基于单向导热的缓解城市热岛效应的沥青路面结构

摘要

基于单向导热的缓解城市热岛效应的沥青路面结构涉及一种通过降低城市沥青路面的温度，从而缓解城市“热岛效应”的沥青路面结构，该路面结构层是由两到多层结构组成的具有梯度热导率结构的路面层，其中，外表面层的热导率低于内层的热导率。所述的路面层是由热导率为10～30W/m·k第一微纳米粉体(1)改性的上面层(4)，热导率为50～90W/m·k第二微纳米粉体(2)改性的中面层(5)，以及热导率为100～140W/m·k第三微纳米粉体(3)改性的下面层(6)组成的具有梯度热导率结构的路面层。本发明结构简单、施工方便、造价低廉，可应用于城市沥青路面的养护或建设过程，以缓解城市热岛效应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减缓城市“热岛效应”的沥青路面结构，可有效降低沥青路面的温度，减少夏季城市空调耗电量，缓解城市供电压力，适合于城市道路的“凉爽路面”建设需求。

背景技术

由于沥青路面具有较小的反照率(0.05～0.15)和较大的热容(0.85～1.09J/Kg·K)，因此，它极易在夏季白天积聚热量，产生更高的路面温度；而在晚间，沥青路面又以红外辐射方式将所积蓄的大量热量释放到近地表的空气中，是形成城市“热岛效应”的主要原因之一。随着全球气候的变暖，城镇化发展速度的加快，城市“热岛效应”将更加突出。

目前，国内外减缓城市“热岛效应”的主要路面技术方法为：1)提高路面的反照率。即：通过在路面刷、涂浅色涂料，或在路面面层中添加浅色石料以提高路面反照率，降低沥青路面对太阳辐射的吸收，从而降低路面温度；2)铺设疏松多孔材料的沥青路面。即：在城市道路中铺设大孔隙率(＞20％)的排水性路面，疏松多孔路面有利于路面内水分的蒸发，从而减少路面高温。但是，这两种方法都存在一定的不足，例如：高反照率的浅色路面通常会对可见光形成强烈的反射，弱化城市交通标志线，甚至影响驾驶员的视力。2004年，日本日铺公司(Nippo)开发了一种灰色(亮度指数＜40)高反照率路用涂料，很好地弥补了这一缺陷：它对近红外波平均反照率为85％，而对可见光的反照率仅为23％。路用测试发现：喷涂后，沥青路面涂层的最高温度比传统沥青路面低15℃；即使在夜间，涂层温度也比传统沥青路面低2℃。然而，日铺公司的新涂层仍然存在如下问题：由于城市道路空气环境中存在着大量的气溶胶颗粒，能吸收来自路面反射的长波辐射；同时，建筑物、行人等道路周边物体也会吸收大量的热辐射，因此，被路面涂层反射的热量并没有返回到城市外空，在夜间仍然会散发出来。另外，涂层的价格较贵，即使在日本也是在停车场等特殊场所使用。

而对于疏松多孔性的沥青路面，在使用过程中，由于灰尘、杂物等堵塞空隙以及车辆荷载作用导致路面结构进一步压实，使空隙缩小，引起路面透水功能性降低，沥青路面容易出现裂纹、坑槽等破损，进而导致路面性能降低；同时，疏松多孔性路面的综合路用性能，如力学强度等，都比传统沥青路面降低很多。

截至2003，我国城市道路的覆盖率已达到7-15％，特大城市则超过20％。由于价格和工业化成熟等原因，目前，中国城市道路主要为沥青路面，城市“热岛效应”问题将更加严重。如何有效阻止太阳辐射热量在沥青路面的积聚，获得更经济、高效的技术方法来减缓“热岛效应”，对能源紧缺的中国，显得尤为重要。

利用粉体改性沥青材料以获得新的物理功能，在国内外已有大量研究；但是，通过粉体改性沥青路面层以获得具有梯度热导率的路面结构，进而使沥青路面具有单向导热功能，将沥青路面太阳辐射热引导入热容量巨大的地下，国内外尚处于空白，即：将“单向导热”原理应用于沥青路面的技术方法，国内外尚无相应专利。专利的应用，对提高城市居民生活舒适度，特别是减轻夏季城市空调耗电量，节约国家能源，具有良好的开发前景。

发明内容

技术问题：针对我国城市热岛效应的加剧以及传统技术方法所存在的缺陷，本发明提出了一种基于单向导热的缓解城市热岛效应的沥青路面结构。本发明的典型路面结构是通过微量添加低成本的、不同质(热导率)的、不同量(用量)的微纳米粉体到沥青面层的三层结构中，使得路面具有单向导热功能；利用该功能，可以将太阳辐射热量传递到热容巨大的路基中，使路面在夏季变成“凉爽”型路面。

技术方案：本发明的基于单向导热的缓解城市热岛效应的沥青路面结构层是由两到多层结构组成的具有梯度热导率结构的路面层，其中，外表面层的热导率低于内层的热导率。

所述的路面层是由热导率为10～30W/m·k第一微纳米粉体改性的上面层，热导率为50～90W/m·k第二微纳米粉体改性的中面层，以及热导率为100～140W/m·k第三微纳米粉体改性的下面层组成的具有梯度热导率结构的路面层。

所述的沥青路面的上、中、下三层的热导率梯度结构是通过添加不同量、不同质微纳米粉体获得的。

所述的第一微纳米粉体，粉体材料至少为氧化硅、氧化铝、氧化锌中的一种，其添加量为上面层级配沥青用量的10％～40％。

所述的第二微纳米粉体，粉体材料为碳化硅，添加量为中面层级配沥青用量的5％～20％。

所述的第二微纳米粉体为石墨，粉体粒径为0.1～100微米，用量为中面层级配沥青用量的1％～10％。

所述的第三微纳米粉体，粉体材料为石墨，其添加量为下面层级配沥青用量的5％～15％。

这种单向导热的路面结构工作原理可以描述为：在夏季白天，由于下面层热导率大于中面层，中面层热导率大于上面层，热流密度自上面层到下面层为由小到大结构，因此，上面层积聚的大量辐射热量很容易被传输到中面层；同理，中面层接收的热量也很容易被传输到下面层。于是，进入路面的太阳辐射热量被大量传入到路基中面层，而且，层间热导率梯度越大，层间温差大越大，上面层所吸收的热量向路基中传递的速度就越快。而在夏季晚间，基于同样的上小下大的热导率梯度原理，路基及路基下部积聚的大部分热量很难再由高热导率的下面层返回到低热导率的上面层。因此，利用本发明结构，既能降低沥青路面在白天的高温，又可以避免所吸收的热量在夜间返回到路面和空气中，使得沥青路面在夏季成为“凉爽路面”，从达到降低城市“热岛效应”的作用。本发明容易结合常规沥青路面建设、养护和再生技术，具有施工容易、成本低的优点。

有益效果：为了降低或缓解城市“热岛效应”，目前，国内外所采用的主要技术和原理为：1)提高路面的反照率；2)铺设疏松多孔材料的沥青路面。这两种技术原理均存在明显的缺点和不足。

提高反照率技术的不足：

①容易对驾驶员视觉造成刺激，影响交通安全。虽然，2004年日本日铺公司(Nippo)所开发的灰色(亮度指数＜40)高反照率路用涂料能很好地弥补“视觉刺激”缺陷，但是，由于路面不可能如“镜面”，因此，新涂层所反射的近红外波将以“漫反射”方式辐射到道路周围的建筑等表面，无法“原路返回”到城市外的空间，所以，它对降低路面温度有效，但对缓解“热岛效应”的贡献并不大，因为太阳辐射热从路面转移到了路面周围的建筑物等上面去了，即热量仍然聚集在道路附近。

②采用涂刷涂层的技术通常以树脂为基体，成本很高，而且，树脂经轮胎碾压，很容易与路面剥离，耐久性较低。

铺设疏松多孔路面的不足：

①铺设疏松多孔路面，将以牺牲路面性能为代价。例如，疏松路面的力学强度远不如相同工艺和混合料的传统路面的力学强度。

②由于沥青没有极性，而水的极性却很大，因此，沥青路面积水很容易引起沥青膜与石料的剥离，使沥青路面容易出现裂纹、坑槽等破损，进而导致路面性能降低。

③灰尘、杂物等堵塞空隙以及车辆荷载作用导致路面结构进一步压实，使空隙缩小，引起路面透水功能性降低。

本发明借助对沥青或沥青混合料的热导率改性，并使路面层形成非线性的梯度热导率分布，即：路面层热导率值呈“上小下大”的结构，使得太阳辐射到路面中的热量“进来不易、出去难”；同时，进来的热量将被引导入热容量巨大的路基和土壤中。因此，本发明将具有如下独特的优点：

①太阳辐射热量被引导入大地，热导率值“上小下大”的路面层结构使得进入大地的热量很难再回到沥青路面上，实现真正的“凉爽”路面。

②不会形成视觉刺激。同时，由于所使用的粉体与沥青混合料均与混合为一体，因此，避免了类似“涂层剥离”问题。

③本发明所使用的微纳米粉体具有较大的比表面积，通过对沥青路面材料的物理改性，可同时使沥青基质混合料的强度更大、机械性能更高，可以有效地改善路面的路用性能。

④本发明所使用的“高值热导率粉体”，如：石墨和碳化硅；“中值热导率粉体”，如：氧化硅、氧化铝、氧化锌等，均属常规工业原料，在全国各地容易获得，加工、运输、施工也都很方便；而所使用的“低值热导率粉体”为工业废渣，成本低，属于资源化再利用，可保护环境，节约能源。由于相对价格较高的石墨或碳化硅粉体只是微量添加，使用量少，因而使用总成本较低，适宜于大中小城市路面的相关建设。

⑤本发明工艺简单，可操作性强，可以结合沥青路面的常规建设和养护技术进行设计与施工。

附图说明

图1是本发明的实施1、2示意图，

图2是本发明的室内试验示意图，

图3是本发明的试件箱体示意图，

图4是改性路面层的降温效果图。

具体实施方式

结合附图，将对本发明在做进一步的说明。

该路面结构层是由两到多层结构组成的具有梯度热导率结构的路面层，其中，外表面层的热导率低于内层的热导率。所述的路面层是由热导率为10～30W/m·k第一微纳米粉体1改性的上面层4，热导率为50～90W/m·k第二微纳米粉体2改性的中面层5，以及热导率为100～140W/m·k第三微纳米粉体3改性的下面层6组成的具有梯度热导率结构的路面层。

实施例1

参照附图1。

粉体改性沥青混合料的热导率方式如下：

沥青上面层4添加热导率为10～30W/m·k的第一微纳米粉体1，粉体材料至少为氧化硅、氧化铝、氧化锌中的一种，粉体粒径为0.1～100微米，其添加量为上面层级配沥青用量的10％～40％。

沥青中面层5添加热导率为50～90W/m·k的第二微纳米粉体2，粉体为碳化硅，粉体粒径为0.1～100微米，用量为中面层级配沥青用量的5％～20％。

沥青下面层6添加热导率为100～140W/m·k的第三微纳米粉体3，粉体为石墨，粉体粒径为0.1微米～100微米，用量为下面层级配沥青用量的5％～15％。

典型的具有单向导热功能的微纳米粉体改性的沥青路面层结构的实施方式如下：

首先将路基7压实，然后在路基7上铺设热导率为100～140W/m·k第三微纳米粉体3改性的沥青下面层6；压实后，在沥青下面层6上铺设热导率为50～90W/m·k第二微纳米粉体2；压实后在沥青中面层5上铺设热导率为10～30W/m·k第一微纳米粉体1改性的沥青面层上层4，使整个沥青面层的热导率值分布形成“上小下大”梯度热导率结构。

所添加粉体用量的计算方式，是用微纳米粉体置换混合料中的矿粉，并且，微纳米粉体先与沥青充分拌合后再与石料进行搅拌。

实施例2

参照附图1，沥青上面层4添加热导率为10～30W/m·k的第一微纳米粉体1，粉体材料为氧化硅、氧化铝、氧化锌，粉体粒径为0.1～100微米，其添加量为上面层级配沥青用量的10％～40％。

沥青中面层5添加热导率为100～140W/m·k的第二微纳米粉体2，粉体为片状石墨，，粉体粒径为0.1～100微米，用量为中面层级配沥青用量的1％～10％。

沥青下面层6添加热导率为100～140W/m·k的第三微纳米粉体3，粉体为粉体材料为片状石墨，粉体粒径为0.1微米～100微米，用量为下面层级配沥青用量的5％～15％。

粉体添加方式是用微纳米粉体置换混合料中的矿粉，微纳米粉体先与沥青充分拌合后与石料进行搅拌。

太阳辐射热量的单向传导说明：

在夏季白天，当太阳辐射热量进入到沥青路面的上面层时，由于中面层5热导率大于上面层4，热阻较小，因此上面层4积聚的热量很容易被传导到中面层5，同理，由于下面层6的热导率大于中面层5，即热阻更小，因此，中面层5从上面层4获得的热量也容易被传输到下面层6。由此，太阳辐射到道路上面层4的热量被传入到路基7中。因此，本路面结构具有“吸热”功能，能够将太阳辐射热量充分地向路基以及大地中传输。

在夏季夜晚，由于本发明的路面具有“下大上小”的热导率梯度结构，当路基7及以下土基中没有扩散完的热量想通过下面层6向中面层5乃至上面层4散发时，由于从上面层4、中面层5、上面层6的热导率值分布是“由小到大”的顺序，上面层4的热阻最大，中面层5次之，路基7中的热量很难沿着下面层6、中面层5、上面层4的顺序传递出去，仅有较少的热量能够传输到上面层4并进入空气中。这样，在夏季夜晚，沥青路面的温度就不会再升高，可以避免白天太阳辐射的热量再返回空气中。因此，本路面结构还具有“绝热”或“封热层”的功能，形成“凉爽路面”。

在夏季一白昼周期内，由于沥青路面层4、5、6始终维持热量向路基及地下的单向导热状态，使得沥青路表面的温度总体上较低，降低了向空气8中的辐射热量，从达到降低城市“热岛效应”的目的，同时，也对路面的稳定性具有保护作用，延长路面的使用寿命。

实验例

为了证实该典型路面结构层的有效性，在东南大学交通学院道路与桥梁实验室进行了室内实验。该试验主要是验证单向导热路面层结构的有效性，以及与普通沥青路面对比后的性能差异。实验装置主要有试验箱，变压电源和温度采集系统组成。其中试验箱四周和底部由保温绝热材料构成。试验过程为，在两个保温箱中分别放置改性沥青混凝土试件和普通沥青混凝土试件，通过控制水银灯的照射强度和照射时间以及试件表面的风速，模拟夏季路面辐射条件，对比这两组试件表面的温度变化情况。

图4给出了粉体改性后的试件和普通试件的表面温度观测对比图。由图4可见，在整个试验过程中粉体改性后的试件表面温度一直低于普通试件的表面温度，且在试件表面温度达到平衡时，温差达到最大。这说明粉体改性后的试件表面降温效果很好，表明了这种单向导热路面层结构是有效的。