2020, Vol. 52
2. 公路养护技术国家工程实验室(长沙理工大学)，长沙 410114;
3. 北京市政路桥正达道路科技有限公司，北京 100071
2. National Engineering Laboratory of Highway Maintenance Technology(Changsha University of Science & Technology), Changsha 410114, China;
3. Beijing Municipal Road and Bridge Zhengda Road Technology Co., Ltd., Beijing 100071, China
随着城市建设规模的扩大和建筑物密度的提高，夏季城市的热岛效应日趋显著，严重降低了人体舒适度，危害了居民身体健康.在城市热岛效应的影响因素中，除建筑物的高度和密度、车辆排放热量、植被覆盖率、人体感知等之外，路面对太阳辐射的低反射率不容忽视[1-2].不仅如此，较低的反射率还造成大量的太阳辐射能被路面吸收，内部蓄热量增加，造成更严重的热岛效应[3-4]，同时路面结构内部温度大幅提升，更容易产生车辙、拥包等高温损坏[5-8].
针对路面反射率低、吸热量大的问题，近年来一些学者对路面材料反射率、热反射涂层等进行了研究.文献[9]采用近红外分光光度计对沥青混合料试件的切片进行反射率室内测试.文献[10]使用双辐射传感器进行了路面反射率室外测试，并与室内测试结果进行了比较，发现室外测试得到的反射率均小于室内结果，分析认为近红外分光光度计法采用的混合料平整切片忽视了构造深度，淡化了颜色，双辐射传感器法更符合实际.文献[11]采用双辐射传感器测试了太阳辐射下水泥和沥青路面的反射率，但发现采用双辐射传感器的室外测试结果可能受太阳入射角度、辐射强度等影响.可见，上述两种方法各有优缺点，但双辐射传感器法比近红外分光光度计法更符合实际，然而其测试结果受外界环境的影响并不明确.此外，以TiO2为填料的热反射涂层、以浅色集料铺筑路表层等形式的降温路面也得到了初步研究，并采用上述两种方法对其反射率进行了系统测试与分析[12-15].
近年来，彩色路面越来越多的应用于城市广场、小区道路、停车场等场合，尤其与多孔路面结构相结合，铺筑的彩色多孔路面，不仅发挥了美化道路环境、提升视觉效果、诱导交通、警示安全的效果，还起到排水、抗滑、降噪的作用[16].但是，目前太阳辐射下彩色多孔路面的反射率、内部温度等均没有得到系统地研究，与传统路面相比，彩色多孔路面对城市热岛效应的影响，尚不明确.
本文采用双辐射传感器方法，室外测试了不同辐射强度、传感器高度、太阳入射角、测点环境下路面反射率，分析了上述因素对路面反射率测试的影响规律；针对室外测试受环境影响大的问题，开发了反射率室内测试系统，测试了6种颜色路面材料的反射率和内部温度，并与黑色沥青混合料和灰色水泥混凝土进行了对比.
1 路面反射率测试的影响因素分析根据文献[11]的研究，温度、风速等对路面反射率测试没有影响，本文将分析太阳入射强度、传感器高度、太阳入射角度和周围环境对反射率测试结果的影响.测试采用如图 1所示的双辐射传感器，两个传感器测试的波长均为0.3~3 μm，其中朝上的入射传感器，测试太阳辐射的入射强度，朝下的反射传感器，测试由路面反射出的辐射强度，反射率计算公式为
| $ A=\frac{R}{I} \times 100 \%. $ | (1) |
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图 1 室外反射率测试的潜在影响因素 Fig. 1 Potential factors affecting field measurement of albedo |
式中：A为反射率；R为反射强度，W/m2；I为入射强度，W/m2.
1.1 太阳入射强度对反射率的影响在传感器高度为80 cm时，分别在2018-08-14(晴)和2018-08-15(多云)的午间(12:00—12:10)，测试了某多孔沥青路面的入射和反射强度，并计算了反射率，结果如图 2所示.可以发现，不论是晴朗还是多云天气，太阳入射强度都会产生很大波动，原因主要是测试时间段内大气层中云量出现了较大的变化.此外，由图 2还可以看出，反射率出现了与太阳入射强度相当的波动，太阳入射强度越大反射率越大，入射强度越小反射率越小.在晴天，随着入射强度从1 376 W/m2减少到735 W/m2，10 min内测得的反射率从9%下降到4%；多云天气下，随着入射强度从1 005 W/m2 减少到543 W/m2，反射率从6.5%下降到2%.这表明即使在晴天条件下，天气条件(云量)对反射率测试结果也有显著影响.
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图 2 在晴朗和多云天气下辐射数据在10 min内的变化 Fig. 2 Variation of radiation data within ten minutes in sunny and cloudy weather |
选取夏季晴天正午时分，在沥青路面同一点分别进行4种高度(20、40、60、80 cm)的反射率测试.每个高度下，10 min内测试得到的入射和反射强度如图 3所示.可以看出，与图 2类似，反射强度和反射率随着入射强度的波动而波动，为此以10 min内的平均值表征该高度下的反射率值. 4个高度下(20、40、60、80 cm)测试的反射率均值分别为6.19%、5.82%、5.97%、6.38%，路面反射率与传感器高度之间没有明显的关系，这表明在80 cm高度以内，传感器高度对反射强度和反射率的测试值没有影响.
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图 3 传感器高度对反射率的影响 Fig. 3 Influence of height of pyranometer on albedo |
测试不同入射角度(25°、70°、110°、155°)下的路面反射率，由于地面某点的太阳入射角度取决于该点的经纬度、海拔高度、日期和当地时间，当测试点固定时，太阳入射角只与测试时间有关.对应的测试时间计算公式为
| $ t_{\mathrm{a}}=t_{1}+\frac{12-t_{1}+t_{2}}{180} \cdot \alpha. $ | (3) |
式中：α为太阳入射角度；t1、t2分别是测试当日的日出和日落时间，2018 - 08 - 14的日出和日落时间分别是5:29和18:49.
上述4个入射角下测得的反射率如图 4所示.入射角25°和155°时(早晨和傍晚)的入射强度远低于午间入射角70°和110°时的入射强度，而早晚测得的反射率却高于午间测得的反射率.可见，入射角对反射率测试影响显著，低入射角将产生较大的反射率.
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图 4 在不同入射角下的太阳反射率 Fig. 4 Solar reflectivity at different incident angles |
为了分析入射角度对反射率测试的影响，在夏季晴天正午，将传感器竖直放置在太阳光下，然后在5 min内逆时针缓慢转动90°，每隔5°记录一次入射强度，其结果见图 5.可以发现，在太阳不同入射角下测得的入射强度差异显著，入射角越小入射强度越小.入射强度测试值随太阳入射角显著变化的特点，使得必须在同一太阳入射角下，测得的入射强度及由此计算的反射率才有意义，而每次室外测试都必须采用同一入射角显然不现实.
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图 5 在不同入射角度下的入射强度 Fig. 5 Incident intensity at different incident angles |
为了分析测点周围环境(草地或裸露土壤等)对路面反射率测试结果的影响，在传感器高度为20、40、60、80 cm时，分别测试了草坪和土壤距路面测点20、30、40 cm时的反射率，结果如图 6所示.在入射强度为1 200~1 250 W/m2时，草地和土壤的反射率分别为22.0%和30.1%，均大于测点路面本身的反射率.当传感器高度相同时，路面反射率随着测点与草地和土壤之间距离的减小而增加.当测点与草地和土壤的距离减小到20 cm时，测得的反射率分别为12%和15%，远离草地和土壤(40 cm)测试的反射率约6%.这表明周围草地和土壤影响了路面反射率的测试值，其原因是随着双辐射传感器高度的增大，朝下的反射传感器的测试范围增大，当其增大的范围包含测点周边草地或裸露土壤时，反射传感器采集的光辐强度并非路面测点的反射强度，而是测点和周边草地或土壤反射强度的综合，从而影响路面反射率测试的准确性.此外，在40 cm和较远距离处测试的反射率没有明显差异，说明为了避免周围环境对反射率的影响，测点与周围土壤和草地的距离至少大于40 cm.
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图 6 距草地与土壤不同距离下的路面反射率 Fig. 6 Albedo of pavement at different distances from grass and soil |
考虑到太阳入射强度、入射角度、周围环境等室外条件对路面反射率测试存在较大影响，本文基于双辐射传感器开发了一套室内测试装置，包括光源、反射率测试系统和测温系统，如图 7所示.该装置不仅能室内测试光照条件下路面材料的反射率，还能测试该光照强度下路面材料内部温度.
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图 7 装置实物照片 Fig. 7 Picture of customized equipment |
光源由两个碘钨灯组成，功率均为500 W，其波长为0.3~2.5 μm，采用此波长范围碘钨灯的理由是：抵达地表的太阳光中，辐射能量主要位于此波长范围内，且该波长范围在辐射传感器能接收的波长范围内.碘钨灯始终保持竖直向下照射，通过调整碘钨灯与试件上表面的垂直距离可以控制试件所接收的光照强度.
反射率测试系统由双辐射传感器、数据采集仪和吸光布组成.吸光布是吸光率达99.2%的黑布，将其铺在室内地面上，可避免测试区域附近地面对反射率测试的影响.光源和双辐射传感器由竖直三脚架相连，可以在三脚架上调节辐射传感器和碘钨灯高度.测温系统由热电阻、温度采集模块、24 V电源和计算机组成.热电阻感应试板内温度变化，将温度信号转换成电信号，温度采集模块采集电信号并将其传输至计算机，计算机通过特定软件读取该信号，并显示成温度数值.
2.2 试验方法 2.2.1 试板成型与热电阻布设采用图 8所示的带钉垫片，按轮碾法成型长宽高分别为30、30、5 cm、含4个深度(1、2、3、4 cm)小孔的混合料板式试件.将热电阻埋入孔洞中，即可测试混合料板在4个深度处的内部温度.
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图 8 带孔混合料板的制备 Fig. 8 Preparation of pored mixture slabs |
1) 将混合料试板放入温度恒为15 ℃的室内，底面垫隔热泡沫板后，置于吸光布的正中间，并将有孔洞的一面朝上.
2) 室内保温2 h后，调整碘钨灯高度，确保碘钨灯与试板上表面之间的垂直距离为25 cm(该高度下试板表面所接收的辐射强度约为1 300 W/m2，与夏季晴天正午相接近).将双辐射传感器置于板正中间上方，确保朝下的传感器与板上表面的高度为10 cm.
3) 读取试板内部4个深度处的初始温度，打开碘钨灯电源，计算机每隔1 min自动读取并记录温度数据.
4) 每隔1 min读取反射传感器的反射辐射数据，共计测试5 min.取5 min内反射强度的平均值，作为板表面的平均反射强度.
5) 移动碘钨灯和双辐射传感器，确保碘钨灯在传感器正上方，且距离入射传感器的高度为25 cm.并记录5 min内入射传感器的数值，取其平均值作为入射强度.按照式(1)计算试板的平均反射率.
3 试验材料本文制备了6种颜色(红、黄、蓝、绿、灰、黑)的多孔水泥混凝土试板，长宽高分别是30、30、5 cm.水泥采用425号普通硅酸盐水泥，集料选用玄武岩碎石，颜料选用一品颜料(美国)有限公司生产的氧化铁颜料：铁红S190，铁黄S313，铁蓝S463，铁绿S5605，铁黑S722.这些氧化铁颜料的摩尔质量为159.69 g/mol，细度粒径为0.4~20 μm，熔点为1 565 ℃，沸点为3 414 ℃.颜料掺量均为水泥用量的30%[17].灰色多孔水泥混凝土不添加颜料，其余材料用量均一致.彩色多孔水泥混凝土配比见表 1.
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表 1 彩色多孔水泥混凝土配比 Tab. 1 Mix proportion of colored porous cement concrete |
为了与其他类型的路面材料进行对比，本文还制备了开级配沥青混合料OGFC-13、密级配沥青混合料AC-13及普通密实水泥混凝土试板. OGFC-13和AC-13的集料为玄武岩，填料为石灰石矿粉，AC-13采用90#基质沥青，OGFC-13采用改性沥青.改性沥青是由90#基质沥青和5.4%SBS制备而成.密实水泥混凝土采用425号普通硅酸盐水泥，集料选用单档粒径玄武岩碎石(粒径为5~10 mm)、干燥黄沙.改性沥青基本性能、沥青混合料和密实水泥混凝土级配见表 2~4.采用上述材料及配比，本文制备的试板如图 9所示.
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表 2 改性沥青性能 Tab. 2 Properties of modified asphalt |
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表 3 AC-13和OGFC-13级配及油石比 Tab. 3 Gradation and asphalt binder content of AC-13 and OGFC-13 |
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表 4 密实水泥混凝土配比 Tab. 4 Mix proportion of dense cement concrete |
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图 9 不同类型试板实物图示 Fig. 9 Picture of test slabs of different types |
考虑到同种颜色，色度不同，所造成的反射率测试结果也可能有差异.为此本文采用三原色——红(R)、绿(G)、蓝(B)定量表征试板的色度.三原色指色彩中不能再分解的3种基本颜色，三原色可以混合出所有的颜色，用R、G、B值表征颜色的亮度，数值越大，亮度越大.
在充分采光条件下，照相机高度、角度、聚焦等条件均一致，拍摄各试板图像，使用Photoshop软件计算各试板图像的R、G、B均值，结果见图 10.
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图 10 各试板色度值分布 Fig. 10 Chromaticity distribution of test slabs |
对上述成型的混合料试件分别进行室外(夏季晴天正午11:30—12:30)和室内反射率测试，测试时长5 min，每分钟采集1组入射和反射强度，并计算反射率，结果见图 11.可以发现，无论是入射强度、反射强度，还是反射率，在5 min内室外测试结果波动显著，而室内测试相对稳定，这表明采用本文开发的装置进行反射率的室内测试，能够获得稳定的测试结果.
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图 11 不同路面材料室内外测试的入射强度、反射强度及反射率 Fig. 11 Incident intensity, reflection intensity, and albedo of different pavement materials in indoor and outdoor tests |
为了分析不同路面材料反射率的差异，本文取5 min内测试结果的均值作为反射率，并计算了变异系数，结果如图 12所示.由图可知，室外与室内测试的路面材料反射率差异很小，9种路面材料反射率室内测试值的大小排序与室外完全一致，且室内测试的反射率变异系数明显小于室外测试，表明采用本文研发装置进行的室内反射率测试，克服了天气条件、测点环境等因素的不利影响，可重复性高.
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图 12 不同路面材料反射率的室内外测试结果 Fig. 12 Albedo of different pavement materials in indoor and outdoor tests |
按照2.2的试验方法，在碘钨灯照射混合料试板1 h时间内，测试混合料内部4个深度处(1、2、3、4 cm)温度，结果如图 13所示.可以发现，不同颜色混合料试板在碘钨灯照射的初始阶段，内部温度基本不变，且深度越深，该时间段越长，这反映了温度传递的滞后性.各深度处温度上升速率也不相同，1 cm处温度上升速度明显大于4 cm处.以OGFC-13的沥青混合料为例，1 cm处温度在1 h内由15 ℃上升到48.5 ℃，而2、3、4 cm处温度仅分别上升27.1、18.9、16.4 ℃，其他试板与之相似，均存在温度梯度，这与普遍认知的路面内部温度梯度相符.
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图 13 不同路面材料在照射1 h期间内部4处深度处温度变化 Fig. 13 Temperature variation of different pavement materials exposed to radiation within one hour at four depths |
不同颜色试板经照射1 h后，其温度上升幅度见图 14.由图可知，1 cm处升温值最大，2、3、4 cm处依次递减，并且3、4 cm处升温值变化很小.将各试板的升温幅度与图 12反射率相比较，升温幅度基本与反射率结果相对应，表现为：反射率最高的普通密实水泥混凝土的升温幅度最小，而反射率最低的黑色多孔水泥混凝土、多孔沥青混合料以及密级配沥青混合料升温幅度最大.这表明混合料表面反射率可以显著地影响其内部温度.此外，相同结构类型的路面材料中，4种彩色多孔水泥混凝土升温幅度均小于灰色多孔水泥混凝土和黑色多孔水泥混凝土，可见相同的光辐条件下彩色路面材料反射率更高，其内部温度更低，有利于降低热岛效应.
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图 14 不同颜色路面材料在不同深度处的升温值 Fig. 14 Temperature rise values of different colored pavement materials at different depths |
从图 14还可以看出，红、黄、蓝、绿4种彩色路面材料中，绿色的升温幅度最小，基本与高反射率的密实水泥混凝土相接近.这是因为在太阳辐射至地球的可见光中，绿光波长范围内的总能量最大[18]，而绿色路面材料主要反射绿光，导致了其内部温度最低.从这个意义上来讲，绿色路面材料对降低路面内部温度、缓解热岛效应最有效.
5 结论1) 太阳辐射强度、入射角度和周围环境对室外反射率测试具有显著影响，前两者影响入射强度测试值，后者影响反射强度测试值，导致反射率的室外测试可控性和重复性差.
2) 研发的室内测试装置，能在室内准确获得一定光辐强度下的路面材料反射率及该光辐强度下路面材料的内部温度.
3) 密实水泥混凝土、开级配沥青混合料和密级配沥青混合料的反射率分别为32%、5.8%、5.4%左右，级配对沥青混合料反射率几乎没有影响.
4) 相比于灰色多孔水泥混凝土16%的反射率，红、黄、蓝、绿多孔水泥混凝土的反射率为20%~25%，具有优良的反射太阳辐射和降低路面内部温度的能力.
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