緩解城市熱島效應瀝青混合料性能試驗分析

袁自能

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南　長沙　410004）

緩解城市熱島效應瀝青混合料性能試驗分析

袁自能

（湖南路橋建設集團有限責任公司，湖南長沙410004）

隨著中國經濟的高速發展，城市規模越來越大，城市熱島效應也越來越明顯。熱島效應不僅吸收城市中的熱輻射能量，產生大量氮氧化物，還會使城市空氣質量下降。作為城市環境中單體建筑面積較大的城市道路，因自身的高吸熱性，使熱島效應進一步加劇。文中在總結國內外研究成果的基礎上，提出用熱阻集料替換天然粗、細集料，以減少路面內部熱量傳遞，降低城市環境溫度，進而減輕城市熱島效應；并對采用這種材料的道路的性能進行檢測，結果表明其功能性及路用性能良好。

公路；城市熱島效應；瀝青混合料；吸熱；熱阻材料

瀝青砼材料因施工簡單、行車噪聲低、舒適度高、安全性好等特點而被廣泛應用于城市道路建設。因為黑色瀝青的存在，瀝青砼能吸收并存儲陽光中的能量。在夏季，隨著陽光照射時間的增加，城市道路路表溫度增高，造成道路高溫周期延長，在持續高溫及車輪荷載作用下，路面極易發生永久性車轍，對于行車舒適度及安全性都有不利影響，還會提高城市內環境溫度，造成熱島效應。熱島效應屬于城市環境范疇，在城市熱量分布中，主城區屬于高溫區，就像海面上漂浮的島嶼，因而得名城市熱島。熱島效應不僅受工農業生產、人工熱源影響，還受城市內部其他基礎設施面層的影響，其中道路面積所占比重最大，對城市熱島效應影響最明顯。

為了保護環境，降低瀝青路面對城市熱島效應的影響，國內外眾多學者對路面降溫技術開展了深入研究。其中開展最廣泛的道路降溫方法為灑水降溫，但以中國華北地區為代表的水資源匱乏地區，在耗費水資源的同時，人工費、設備費等也是一筆巨大開銷。有學者提出采用保水型路面降低路面溫度，即將高爐礦渣等極易吸收水分的材料填充在大空隙混合料中，通過吸水材料的吸水作用吸收水分，溫度較高時，通過蒸發作用，水分散失，達到溫度降低的作用。根據文獻［4]，保水型路面可降低溫度8℃以上。曹雪娟等研制路面反射涂料，用來提高路表反射率，降低路面溫度。哈爾濱工業大學的學者研究了相變材料對路面降溫的影響，結果表明相變材料對路面降溫有一定幫助，可降低5℃。長安大學的沙愛民教授將混合料中的粗、細集料全部替換為導熱系數低的天然熱阻材料，以減少熱量傳遞，吸熱量減小的情況下，路面溫度能得到降低。從以上研究成果來看，降低材料導熱性能及改善路表反射能力能有效降低路面溫度。該文采用耐火碎石替代天然集料設計降溫瀝青混合料，并與普通瀝青混合料相比，分析其性能。

1　原材料及瀝青混合料級配設計

1.1原材料

普通SMA-13型瀝青混合料（其技術指標見表1～3）和熱阻式SMA瀝青混合料的區別在于熱阻式SMA瀝青混合料中添加了一種粒徑為5～15 mm的耐火碎石，其特征為吸水率高、強度低，為堿性石料。為了保證使用要求，使用前用環氧樹脂對耐火碎石進行活化，活化前后的技術指標見表4。

從表4可以看出：在耐火碎石加入環氧樹脂活化劑后，碎石的吸水率降低，與瀝青的粘結效果增強，磨耗值與壓碎值降低，說明環氧樹脂的加入提高了耐火碎石與瀝青的粘附性，并且對于降低瀝青砼孔隙率、提高瀝青砼密實度和強度有重要作用。

表1　SBS改性瀝青的技術指標

表2　粗集料的技術指標

表3　細集料的技術指標

表4　耐火碎石的技術指標

1.2混合料級配設計

為了對兩種混合料的路用降溫效果進行對比，在保證兩種混合料級配相同的前提下，將石料篩分成單粒徑進行級配設計。混合料組成設計為：把不加任何降溫材料的天然SMA瀝青混合料作為對比組（OR -SMA）；將天然粗、細集料替換成耐火碎石粗、細集料形成降溫型SMA瀝青混合料（JW-SMA）；兩種瀝青混合料采用的級配形式相同（見表5）。

表5　SMA-13型普通瀝青混合料的級配

2　路面降溫評價

2.1降溫試驗

采用WT0T1-3型多路溫度記錄儀對試樣進行溫度測試，其測溫頻率為20 min，精度為0.5℃。

根據相關規范成型車轍板試件，尺寸為30 cm ×30 cm×10 cm。為了便于測試瀝青表面及混合料一定深度內的溫度，在混合料表面進行挖槽處理，使傳感器探頭能夠放入，隨后用一定的瀝青進行裹覆；在測試瀝青混合料5 cm深度的溫度時，使用小型鉆孔機在瀝青混合料5 cm深處進行鉆孔，將傳感器探頭植入，空隙部位用瀝青填補。

路面溫度測試時，將瀝青混合料路面看作有一定厚度并向深處無限延伸的彈性半空間體。因為空氣為傳熱介質，路表通過空氣與外界發生熱交換，路表在吸收能量后沿深度方向向下傳導溫度。為了更好地模擬夏季高溫環境下路表的溫度情況，制作填充5 cm厚隔溫泡沫的隔溫箱，避免試件與外界的熱交換，并且能直觀地顯示降溫混合料的降溫效果。

2.2降溫效果評價

兩種路面的溫度測試結果見表6。

表6　特征溫度℃

從表6可以看出：路表和路面深度5 cm處降溫混合料的最高溫度均低于普通SMA-13型瀝青混合料，最高相差10.5℃；普通SMA-13型瀝青混合料的日溫差較大，說明普通SMA-13型混合料受溫度影響較大，對混合料的抗老化能力有不利影響；5 cm深度處，普通SMA-13型瀝青混合料的各特征點溫度均高于降溫瀝青混合料，最高為5.7℃。

降溫瀝青混合料因為熱阻材料耐火碎石的加入，當白天太陽照射路面時，阻止了太陽熱量向路面深處傳遞，起到隔溫的作用；當夜晚環境溫度降低時，耐火碎石的存在延緩了路面溫度散失。這樣一方面提高了夜間路面的路表溫度，另一方面降低了白天的路表溫度，對于路面溫度的波動起到一定限制作用，降低了瀝青的感溫作用，從而使瀝青不易老化，瀝青使用壽命增加，保證了瀝青混合料的使用性能。同時，因為熱阻材料的加入，當環境溫度較低時，如夜晚，因為路面溫度在白天得到升高，路面熱量通過對流作用流向周圍環境，熱阻材料的存在使熱量向外傳輸散失的速率降低，進而降低了路面的熱量散失。

3　路用性能評價

3.1水穩定性能評價

目前，中國評價瀝青混合料水穩定性能的常用指標為殘留穩定度，混合料的殘留穩定度越高，表明瀝青混合料的水穩定性能越好，抵抗水損壞的能力越強。一般情況下，當水分進入瀝青混合料時，在分子力作用下，集料會松散脫落，使路表形成坑槽，導致行車舒適性降低，嚴重時會引起道路交通事故。為了深入比較兩種混合料的水穩定性，還引入凍融劈裂強度比作為評價瀝青混合料水穩定性的指標。試驗結果見圖1、圖2。

圖1　兩種瀝青混合料殘留穩定度對比

圖2　兩種瀝青混合料凍融劈裂強度比對比

從圖1、圖2可以看出：普通SMA-13型瀝青混合料的凍融劈裂強度比及殘留穩定度均高于降溫SMA-13型瀝青混合料，說明普通SMA-13型瀝青混合料的抗水損壞能力高于降溫SMA-13型瀝青混合料，熱阻粗、細集料替換普通粗、細集料造成降溫SMA-13型瀝青混合料的水穩定性能降低。但兩種瀝青混合料的路用性能指標相差不大。根據JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》，殘留穩定度不小于80％，凍融劈裂強度比不小于75％，降溫SMA-13型瀝青混合料的水穩定性能滿足規范要求，能確保路用性能。

3.2低溫性能

低溫性能是指混合料在低溫條件下抵抗收縮裂縫的能力。通過勁度模量試驗、彎曲應變試驗、彎拉強度試驗對瀝青混合料的低溫性能進行評價。試驗在MTS萬能試驗機上進行，按規范要求將瀝青混合料首先碾壓成300 mm×300 mm×50 mm車轍板，然后切割成40 mm×40 mm×250 mm小梁，最后在-10℃、加載速率50 mm/min的條件下進行試驗。試驗結果見圖3～5。

圖3　兩種瀝青混合料勁度模量對比

圖4　兩種瀝青混合料彎拉強度對比

由圖3～5可知：降溫SMA-13型瀝青混合料的勁度模量、應變值均較低，普通SMA-13型瀝青混合料的勁度模量、應變值均較高，說明降溫瀝青混合料的低溫性能有所降低，但仍能滿足規范要求，保證路用性能。

圖5　兩種瀝青混合料彎曲應變對比

3.3高溫性能

采用輪轍試驗對瀝青混合料高溫抗車轍性能進行評價。接地壓強為0.7 MPa，溫度60℃，試件重約為10 kg，輪胎直徑為200 mm、寬50 mm，輪壓12個往返使混合料達到馬歇爾密度的100％。試驗結果如下：降溫SMA-13型瀝青混合料的動穩定度比普通SMA-13型瀝青混合料的動穩定度提高23.1％，高溫性能明顯提高。

4　結論

（1）降溫瀝青混合料的降溫性能良好，同樣條件下，降溫瀝青混合料溫度比普通瀝青混合料溫度低7～8℃，路面結構內部溫度降溫瀝青混合料比普通瀝青混合料低5～6℃。

（2）熱阻材料的存在使混合料導熱性能下降，外部熱量難以導入路面內部，從而降低路面溫度。

（3）降溫瀝青混合料的高溫性能提高明顯，水穩定性能因石料的性質有所下降，但仍滿足規范要求；低溫性能與普通瀝青混合料相差不大，符合路用性能要求。

［1］李俊.自調溫瀝青混合料性能研究［D].西安：長安大學，2012.

［2］肖鑫.排水瀝青混合料細觀結構及排水特性研究［D].廣州：華南理工大學，2014.

［3］劉廣英.相變材料在半柔性路面中的應用［D].西安：長安大學，2013.

［4］周啟偉.灌入式保水性瀝青混凝土抗車轍性能及機理分析［J].中外公路，2014，34（2）.

［5］郭建國.透水性路面材料對路面溫度影響的研究［J].中外公路，2014，34（6）.

U416.217

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1671-2668（2016）01-0118-03

2015-07-06