透水鋪裝結(jié)構(gòu)對局地溫濕度影響的實驗研究

魏繼合

摘 要：與非透水性鋪裝相比，透水鋪裝能有效改善城市濕熱環(huán)境，為研究透水鋪裝結(jié)構(gòu)對局地溫濕度變化規(guī)律的影響，搭建了可以改變試驗條件并能夠長期監(jiān)測透水鋪裝結(jié)構(gòu)的試驗臺。在人工模擬降雨、人工控溫等試驗條件下，收集透水鋪裝結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部的溫度和體積含水率數(shù)據(jù)，研究透水鋪裝結(jié)構(gòu)對局地溫濕度變化規(guī)律的影響。

關(guān)鍵詞：透水鋪裝結(jié)構(gòu) 局地溫濕度 模擬 溫度 體積含水率

中圖分類號：TU993.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0077-02

傳統(tǒng)的城市道路面層材料具有明顯的不透水性。隨著城市化進(jìn)程的加快，不透水人工表面比例越來越大。不透水路面對城市氣候的形成影響極大。通過遙感分析等技術(shù)手段已清楚地發(fā)現(xiàn)不透水鋪裝系統(tǒng)與城市高溫化和熱島效應(yīng)有強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)系。

1 透水鋪裝結(jié)構(gòu)試驗裝置及條件介紹

1.1 透水鋪裝結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計及試驗臺的搭建

根據(jù)目前主要應(yīng)用的透水路面形式確定該試驗的透水鋪裝結(jié)構(gòu)形式。整個透水鋪裝結(jié)構(gòu)各層總厚度為40 cm，試樣從上到下依次為：5 cm透水瀝青混凝土層、25 cm碎石層和10 cm土壤層。將各種材料按照圖1所示的形式依次裝入一個隔熱隔濕的試驗箱內(nèi)。試驗箱箱體由內(nèi)外雙層的PVC板制成，可以有效隔絕試驗箱內(nèi)試樣與外界溫度與水分的交換。為了測得透水鋪裝試樣表面和內(nèi)部溫度和體積含水率的變化情況，按照試樣的各層的結(jié)構(gòu)形式布設(shè)傳感器，最后安裝好透水性瀝青混凝土試件后在試件與箱體的縫隙填充好發(fā)泡膠，防止降雨時雨水從試件四周縫隙流入下層。

1.2 試驗條件的研究與確定

該文的主要研究手段是通過室內(nèi)模擬氣象因素等試驗條件的方法實現(xiàn)對小尺度室內(nèi)透水鋪裝結(jié)構(gòu)試驗臺內(nèi)部溫濕度的變化情況的監(jiān)測。進(jìn)行模擬的試驗條件主要是降雨強(qiáng)度和氣溫。通過查閱文獻(xiàn)和實際測量等方法，確定模擬氣象條件的標(biāo)準(zhǔn)。

（1）降水強(qiáng)度的確定：根據(jù)透水性鋪裝系統(tǒng)試驗箱的截面面積，計算不同降雨強(qiáng)度下所需的降雨量。以模擬降小雨為例，小雨的最大小時雨量為2.5 mm，試驗箱橫截面面積為0.09 m2，計算出模擬小雨應(yīng)量取的水量為225 mL。

（2）試驗溫度的確定：根據(jù)夏季瀝青路面所處的實際環(huán)境，該文利用控溫室控制氣溫為30 ℃。

2 試驗結(jié)果及分析

該文在控溫及模擬暴雨強(qiáng)度的試驗條件下研究試驗臺試樣表面及內(nèi)部溫濕度變化的基本規(guī)律，得出不同試驗條件下，透水鋪裝試樣對局地溫濕度的影響。

圖2和圖3分別為控溫條件下試驗臺面層試件級配類型為OGFC和SMA時，試驗臺試樣表面和內(nèi)部溫度變化關(guān)系圖。

由圖2可知，對于瀝青試件表面：當(dāng)控溫進(jìn)行到約30 min時，試驗臺試件表面達(dá)到了最大溫度且保持最高溫度不變；到第80 min開始降雨時，試件表面的溫度急劇下降；降雨結(jié)束后由于控溫仍在繼續(xù)，表面溫度開始快速回升；到第150 min結(jié)束控溫后，試件表面溫度又開始緩慢下降。

對于試樣各層的溫度：測試后期試件表面處溫度緩慢降低而其他各層溫度緩慢升高，是因為水分從溫度較高的面層向溫度較低的碎石層和土層遷移時，與透水面層、碎石和土壤發(fā)生了熱交換，使面層溫度降低而碎石層和土層的溫度升高。

由圖3可知，SMA試件搭建的試驗臺各層溫度變化趨勢與OGFC相似，但其各層溫度變化幅度均小于OGFC。由于SMA試件是密實結(jié)構(gòu)，降雨過后表層的水分無法透過表面試件滲入下方而發(fā)生熱傳遞，因此試件表面溫度最終保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，表面下各層的溫度變化幅度也比OGFC要小。

對于試件表面溫度：OGFC試件比SMA試件溫度敏感性更強(qiáng)。在同樣的控溫條件下，OGFC試件表面溫度能比SMA試件達(dá)到更高的溫度；OGFC試件表面因降雨造成溫度下降12.1 ℃，SMA試件表面溫度下降9.1 ℃；降雨結(jié)束后由于控溫仍在進(jìn)行，OGFC和SMA試件表面溫度相對于降雨剛結(jié)束分別升高7.3 ℃和5.2 ℃；而在測試后期，OGFC表面溫度一直緩慢下降，SMA表面溫度先緩慢上升最后達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

由于OGFC試件空隙率較大，在外界溫度較高時，熱量可以通過孔隙使試件比較均勻的受熱，造成整體溫度上升較快且短時間內(nèi)溫度升高較多，而SMA僅有試件的表面與外界空氣相互作用，因此升溫比較緩慢，短時間內(nèi)溫度升高較少；在降雨時，溫度較低的雨水與溫度較高的試件發(fā)生熱傳遞使試件表面溫度降低，雨水可以從OGFC試件的孔隙中滲入下層帶走大量熱量，而SMA試件沒有這種現(xiàn)象，因此降雨時OGFC試件表面比SMA降溫更多；在測試后期，OGFC由于試件內(nèi)部和下層含有大量水分，水分可以通過孔隙蒸發(fā)繼續(xù)降低試件表面溫度，而SMA試件空隙率較低，降雨時雨水在試件表面形成徑流排走，在后期無法通過蒸發(fā)降低溫度。

比較由OGFC試件和SMA試件搭建的試驗臺各層溫度變化可以發(fā)現(xiàn)：降雨結(jié)束后OGFC各層的平均溫度均低于SMA各層溫度，從控溫達(dá)到最高溫度經(jīng)過降雨直到測試結(jié)束，OGFC和SMA試件表面溫度分別降低6.9 ℃和4.2 ℃，說明在控溫試驗條件下OGFC相對于SMA在降雨后能降低更多的溫度。通過雨水與試樣內(nèi)部材料的熱傳遞將熱量從表面轉(zhuǎn)移到了下層；而由于透水表面（OGFC）比不透水表面（SMA）對外界溫度變化更敏感，在外界溫度較高時，透水路面因大部分熱量被面層吸收，故面層下方的平均溫度比不透水路面面層下方的平均溫度要低。

圖4為控溫條件下面層試件為OGFC時，試驗臺表面和內(nèi)部體積含水率變化關(guān)系圖。

由圖4可知，隨著模擬降雨的開始，除距離試件表面35 cm處試樣，其他各層體積含水率的變化趨勢相同：在降雨開始后急劇增長，降雨結(jié)束后又較快降低后最終達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的體積含水率均比降雨前要高。距離試件表面35 cm處的體積含水率在降雨開始后快速增長并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。OGFC試件表面的體積含水率在測試第83 min（降雨開始3 min）達(dá)到峰值0.295，然后快速降低；距離表面5 cm、15 cm和25 cm處的體積含水率分別在第87、88和91 min達(dá)到峰值。

3 結(jié)語

該文研究了在模擬降暴雨時，透水鋪裝試樣在室內(nèi)控溫的條件下表面與內(nèi)部溫度和體積含水率的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：（1）透水路面（OGFC）比不透水路面（SMA）對外界溫度變化更敏感。測試前期在相同的高溫環(huán)境中，透水面層能比不透水面層達(dá)到更高的溫度；在降雨后，由于雨水與面層試件發(fā)生熱傳遞，透水試件能比不透水試件降低更多的溫度，而帶有大量來自面層熱量的水分進(jìn)入下面各層時再次與碎石和土壤發(fā)生熱交換，使下方各層的溫度升高。（2）降雨結(jié)束后OGFC各層的平均溫度均低于SMA各層溫度，從控溫達(dá)到最高溫度經(jīng)過降雨直到測試結(jié)束OGFC和SMA試件表面溫度分別降低6.9 ℃和4.2 ℃，說明在控溫試驗條件下OGFC相對于SMA在降雨后能降低更多的溫度。

參考文獻(xiàn)

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