高透水性混凝土消减城市热岛效应试验分析研究.pdf

2 o 1 0 年 第 8期 f总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 0 3 高透水性混凝土消减城市热岛效应试验分析研究 王从锋 ，刘德富 ( 三峡大学 水利与环境学院 ，湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 针对城市热岛效应主要受下垫层影响的特点， 通过对城市的高透水混凝土、 普通混凝土、 土壤和草坪等表面温度的监测分析， 得 出高透水混凝土表面温度低于普通混凝土， 接近于土壤温度， 对消减城市热岛效应具有明显的效果， 是改善城市环境较好的下垫层材料。 关键词： 高透水混凝土；城市热岛效应；温度 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 0 9 0 2 Te s t an al y s i s o f hi g h per me abl e con c r e t e r e duc i n g t h e ur ba n he a t i s l an d e ffe c t W ANG Co n g - f e n g， LI U De f u ( C o l l e g e o f H y d r a u l i c&E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a T h r e e Go r g e s Un i v e r s it y， Y i c h a n g4 4 3 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： F o r the u r ba n h e a t i s l a n d e ffe c t i s ma i n l y a ffe c t e d b y t h e c h a r a c t e ris t i c s u n d e r t h e c us h i o n， Ba s e d o n the c i t y S h i g h p e r me a bl e c o n c r e t e ， o r d i n a r y c o fl c r e ， s o i l an d g r a s s a n d o t h e r s u r f a c e t e mp e rat u r e mo ni t o r i n g and ana l y s i s ， o b t a i n e d h i g h - p e r me a b l e c o n c r e t e s u r f a c e t e mp e r a - t u r e i s l o we r t h an o r d i n a r y c o n c r e t e ， c l o s e t o the s oi l t e mp e r a t ur e， r e d u c e the u r ban h e a t i s l and e ffe c t o n the o b v i o us e ffe c t i s t o i mp r o v e the u r b a n e nv i r o n me n t u nd e r the c u s h i o n mate r i a 1 b e t t e r K e y wo r d s ： h i 曲 p e rm e a b l e c o n c r e t e ； u r b an h e a t i s l and e ff e c t ； t e mp e r a t u r e O 引言 城市热岛效应， 通俗地讲就是城市化的发展， 导致城市中的 气温高于外围郊区的这种现象。城市在气温的空间分布上， 犹如 一 个温暖的岛屿。在气象学近地面大气等温线图上， 郊外的广阔 地区气温变化很小， 如同一个平静的海面， 而城区则是一个明显 的闭合状态的城市高温区， 如同突出海面的“ 岛屿” ， 由于这种岛 屿代表着高温的城市区域， 所以就被形象地称为城市热岛， 如图1 所示。据统计， 城市年平均气温要比郊区高 0 5 3， 在夏季， 城 市局部地区的气温， 能比郊区高 6， 甚至更高。 - _d -_- 郊区 城郊居 民区 商业区 市 中心 居民区 公园 捌泼B 居民区 农 田 图 1 城市热岛效应示意图( 摘 自天气在线 ) 以往的研究主要注重对减少人为热量的排放 ， 诚然， 从能 量平衡的角度来看， 工厂的锅炉、 空调等耗能设备的减排会对 消减城市热岛效应起到一定的作用， 但是随着城市工业化的进 程， 人为热量的排放越来越加剧， 减排只能是相对减少而已， 真 正做到减排谈何容易。因此 ， 基于城市下垫层的性能对城市温 度产生着重要的影响， 对改善城市下垫层性能越来越成为被关 注的焦点， 特别是对不 同的城市 ， 根据所处的纬度以及地势特 点， 合理布局建筑群， 规划道路， 改善下垫层的性能。本文对高透 水混凝土路面表面的温度与其他下垫层进行试验对比分析， 以 求得出高透水混凝土对消减城市热岛效应有一定的作用。 1 高透水性混凝土下垫层的特点 城市下垫层是城市气候形成的重要因素【 l- 2 ， 人类活动对气 候的影响首先通过对下垫层性质的改变来实现。城市化进程导 致人口和社会 、 经济活动高度集中， 必然急需新建、 改建、 扩建 大批建筑物才能满足城市生产、 生活需要 ， 使城市建设不断地 向郊区扩展， 向地下扩展， 向空中扩展 ， 形成以水泥、 沥青 、 砖、 石 、 玻璃、 金属等为材料建造起来的人工地貌体 ， 原来的林地、 草地 、 农田、 水塘或牧场的郊区自然生态环境逐渐缩小或消失。 这些物质性质坚硬、 密实 、 干燥 、 不透水， 且它们的形态、 刚性、 弹性、 辐射 、 质量热容等许多物理、 化学、 几何性状都与原来的 疏松有植物覆盖的土壤或空旷的荒地、 水域等自然地表不同， 人 工铺砌的道路纵横交错， 建筑物参差不齐。它们从根本上改变了 城市区域下垫层的热力学、 动力学、 水循环特征， 从而影响气候 因子。 城市在能量平衡和水分平衡上都与郊区有明显的差异。 通 过下垫层与低层大气的对流、 辐射、 传导等物理过程进行能量、 动量、 物质的交换， 从而对城市的温度、 湿度、 气流产生影响。 由于城市普通或沥青混凝土路面较多， 这种地面封闭了地 表， 导致其下垫层缺乏透水性和透气性 ， 雨水很快形成径流流 失， 不能渗入地下， 残留雨水又很快蒸发掉， 这种下垫层很难与 空气进行热量、 水分的交换， 缺乏对城市地表温度、 湿度的调节 收稿 目期 ：2 0 1 0 - 0 4 - 2 0 基金项 目：湖北省教 育厅重点项 目( D2 0 0 8 1 3 0 7 ) ； 湖北省 自然科学基金项 目( 2 0 0 9 C DB 3 5 3 ) 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 能力， 使得城市地表温度和湿度的调节能力十分脆弱【3 J 。 在城市道路中， 约有 3 0 是完全可以采用透水路面， 如人 行道、 停车场、 公园等。 透水路面可以平衡城市生态系统4 1 。 雨水 由透水路面渗透入地 ， 使地下水位迅速回升。 透水地面还能通 透“ 地气” ， 使地面冬暖夏凉， 雨季透水 ， 冬季化雪， 可以增加城 市居住的舒适度嘲。 而 目前城市人行道路采用较多的仍是用烧 制瓷砖或由水泥和细砂挤压而成的砖铺设而成， 透水性较差。 高透水混凝土的应用， 可以改变城市原有下垫层 的性质 ， 使得 城市下垫层具有透水和透气的能力。同时由于高透水混凝土的 中大量孑 L 隙的存在， 从而减少对太阳光热量的吸收， 使得温度 低于普通混凝土路面。这种高透水性混凝土在城市道路的应用 价值已经得到普遍认可。 2 各下垫层地表 温度监 测试验 对高透水性混凝土试验区进行了试验分析， 试验区场地宽 阔， 周围建筑物少， 可以减少垂直下垫层辐射的影响， 是测定水 平下垫层的理想场地。测点位置有普通混凝土、 土壤 、 草坪和高 透水混凝土， 可以同时测得各下垫层表面的温度进行对比， 见 图2所示。温度测定采用 DT 5 0 0智能可编程温度采集器， 该仪 器 有 3 O个传 感器通道 ， 可 以同时监测 3 0个不 同点 的温度 ， 如 图3所示。 传感器采用康铜一 锰铜热电偶温度传感器。 太阳辐射 仪采用锦州阳光科技发展公司生产的 P C 2 D太阳辐射记录仪 ， 如图4 所示。温度测试前， 要对热电偶进行修正， 根据仪器要求 ， 热电偶的分度表是以冷端温度 0为条件的， 所以使用热电偶 1 0 图 2 各下垫面表面温度测定点 示意 图 图 3 D T 5 0 0温度采集器 图 4 太阳辐射仪 测温时， 冷端若不是 0， 测温结果必然会有误差。 本次试验将 所有热电偶接点放在冰水混合物( 认为 0) 内， 记录每个热电 偶的温度值 ， 用来对测定的环境温度修正。 3 各下垫层表面的温度 日变化监测对比 选取 8月 1 6 E t 全天的监测结果进行分析 ， 图 5表明， 普通 混凝土表面的温度在全天内温度都高于其他下垫面， 在 1 8 ： o o N 第二天早上 6 ： 0 0高透水混凝土表面的温度接近混凝土表面的 温度， 说明高透水混凝土的散热较快， 在上午 8 ： 0 0 1 3 ： 0 0温度 升高较快， 主要是太阳辐射能力逐渐加强的原因。从早上 6 ： 0 0 太阳出来开始到 1 8 ： 5 0 太阳落山为止， 记录了全白天的光照强 度， 如图 6所示， 全天最高辐射强度为 9 3 9 W m： ， 发生在中午 l 3 ： 1 5分左右。 由于当天受云量的影响， 太阳辐射量变化跳跃较 大。在白天有太阳光照的时间段里， 高透水混凝土的温度比较 接近普通混凝土表面的温度， 说明光照对下垫层影响较大。日平 均温度高透水混凝土表面( 3 5 9) 比普通混凝土表面( 3 8 2) 低 2 3， 比土壤表面( 3 4 2) 高 1 7， 比草坪表面( 3 0 9) 高 5。当然草坪是最好的下垫层， 所以城市的绿化面积越大， 城市地表的温度就会越低。 、 赠 目 越 鲤 辑 斗 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 m 0 n 0 n 0 O5 0 n 0 n 0 0 3 0 n 0 0_n寸 卜 0 O 5 l n 。 0 H e - ,I 时间 图 5 不同下垫面表面温度差异 20 O 0 0 0 8 O0 6 O 0 4 0 0 2 00 0 ：兮寮 昌 ：宝星 吕景 古 一 时 间 图 6 太 阳辐射 强度 随时间的变化 高透水混凝土下垫面降温速度 比普通混凝土从下垫面要 快一些， 这主要是因为高透水混凝土下垫面的热容量和导热吸 收以及热扩散吸收都比普通混凝土小， 在 白天储存在深层的热 量也较少， 所以温度降的也快。 4 高透水混凝土表面温度受水分蒸发影响分析 试验监测时， 为了分析高透水混凝土表面温度受水分蒸发的 影响， 针对高透水混凝土表面进行了干燥与湿润状态两个测点的 对比。 在每天 1 8 ： 3 0对一个测点洒淋少量常温下的水， 保持透水 混凝土的湿润状态， 测得全天的温度与没洒水的测点进行比较， 如图 7 所示。可以看出湿润状态下的透水混凝土的温度明显低 于干燥状态下的情况， 平均温度低 3。因此， 高透水性混凝土 表面温度低的原因， 除了其吸热量少 、 热扩散快外， 另一个重要 因素是其表面蒸发量大。由于其内部大量的孔隙存在， 使得存在 其内部的水分在热辐射的作用下， 吸收能量变成水汽， 从而降低 下转第 9 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0， ( 。 ) 图 6 内掺 编号 2掺量 的电解锰渣在 1 3 0 0温度下煅烧的 水泥熟料的 X RD曲线 掺入 4 的硬石膏作为缓凝剂， 然后在试验磨内粉磨 4 0 mi n 至比 表面积为 3 0 0 5 0 0 m： k g ， 按照 G B 1 7 6 7 1 - 1 9 9 9 水泥胶砂强度 检验方法 进行胶砂试验， 其试验结果如下 ： 表 1 0 水 泥细度及 比表面积 序号 水泥 。 。 m ， il l 滁。 。 m ， m滁 ( 1 ) 水泥细度及比表面积， 见表 1 0 。 ( 2 ) 水泥的抗折、 抗压强度， 见表 l l 。 胶砂试验结果表明， 掺加编号 l 至编号 2电解锰渣的水泥 生料 ， 尽管其煅烧温度比空白的低 1 0 0， 但其抗折 、 抗压各龄 期强度均比空白的高， 其中， 锰渣矿化剂掺入量为编号 1 时， 烧 成温度降低 1 0 0， 2 8 d 抗折强度提高 1 5 、 抗压强度提高 5 ； 锰渣矿化剂掺入量为编号2时， 烧成温度降低 1 0 0， 2 8 d 抗折 强度提高2 9 、 抗压强度提高 1 6 。电解锰渣的矿化剂作用明显。 表 1 1 水 泥的抗折 、 抗压 强度 注： 斜线下数据为掺矿化剂各龄期强度与空白l 4 0 0 各龄期对应强度比值， 即强度提高百分数。 5结语 试验研究结果表明， 无论从 X R D曲线还是从胶砂试验结 果都表明， 电解锰渣具有矿化剂作用 ， 掺人 2 8 左右的电 解锰渣， 可以降低水泥烧成共融点温度约 1 0 0， C 3 S含量增加。 原 因主要 是 由于 电解锰 渣 以含 C a S O 2 H O 为 主要 成分 ， 而 C a S O4 2 H O本身就是一种矿化剂， 其作为矿化剂掺量在 3 o 5 ， 共融点温度降低约 1 0 0 1 1 0左右。该研究结果对于加快循 环经济建设和拓展工业固体废弃物锰渣的综合利用具有重要 意 义。 参 考文献 ： 【 1 】G B t T 2 0 3 -2 0 0 8 ， 用于水泥中的粒化高炉矿渣 s 2 】 胶凝材料学【 M 】 北京： 建筑工业出版社出版， 5 4 6 6 3 】 水泥工工艺讲义【 M 】 湖南省水泥科技情报网编， 5 7 6 6 1 4 】 黔科重大专项子( 2 0 0 7 ) 6 0 0 9 号， 电解锰浸出废渣的资源化利用技 术研究和工业化试验 之电解锰渣制取建材产品鉴定资料 R J 作者简介 ： 单位地 址 ： 联系电话 ： 王勇( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 研究员， 副总工程师， 从事工业废渣应用 研究及混凝土研究工作。 贵阳市沙冲南路 1 3 号( 5 5 0 0 0 2 ) 1 3 7 6 5 0 0 71 2 7 上接第 1 0页 温度。其内部水分的蒸发， 吸收大量的热量， 使地表温度和气温 下， 其表面温度会更低， 这对下过雨后的城市而言， 高透水混凝 均得到降低 ， 同时使得空气的湿度也会增大。这充分表明， 当雨 土积蓄的水分会大大延迟表面高温的到来。 后天晴， 太阳照到城市不透水地面， 温度迅速上升时， 若采用高 透水混凝土地面， 其内部积蓄的水分蒸发， 会延迟高温的到来。 ： - 一 l + 透水混凝土 I 1 + 湿润透水混凝土l 0 一 n 可 r 、 三 = =2 。 时 间 图 7 高透水混凝土干燥与湿润状态 下的温度对 比 5结语 经过试验监测 ， 高透水性混凝土是一种透水、 蓄水性能的 良好下垫层材料， 其表面温度低于普通混凝土表面的温度， 大面 积铺设， 可以有效地降低城市热岛效应的发生。 尤其是湿润状态 参 考 文 献 ： 【 】 杨士弘， 等 城市生态环境学 M 】 京 ： 科学出版社， 2 0 0 3 ： 7 2 - 7 7 【 2 】 杨士弘 广州城市气候初探城市气候与城市规划 M 】 北京 ： 科学出 版 社 3 】陈亮， 张弘， 等 硬化路面与温度场响应模型研究【 J 环境科学研究， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 7 1 - 7 4 【 4 】 王庆祝 透水沥青路面在我国湿热多雨地区城市道路的应用 J 】 中外 公路， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 2 7 2 9 【 5 】 王波 透水性硬化路面及铺地的应用前景【 J 建筑技术， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 6 5 9 - 6 6 0 作 者简介 单位 地址 ： 联 系电话 ： 王从锋( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 从事生态混凝土材料方 面的教学和科研工作。 湖北省宜昌市 三峡大学水利与环境学院( 4 4 3 0 0 2 ) 1 3 9 8 6 7 8 8 71 9 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m