熱物理性質對多孔水泥混凝土溫度的作用分析

李洋洋

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司天津分公司，天津市 300202]

0 引言

多孔水泥混凝土也稱為透水水泥混凝土，是由水、水泥、粗集料和外加劑按一定比例拌合并成型的多孔材料，其孔隙率范圍大約為15%～25%[1]。多孔水泥混凝土由于具有透氣、透水和一定的抗滑降噪功能[2-6]，得到了廣泛的研究與應用。

路面溫度在外界環境作用下會發生周期性的變化，路面材料本身的熱物理性質對路面溫度的變化有重要影響。Qin 等[7]的研究表明，使用透水路面增大表面反射率、增加蒸發量可以增強涼爽路面的作用。Liv Haselbach 等[8]和Zhang 等[9]研究表明，多孔水泥混凝土表面粗糙，其反射率比普通水泥混凝土路面低，進而能夠吸收更多的太陽輻射。Li 等[10]研究發現，路面表面的反射率對表面溫度具有重大影響，在夏季，白天增加反射率可以顯著地降低路面表面溫度。Rosenfeld 等[11]發現路表的反射率從0.05增加到0.30 將會使當地空氣溫度降低0.6℃。Abdushafi Hassn 等[12]對不同空隙率的瀝青混凝土板表面和底面溫度進行分析發現，穩定狀態下，瀝青混凝土板的表面和底面溫度均隨空隙率增加而增高，不同空隙率的瀝青混凝土板隨著空隙率增加，其最高溫度逐漸增加。目前，針對多孔水泥混凝土路面的溫度變化特征的研究有限，仍需進一步研究。

多孔水泥混凝土中15%～25%的空隙使其具有更小的密度，并具備良好的透水性能。當用作路面材料時，多孔水泥混凝土材料粗糙的表面、聯通的內部孔隙使其反射率、輻射率和導熱系數等熱物理性質與普通水泥混凝土存在顯著差異。本文通過試驗及計算，分析了熱物理性質對多孔水泥混凝土溫度的作用。研究結果有利于進一步深入認識多孔水泥混凝土的熱物理性質對其溫度的影響規律。

1 材料與方法

1.1 材料熱物理參數

本研究中制作了6 種混凝土試件，包括1 種普通水泥混凝土和5 種多孔水泥混凝土。5 種多孔水泥混凝土均采用單一粒徑集料制作。試件尺寸為30 cm×30 cm×15 cm，試驗混凝土的類型及其熱物理參數見表1。

表1 混凝土熱物理參數

1.2 混凝土溫度監測

路面溫度在外界環境綜合作用下發生變化，多孔水泥混凝土中含有大量的空隙，溫度變化狀況與普通水泥混凝土有很大區別。為掌握其規律，將測試上述混凝土試件表面、內部（表面以下5 cm 和10 cm）、底部溫度變化情況。試驗中，在自然土壤上挖出長度、寬度和深度分別為30 cm、30 cm、15 cm 的坑槽，壓實底部土壤后填入15 cm 級配碎石，將其壓實作為基層，然后將上述試件放置在級配碎石層上形成路面結構，如圖1 所示。

圖1 混凝土溫度監測體系：路面結構示意圖

對于試件，以表面為起點，分別在表面（記為：0點）、表面下5 cm（記為：-5 點）、表面下10 cm（記為-10 點）和底面（記為-15 點）埋設4 個PT100 熱電阻溫度傳感器（-200～200℃，精度0.1℃），用于監測試件不同部位的溫度。數據采集采用加拿大Datataker 公司生產的DT85G 數據采集儀，每15 min采集記錄一次。為了避免周圍空氣對測試結果的影響，每個試件的周圍用泡沫塑料板緊密包裹。小型氣象站放置于試件附近以采集氣象數據。試驗現場如圖2 所示。

圖2 混凝土溫度監測體系：試驗現場

1.3 分析方法

路面的各種熱物理性質對路面溫度有不同程度的影響，因此有必要理解這些熱物理性質的相對重要性。然而這些熱物理性質具有不同的量綱和范圍，無法直接比較，本文參考Jooseng（Gavin）Gui[13]的方法比較路面材料熱物理性質作用的大小。

（1）單一的路面材料熱物理性質與路面表面、表面以下5 cm、表面以下10 cm、底面的最高（低）溫度的擬合關系。

（2）將這些熱物理性質作無量綱化處理，如公式（1）所示：

式中：?Tmax，min/?（property）表示在某一熱物理性質下最高（低）溫度的變化，即擬合關系的斜率；Tref（max，min）表示參考溫度，即與初始熱物理性質值對應的最高（低）溫度值；Δ（property）表示熱物理性質的范圍。

（3）無量綱化值越?。ê摂担?，表示該物理性質作用越顯著。

2 結果與討論

圖3 反映了多孔水泥混凝土路面材料熱物理性質對路面溫度的不同影響程度?？梢钥吹?，對路表最高溫度的降低影響最大的是反射率，接著依次是導熱系數、比熱容、輻射率。對表面以下5 cm 最高溫度的降低影響最大的是輻射率，接著依次是導熱系數、比熱容、反射率。對表面以下10 cm 最高溫度的降低影響最大的是輻射率，接著依次是反射率、導熱系數、比熱容。對路面底面最高溫度的降低影響最大的是比熱容，接著依次是輻射率、導熱系數、反射率。

圖3 熱物理性質對路面最高溫度的作用

由圖4 可以看到，對多孔水泥混凝土路表最低溫度影響的降低最大的是輻射率，接著依次是導熱系數、比熱容、反射率。對于表面以下5 cm 最低溫度的降低影響最大的是輻射率，接著依次是導熱系數、反射率、比熱容。對于表面以下10 cm 最低溫度的降低影響最大的是輻射率，接著依次是導熱系數、比熱容、反射率。對于路面底面最低溫度的降低影響最大的是輻射率，接著依次是導熱系數、比熱容、反射率。

圖4 熱物理性質對路面最低溫度的作用

就路面表面溫度而言，反射率和輻射率均對路面溫度的降低有積極作用。當然，這種作用對最高和最低溫度是不同的。反射率對路面最高溫度的影響要大于對最低溫度的影響。而輻射率對路面最低溫度的影響要大于對最高溫度的影響。對于路面內部溫度，輻射率對路面最高溫度和最低溫度下降的影響最大。

3 結論

本文通過試驗和計算分析得到以下結論：

（1）反射率對多孔水泥混凝土路面表面最高溫度的降低有最大的積極作用。

（2）輻射率對多孔水泥混凝土路面表面最低溫度的降低有最大的積極作用。

（3）輻射率對多孔水泥混凝土路面內部最高溫度和最低溫度的下降影響最大。

（4）相同條件下，增大多孔水泥混凝土路面的反射率和輻射率，可降低其表面和內部的溫度。