彩色保水半柔性路面降温性能灰度关联分析

杨 明,丘金兴,赵干顺,卢孙泉

(1.广西北投公路建设投资集团有限公司,广西 南宁 530025;2.广西交通投资集团河池高速公路运营有限公司,广西 河池 547000;3.广西交通投资集团崇左高速公路运营有限公司,广西 崇左 532200)

0 引言

我国城市道路大部分以沥青混凝土与水泥混凝土为主,这两种道路原本的颜色较为单调,无法很好地与人们生活中的各种环境相协调并且提供额外的使用性能。而彩色路面在引导交通、美化环境,缓解驾驶疲劳方面都能起到良好的作用。在一些照明情况不好的路段,通过铺筑彩色路面还可以提高路面识认性[1],路面通过不同的颜色来代表不同功能的车道,划分行驶车辆,驾驶员看到道路颜色更加注意,增加了行车安全[2]。除此之外,对于黑色沥青路面,因为对光的低反射率会造成大量太阳辐射被其吸收,导致道路蓄热量增加,从而加剧城市热岛效应[3-4]。彩色路面相较于黑色沥青路面,能更好地反射紫外线,减少吸热,有利于缓解城市热岛效应。国内外对半柔性路面、保水路面以及彩色路面的力学性能、高温稳定性及使用寿命等都拥有一定的研究历史和许多研究成果[5-6],但对于彩色保水半柔性路面降温性能评价还鲜有研究。

1 试验方法

1.1 试验仪器

本研究采用散光型电子灯模拟太阳光照射,结合路面保水蒸发与降温特点进行试验。光照模拟灯采用220 V 、300 W紫外线加热灯。试验采用300 mm×300 mm×50 mm的车辙板作为试件,通过在试块中心点打约2 cm小孔并插入测温探头,与测温仪相连,确保试件之间温度误差≤1 ℃。试验过程中,通过数显测温仪对试件温度进行监测和记录,并模拟洒水与降水的降温方式,最终得出彩色保水半柔性路面的降温情况。

1.2 试验材料与装置

在两个试验中采用的主要材料与装置如下:

(1)试件:原材的选用和试件的制作工艺参考文献[7-8]所给出方法并满足规范要求,保水砂浆配合比为水∶水泥∶砂∶矿渣∶硅藻土∶矿粉=55∶50∶25∶6∶4∶12,着色剂掺量为1%,沥青用量为2.6%,无极氧化铁色粉掺量为1%。根据《沥青混合料车辙试验》(T0719-2011)制作300 mm×300 mm×50 mm的车辙板,普通沥青试件为AC-13沥青混合料车辙板,保水试件与彩色保水试件分别是在车辙板中灌注保水胶浆与彩色保水胶浆而成。

(2)测温仪:诚枫牌数显测温仪,外形尺寸为直径150 mm、高40 mm,测温范围为-50 ℃～200 ℃,误差<1 ℃。测温形式为小型探头测温。

(3)加热设备:紫外线加热灯泡作为主要加热源,采用欧司朗紫外线加热灯泡,紫外线加热灯泡的技术指标见表1。

表1 紫外线灯的技术指标表

2 路面降温性能评价

2.1 路面洒水条件下

路面洒水降温是我国常用的给路面降温的方式[9],以洒水量为变量,设计洒水100 mL与200 mL两组试验[10]。打开加热灯,每10 min左右记录一次试块温度数据。当试件温度达到60 ℃后,给每个试件表面均匀洒上100 mL的水,然后继续对试块温度进行记录。本次试验对象为普通沥青试块、保水半柔性试块和彩色保水试块。得到试验结果见图1～2。

图1 洒水100 mL试块温度曲线图

图2 洒水200 mL试块温度曲线图

2.1.1 水分蒸发模型

试验结果通过建立水分蒸发模型进行分析。对于水分蒸发量,对其造成影响的因素有日照强度、相对湿度、风速和水汽压差等[11]。在本次室内试验中,不考虑这些影响因素,只采用水分蒸发量模型及方法进行计算。

水分蒸发量计算公式[12]为:

(1)

式中:E0——水分蒸发量;

H0——蒸发量单位的辐射平衡;

Δ——饱和水气压-温度曲线斜率;

γ——干燥表常数;

Ea——干燥力参数。

而蒸发量的辐射平衡计算公式为:

H0= (1-α)Q-B1

(2)

式中:α——反射率;

Q——日照总辐射;

Bl——有效辐射。

把式(1)代入式(2),可以得出:

(3)

不同试块的蒸发量分别为E1、E2,通过式(3)比较保水试块和普通试块经过洒水之后各自水分蒸发量大小。其比较过程为:

E1-E2=Δ(α2-α1)QΔ+γ

(4)

由式(4)可得蒸发量的大小取决于α2、α1的大小,也就是反射率的大小,材料反射率越大,蒸发量越小。

2.1.2 试验结果分析

根据图1～2的数据,可以得知普通沥青路面试块在从26.5 ℃升温到60 ℃的过程中,耗时约60 min。相比之下,保水试块需要约150 min的时间升温,而彩色保水试块则需要约190 min的时间升温。普通沥青试块因为表面被沥青包裹,外观为黑色,反射率低,能够吸收更多的热量,所以在紫外线加热灯的照射下升温较快。相比之下,保水试块在注入保水砂浆后呈灰色,表面反射率高,因此升温速度较慢。而彩色保水试块则因为彩色砂浆的填充和包裹,表面反射率最高。

在降温阶段,当普通沥青试块、保水半柔性试块和彩色保水半柔性试块的温度达到60 ℃时,对其分别进行洒水。根据表2数据,可以看出彩色保水试块、保水试块和普通试块的温度都开始下降。

表2 不同洒水量试块降温情况表

由表2试验结果显示,普通沥青试块洒水100 mL时能快速降到48.8 ℃,降温用时为17 min;洒水200 mL时,温度降到47.6 ℃,用时12 min。保水试块则表现为缓慢下降,洒水100 mL时最终温度降到50.7 ℃,降幅为9.3 ℃,用时35 min;洒水200 mL时最终温度为50.4 ℃,降幅为9.6 ℃,降温时间为24 min。彩色保水试块的降温时间最长,洒水100 mL时彩色保水试块下降至50.5 ℃,降幅为9.5 ℃,用时为45 min;洒水200 mL时彩色保水试块下降至50.3 ℃,降幅为9.7 ℃,用时为33 min。普通沥青试块的温度降幅最小,降温速度最快,而保水试块的温度下降较为缓慢,彩色保水试块的降温时间最长。根据蒸发量模型[12],因为反射率α3>α2>α1,所以蒸发量E1

2.2 自然降雨温度条件下

2.2.1 流速模拟试验

在本次试验中,采用花洒模拟自然降雨,将降水量进行换算得出雨水流速为32 mL/s,以此模仿雨水对路面的冲击渗透。为了调整流速,使用花洒和烧杯进行试验前的流速调整。试验分别对普通沥青试块、保水半柔性试块和彩色保水半柔性试块进行浇水,设置了1 h、2 h和3 h的浇水时间。浇水结束后,用加热灯加热试块,并通过测温仪监测和记录数据。试验结果见下页图3～5。

图3 洒水1 h后灯照加热温度变化曲线图

图4 洒水2 h后灯照加热温度变化曲线图

图5 洒水3 h后灯照加热温度变化曲线图

2.2.2 试验结果分析

模拟降雨1 h、2 h和3 h情况下,彩色保水半柔性试块升温至60 ℃的时间均长于普通沥青路面与保水半柔性试块,平均时长分别增加了160 min与33 min。在试块加水后,各试块表面水分较多,通过表面水进行散热,温度升高的速度较缓慢。随着表面水的蒸发,普通沥青试块内部水分较少,散热能力差,且吸热能力强,因此开始迅速升温直到60 ℃。保水试块由于其吸水材料能够吸收储存水分,因此在表面水蒸发完之后仍有短时间的快速升温,之后通过蒸发内部水分进行散热,持续缓慢升温直到60 ℃左右。彩色保水路面因为其折射率高,对光的吸收较少,吸收的热量也少,需要蒸发的水分较少,因此在吸收水量差不多的情况下,其升温时间能比保水路面更长。

普通沥青路面降水时间越长,升温速度可以减缓,但效果不明显。保水半柔性路面由于内部有吸水材料,降水时间与吸水效果相关,升温速度较慢,处于较低温下的时间长。彩色保水半柔性路面升温趋势与保水半柔性路面大致相同,但升温时间更长。

2.3 降温效果的灰色关联分析

2.3.1 灰色关联分析法

(1)设系统的因变量为参考序列y0、自变量为比较序列yi(i=1,2,3,…,n),且y0{y0(j) } ,j=1,2,3, …,m,均为正相关因素。

(2)变量序列的无量纲化。通过 “中心化”“极差化”“极大化”“极小化”“均值化” “初值化”处理办法. 对各序列的原始数据进行无量纲化处理,本次灰色关联分析采用“中心化”处理方法,公式为:

(5)

(3)原始数据无量纲化处理后,x0与xi(i=1,2 ,3, …,n)在j点的关联系数为:

(6)

(4)关联系数计算如下:

(7)

2.3.2 数据处理分析

降温效果以初始温度升至60 ℃的升温时间作为评价标准,将母体混合料空隙率、保水胶浆保水率、洒水量与降水时间为自变量进行试验,得到的升温时间为因变量,然后对空隙率、保水率、洒水量和降水量与升温时间之间进行灰色关联分析计算。试验原始数据见表3。

表3 试验原始数据表

然后将试验数据依次带入式(5)和式(6)中进行“中心化”和无量纲化处理计算,计算得出的关联系数见表4。

表4 关联系数表

3 结语

本文通过模拟人工洒水与自然降水进行了室内试验,分析了不同试验方式下普通沥青路面、保水半柔性路面和彩色保水半柔性路面的降温情况。在洒水试验中,通过建立水分蒸发模型分析了数据;在降水试验中,采用横纵向对比的方式进行了分析。同时,本研究还通过灰色关联分析计算了各影响因素的关联度,得到了以下结论:

(1)彩色保水半柔性材料从26.5 ℃升温至60 ℃所用时间为190 min,高于普通保水半柔性试块的150 min和普通沥青试块的60 min。

(2)在高温情况下洒水,洒水量100 mL时的降温幅度为9.6 ℃,升温时间为117 min;洒水200 mL时的降温幅度为9.5 ℃,升温时间为152 min。短时间内彩色保水半柔性材料的蒸发量较少,所以其降温速度较慢,因为其能够储存水分,故升温速度也较慢。在高温来临之前对彩色保水半柔性路面洒水是比较好的选择。

(3)模拟降雨1 h、2 h和3 h情况下,彩色保水半柔性试块升温至60 ℃的时间均长于普通沥青路面和保水半柔性试块,平均时长分别增加了160 min和33 min。

(4)各影响因素对升温时间的关联度排序为降水时间>保水胶浆保水率>洒水量>混合料空隙率。