１引言
随着城市规模的不断扩大和人口的不断增多，夏季城市“热岛效应”越来越明显，已经成为影响城市居民正常生活环境的重要因素。城市道路中不断延伸的沥青路面成为各种导致城市热岛现象的根源之一。沥青是一种吸热材料，由于其材料色泽黑、铺筑面积大，这使得它成为城市建筑体系严重的吸热源之一。它对太阳热辐射的吸收率很高，夏季在太阳的持续热辐射作用下，大量热量被沥青路面吸收并在沥青面层中蓄积，造成沥青路面温度高于气温，加剧了城市的“热岛效应”，造成夏季路表温度过高，严重影响了人行和车行的舒适性。目前国内外关于调温沥青混凝土的研究较多，主要是将相变储能材料掺入到沥青混凝土中，使其具有调温、保温效果。马骉等针对相变储能材料研究了其在沥青混凝土路面中调温性能以及对沥青混凝土性能的影响；黄浩等通过将相变储能材料封装在钢管中，铺设在桥面使其发挥冬季桥面防结冰的效果。该文所研究的恒温沥青混凝土是通过向沥青混凝土中掺加相变储能材料和高导热材料，使沥青混凝土具有主动调控沥青路面温度的效果，在高低温交替变化过程中对路面温度变化起到“削峰填谷”的作用，实现路面热量在时间上的转移，提高沥青路面对温度变化的适应能力，缓解由于城市道路引起的“热岛效应”。
２恒温沥青混凝土的调温效果理论
沥青混凝土路面结构处于自然环境之中，经受着各种自然环境因素周期性的影响，构成了沥青路面的光热环境。太阳辐射到达路表时，大部分被路面结构吸收并转变为热量；其余部分通过路表的反射或散射被射回大气中。若路面温度高于气温，地面辐射比大气逆辐射强，地面有效辐射为负值，表示通过地面和大气之间的长波辐射交换，地面损失热量。反之，若地面有效辐射为正值，表示通过地面和大气之间的长波辐射交换，地面是获得热量的。沥青路面的光热环境很复杂，但归纳起来主要有两个方面：①投射到沥青路面的热辐射包括太阳直接辐射、散射辐射、大气逆辐射等；②沥青路面对投射来的热辐射响应包括沥青路面对热辐射的反射、吸收、路面的辐射、对流换热等。在沥青路面光热环境中，太阳辐射与大气辐射的一部分辐射从沥青路表面被反射出去，余下的部分被吸收并转化成热能，这一部分热能与外界的大气温度相叠加，使得沥青路表面温度持续升高，热量到达路面内部并发生热传导。在地表附近，由于空气对流热量被带走，另外的气流又补充其缺口。就这样辐射、传导、对流传热方式就构成了沥青路表面的热交换。在光热环境持续变化的影响下，沥青路表面温度成蓄积状态，随着深度的增加，所对应的最高温度在相位上有一个相对滞后的过程。另外，散热吸热作用沿深度方向递减，路面内部温度场的累计效果随温度增加而越来越明显。从以上分析看出与沥青路表面有关的热量主要有两种：第一是太阳辐射与大气辐射中被沥青路表面反射出去的热量；第二是太阳辐射与大气辐射中被沥青路面吸收并转化的热量，如果忽略第一种情况的热量，在保持第二种情况热量条件下通过提高沥青混凝土路面蓄热储能和热传导性能，可以使沥青混凝土路面内部温度更加均匀分布，内部温度差异变小，达到调节沥青混凝土路面表面温度的效果。该文通过研究提高沥青混凝土的蓄热储能效果和热传导性能实现沥青混凝土的调温效果，提高沥青混凝土路面对温度变化的适应能力。
２．１恒温沥青混凝土的蓄热储能理论
为了提高沥青混凝土路面自身的蓄热储能效果，利用界面聚合法制备了微胶囊相变储能材料。当微胶囊相变储能材料周围环境温度高于相变温度时，芯材发生固液相变，吸收周围环境的热量将能量储存起来；当周围环境温度低于相变温度时，芯材发生液固相变释放热量，随着周围环境温度的变化相变储能材料可以循环反复使用。在整个相变过程中，芯材温度几乎不发生改变。将微胶囊相变储能材料掺入沥青混凝土路面中，当沥青混凝土路面内部温度高于微胶囊相变储能材料的相变温度时，相变储能材料发生固－液相变，吸收热量并将热量储存起来，减少微胶囊相变储能材料颗粒周围的热量，温度降低。当沥青混凝土路面内部温度低于微胶囊相变储能材料的相变温度时，相变储能材料发生液－固相变，释放热量，增大微胶囊相变储能材料颗粒周围的热量，温度升高。通过以上的相变达到调节沥青混凝土内部温度的效果。
２．２恒温沥青混凝土的热传导理论
热传导是温度不同的物质直接接触时所发生的能量传递现象，是物质内部微观粒子相互碰撞的结果。对于液体和气体，热量的传递通过液体或气体分子、原子之间相互作用、相互碰撞实现。对于无机非金属材料，热量的传递通过材料内部晶格的振动，晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子称为声子，因此无机非金属材料的热量传递是通过声子的相互作用来实现的。
３恒温沥青混凝土的室内模拟试验
为了研究恒温沥青混凝土的调温效果，在室内模拟外部环境温度测试掺与不掺自动调温材料的沥青混凝土试件升温过程的温度变化，分析评价恒温沥青混凝土在升温过程中的调温效果。
３．１试验原材料
试验混合料类型采用ＡＣ－１３型沥青混合料，自动调温材料采用干拌法，利用击实法成型马歇尔试件。（１）沥青。ＳＢＳ改性７０＃沥青，其技术指标测试结果满足相关规范要求。（２）粗集料。粗集料采用石灰岩集料，经试验测定其技术指标符合ＪＴＧＦ４０－２００４《公路沥青路面施工技术规范》要求。其筛分结果如表１所示。（３）细集料。项目所用细集料采用石灰岩，经试验测定其技术指标符合ＪＴＧＦ４０－２００４《公路沥青路面施工技术规范》要求。（４）填料。项目采用填料为陕西产石灰岩磨细矿粉，经试验测定其技术指标符合ＪＴＧＦ４０－２００４《公路沥青路面施工技术规范》要求，具体如表２所示。（５）自动调温材料。试验中所采用的自动调温材料是由微胶囊相变储能材料和高导热粉组成，组成比例１∶１。其中微胶囊相变储能材料采用利用界面聚合法自制的以月桂酸为囊芯，聚氨酯为壁材的微胶囊，相变温度为４２．１℃，相变潜热为１０４．６ｋＪ／ｇ。采用的导热材料为高导热粉，其性能参数如表３所示。
３．２试验仪器
在室内模拟试验过程中，采用的试验仪器主要有：沥青混合料拌和机；马歇尔试件击实仪；恒温真空干燥箱；智能温度记录仪；自制环境温度模拟试验箱。研究过程中为了模拟室外环境温度，自制了环境温度模拟试验箱，试验箱中采用灯泡作为辐射光源，为了提高试验的准确性将试件周围用保温棉包裹，防止温度散失。同时，为了使试验箱中的温度与外界环境保持一致，固定了灯泡与试件之间的距离。
３．３试件的制备
采用击实法成型马歇尔试件后，对成型好的马歇尔试件侧部钻孔，钻孔位置离试件表面和底部各１ｃｍ。测试时将温度探头埋入孔中，测试沥青混凝土试件内部温度的变化。
３．４试验步骤
（１）按照ＪＴＪ０５２－２０００《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》Ｔ０７０３采用击实法成型马歇尔试件（试件尺寸为１０１．６ｍｍ×６３．５ｍｍ），对马歇尔试件侧部距离马歇尔试件表面和底部各１ｃｍ处打孔，孔深以温度探头长度为准。（２）将成型好的马歇尔试件表面利用乳化沥青进行处理，使得各个试件表面状况一致。（３）将处理好的马歇尔试件置于２０℃的恒温真空干燥箱２４ｈ，使不同的马歇尔试件内部温度保持一致。（４）将马歇尔试件从恒温真空干燥箱中取出，放入自制的环境温度模拟试验箱中，插入温度探头，打开智能温度记录仪和辐射光源。（５）当温度记录仪显示温度升高至８０℃时，关闭试验箱中的辐射光源和智能温度记录仪，进行试验数据分析。
３．５试验结果分析
分别成型了自动调温材料掺量为０、０．１％、０．５％和１％的马歇尔试件，在室内进行马歇尔试件升温试验，具体试验结果如图１所示。从图１可以看出：（１）自动调温材料掺量不同，马歇尔试件表面１ｃｍ处和马歇尔试件底部１ｃｍ处的升温速率不同。与不掺自动调温材料的马歇尔试件相比，掺有自动调温材料的马歇尔试件表面和底部１ｃｍ处的升温速率逐渐减小。（２）当自动调温材料掺量为０．１％时，马歇尔试件表面和底部１ｃｍ处的升温曲线与不掺自动调温材料重合，由此可以看出当自动调温材料掺量较少时，其调温效果较差。（３）当自动调温材料掺量为０．５％时，马歇尔试件表面１ｃｍ处的升温曲线低于不掺自动调温材料的升温曲线，马歇尔试件底部１ｃｍ处的升温曲线高于不掺自动调温材料的升温曲线，同一时间点温度相差１～２℃。由此可以看出自动调温材料在马歇尔试件内部发挥了蓄热储能及热传导的作用，具有一定的调温效果。（４）当自动调温材料掺量为１％时，马歇尔试件表面１ｃｍ处的升温曲线低于不掺自动调温材料的升温曲线，同一时间点温度相差３～４℃。同时，掺有自动调温材料的试件表面１ｃｍ处温度与不掺自动调温材料的试件的温度差从４０℃开始变大，由于自动调温材料中的高导热粉提高试件内部的热传导性能，当温度为４０℃左右时微胶囊相变储能材料开始发生相变，吸收热量，降低了马歇尔试件表面１ｃｍ处的温度。
４恒温沥青混凝土的室外模拟试验
４．１试验步骤
（１）按照ＪＴＪ０５２－２０００《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》Ｔ０７０３采用击实法成型马歇尔试件（试件尺寸为１０１．６ｍｍ×６３．５ｍｍ），对成型好的马歇尔试件侧部距离马歇尔试件表面和底部各１ｃｍ处钻孔，孔深以智能温度记录仪的温度探头长度为准。（２）将成型好的马歇尔试件表面进行处理，处理方法与上文相同。（３）将处理好的马歇尔试件置于２０℃的恒温真空干燥箱２４ｈ，使马歇尔试件内部温度保持一致。（４）在室外选择一处阳光充足的地方，马歇尔试件内部放入温度探头后将马歇尔试件埋入土中，只露出试件表面，如图２所示。整平、压实试件周围的土并打开温度记录仪，开始进行试验。（５）温度降低时关掉智能温度记录仪，结束试验。
４．２试验结果分析
将成型好的自动调温材料掺量分别为０、０．１％、０．５％和１％的马歇尔试件，利用试验仪器按照上述试验步骤进行室外模拟试验，具体试验结果如图３所示。由图３可以看出：（１）掺有自动调温材料的试件表面１ｃｍ处的升温曲线低于不掺自动调温材料的试件表面１ｃｍ处的曲线，试件底部１ｃｍ处的升温曲线高于不掺自动调温材料的，试件内部温度差异减小。随着自动调温材料掺量的增多，由于自动调温材料充分发挥蓄热储能和热传导的作用，试件表面１ｃｍ处的升温速率逐渐减小，试件底部１ｃｍ处的升温曲线速率逐渐增大。（２）掺有０．１％自动调温材料的试件表面１ｃｍ处的升温曲线与不掺自动调温材料的升温曲线基本重合，说明由于自动调温材料掺量较小，调温效果不明显，但是试件底部１ｃｍ处的升温速率高于不掺自动调温材料的，说明自动调温材料改善了沥青混凝土的内部传热。（３）掺有０．５％自动调温材料的试件表面１ｃｍ处的升温速率低于不掺自动调温材料的，试件底部１ｃｍ处的升温速率高于不掺自动调温材料的，同一时间点试件表面１ｃｍ处的最大温差为１～２℃，这与室内试验结果基本吻合，试件底部１ｃｍ处的最大温差约为３℃。可以看出当掺量为０．５％时，自动调温材料充分发挥了其蓄热储能效果和热传导效果。（４）掺有１％自动调温材料的试件表面１ｃｍ处的升温速率明显变小，低于不掺自动调温材料值，试件底部１ｃｍ处的升温速率明显变大，高于不掺自动调温材料值。同一时间点试件表面１ｃｍ处的温差为２～３℃，试件底部１ｃｍ处的最大温度差约为６℃。可以看出掺有１％自动调温材料的试件具有较好的调温效果，可调节的温度为±４℃。当试件内部温度升高至４２℃左右时微胶囊相变材料开始发生相变，吸收热量，降低了试件内部温度。同时，高导热粉通过提高试件内部的热传导性能，使试件内部温差减小，从而达到降低温度，调节试件温度的效果。
５结论
通过对恒温沥青混凝土调温效果的理论分析，对所成型的马歇尔试件进行了室内和室外的模拟试验，分析研究恒温沥青混凝土的调温效果，得出以下结论：（１）通过室内模拟试验发现自动调温材料掺量不同，调温效果不同。自动调温材料掺量为０．１％时，调温效果较差；掺量为０．５％时，试件内部温差较小，与不掺自动调温材料的试件相比同一时间点温度相差１～２℃；掺量为１％时，与不掺自动调温材料的试件相比同一时间点温度相差３～４℃。（２）通过室外模拟试验发现随着自动调温材料掺量的增加恒温沥青混凝土的调温效果逐渐增强，当自动调温材料掺量为０．１％时，调温效果不明显；掺量为０．５％时，与不掺自动调温材料的试件相比同一时间点温度相差１～２℃；掺量为１％时，与不掺自动调温材料的试件相比，同一时间点温度差为２～３℃，具有较好的调温效果，可调节的温度为±４℃。
作者：王争军 王晓路 向豪 单位：中交第一公路勘察设计研究院有限公司
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