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Conference Poster Year : 2023

Cool Pavements to Reduce Urban Heat Island Effect: Literature Review & Finite Element Modeling

Abstract

Recently, surface temperatures in urban areas of Nantes reached more than 12° C higher than in rural areas [1]. This phenomenon has been identified as urban heat island (UHI). One of the main issues that cause UHI is when cities replace land cover by pavements, buildings, and other surfaces that absorb and retain heat. UHI reducing pavements (cool pavements) which are designed to lower surface temperature, have gained attention from city officials and researchers in recent years to mitigate UHI effect [2]. The presented work is a part of a co-tutelle PhD between University of New Hampshire and Université Gustave Eiffel, which aims to improve durability of UHI reducing pavement systems that currently exist and are under development. The first step of this PhD is a literature review to compare and critique those different UHI reducing pavement solutions, and to choose optimal ones to evaluate. While the interface between pavement layers is critical for cracking and failure of pavements [3], experimental and numerical study of their failure at the interfaces in steps 2 and 3 of the PhD will help to improve the mechanical performance of UHI reducing pavements. Step 4 is to conduct life cycle assessment to study their environmental impacts. A systematic literature search was conducted in WOS and Scopus databases additionally to several PhD thesis works found on the topic. Since the number of journal papers has been increasing a lot these last ten years, only recent publications were examined in which more than 160 recent relevant articles were chosen based on inclusion criteria. These papers have been grouped according to the type of studied solution: permeable pavements, reflective pavements, modified thermal properties pavements, energy harvesting pavements, and pavements with phase change materials. Significant lack of structural optimization, such as interface performance and layer arrangements optimization of the different multi-material proposed solutions, was observed. Finite element analysis of interfaces using cohesive zone model on Abaqus have started for studying the effects of increased surface temperature due to UHI in various solutions. The aim of this first numerical work is to get parametric results of the bond behavior between layers under mainly thermo-mechanical loadings. This should help to guide how to test experimentally test interfaces under also additional humidity controlled conditions before conducting finally the life cycle assessment study to optimize the UHI reducing urban pavements. [1] https://tiles.auran.org/ICUV2/#13.2/46.9011/-1.63485 [2] Kappou, S, Souliotis, M, Papaefthimiou, S, Panaras, G, Paravantis, J.A, Michalena, E, Hills, J.M, Vouros, A.P, Ntymenou, A, Mihalakakou, G (2022) Cool Pavements: State of the Art and New Technologies. Sustainability 2022, 14, 5159. [3] Buttlar WG, Chabot A, Dave EV, Petit C, Tebaldi G (2018) Mechanisms of Cracking and Debonding in Asphalt and Composite Pavements. Springer International Publishing, Cham. RILEM State-of-the-Art Reports 28.
Depuis quelques étés, la différence des températures des surfaces de la ville de Nantes par rapport à celles des zones rurales est de plus de 12°C [1]. Ce phénomène d’augmentation des températures en ville, concentré sur certaines zones, est appelée îlot de chaleur urbain (ICU). Associés aux changements du climat, l’ICU peut générer des drames humains. Il résulte de la couverture du sol par des matériaux de construction (bâtiments, chaussées, trottoirs et autres) qui absorbent et retiennent la chaleur. Les autorités municipales et le monde de la recherche s’intéressent aux solutions, dont de chaussées [2], réduisant ces températures. Le travail présenté ici est lié à une formation doctorale en co-tutelle à l'Université Gustave Eiffel (France) et à l'Université du New Hampshire (USA). Il vise à optimiser structurellement (performances d'interface, dispositions des couches, étendues géométriques) des systèmes de chaussées réduisant les ICU tels que proposés actuellement ou en cours de développement. L’étude bibliographique a pour objectif de comparer et critiquer les différentes solutions de chaussée existantes pour réduire l'ICU. Cette première étape vise à choisir celles qui sont optimales à évaluer. Pour se faire, en plus de plusieurs travaux de doctorats existants sur le sujet, une recherche documentaire systématique a été menée dans les bases de données WoS et Scopus. Le nombre d'articles publiés dans des revues ayant beaucoup augmenté ces dix dernières années, seules les publications récentes ont été examinées dans lesquelles plus de 160 articles récents pertinents ont été sélectionnés. Ils ont été regroupés selon le type de solution étudiée : chaussées perméables, chaussées réfléchissantes, chaussées à propriétés thermiques modifiées, chaussées à récupération d'énergie et chaussées avec des matériaux à changement de phase. L'optimisation structurelle, telle que l'optimisation des performances d'interface et des assemblages de couches des différentes solutions multi-matériaux proposées, n’est cependant que très peu investigué. Aussi en parallèle, l'analyse par éléments finis des interfaces à l’aide de modèles de zone cohésive disponibles dans Abaqus a démarré pour étudier les effets de l'augmentation de la température de surface de diverses solutions multi-matériaux. L'objectif de ce travail numérique (étape 2 du travail) est d'obtenir des résultats paramétriques du comportement de liaison entre couches sous des chargements principalement thermo-mécaniques. Ce travail numérique devrait aider à guider la manière de tester expérimentalement les interfaces dans des conditions supplémentaires d'humidité contrôlée (étape 3) avant d’entamer les évaluations de cycle de vie de ces solutions réduisant les ICU pour les optimiser (étape 4). [1] https://tiles.auran.org/ICUV2/#13.2/46.9011/-1.63485 [2] Kappou, S, Souliotis, M, Papaefthimiou, S, Panaras, G, Paravantis, J.A, Michalena, E, Hills, J.M, Vouros, A.P, Ntymenou, A, Mihalakakou, G (2022) Cool Pavements: State of the Art and New Technologies. Sustainability 2022, 14, 5159. [3] Buttlar WG, Chabot A, Dave EV, Petit C, Tebaldi G (2018) Mechanisms of Cracking and Debonding in Asphalt and Composite Pavements. Springer International Publishing, Cham. RILEM State-of-the-Art Reports 28.
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Dates and versions

hal-04002575 , version 1 (23-02-2023)

Identifiers

  • HAL Id : hal-04002575 , version 1

Cite

Sadek Tormos, Armelle Chabot, Eshan V Dave. Cool Pavements to Reduce Urban Heat Island Effect: Literature Review & Finite Element Modeling. Journées Techniques Route 2023, Feb 2023, Nantes, France. ⟨hal-04002575⟩
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