能缓解夏季热岛效应。