環(huán)保型多孔路面材料設(shè)計(jì)理念與架構(gòu)
本世紀(jì)以來，缺乏環(huán)保意識(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方式使自然環(huán)境問題變得愈來愈突出，與此同時(shí)，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求卻愈來愈高?；谶@一背景，國家提出了建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好“兩型”社會(huì)的發(fā)展方向，城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展成為國家中長期科技發(fā)展綱要的主要研究領(lǐng)域，城市基礎(chǔ)設(shè)施功能提升成為該領(lǐng)域研究的重要課題。
在我國城市化的進(jìn)程中，道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)過程中面臨著人與自然的和諧、交通安全與效率、環(huán)境污染、人居條件等突出問題，傳統(tǒng)的密實(shí)型路面一方面滿足了車輛和行人的通行要求，但另一方面帶來了與節(jié)能環(huán)保等社會(huì)發(fā)展方向相悖的系列問題。
1 城市密實(shí)路面鋪裝存在的問題
城市密實(shí)路面鋪裝材料帶來的問題突出表現(xiàn)在如下方面。
1.1 城市地下水補(bǔ)充不足和地表洪水泛濫
首先，密實(shí)的路面鋪裝使?jié)B入地下的雨水大幅減少，地下水得不到補(bǔ)充，許多城市的地下水呈現(xiàn)出漏斗狀，嚴(yán)重?fù)p害了城市的水平衡，從而破壞了城市地表的生態(tài)平衡并導(dǎo)致地層下陷。其次，這種表面致密的路面在雨天不能及時(shí)排水，容易形成路表水膜或路面積水，導(dǎo)致行車出現(xiàn)水漂、水霧現(xiàn)象，增大了交通事故發(fā)生率。同時(shí)，這種不透水的路面在暴雨時(shí)易導(dǎo)致地面徑流量急劇增高，很快出現(xiàn)峰值，引發(fā)城市內(nèi)澇災(zāi)害。此外，傳統(tǒng)的非透水性路面片面強(qiáng)調(diào)路表的防水防滲性，將自然降雨與路面下部土層及地下水完全阻斷，降雨只能通過城市排水系統(tǒng)管網(wǎng)排入江、河、湖、海等地表水源中，嚴(yán)重影響雨水的資源化利用。
1.2 道路交通噪聲問題日益嚴(yán)重
日益增長的汽車保有量致使道路交通噪聲對(duì)城市居民、路域生態(tài)的影響越來越嚴(yán)重。近年來，在我國環(huán)境投訴案件中，噪聲投訴的比重正逐年提高，在特大城市已經(jīng)高達(dá)40%以上。而道路交通噪聲的主要組成是輪胎與路面之間相互作用產(chǎn)生的噪聲，路面材料與結(jié)構(gòu)顯著影響著道路交通噪聲的大小。研究表明：當(dāng)車速大于等于50 km·h-1時(shí)，輪胎/路面噪聲在道路交通噪聲中所占的比重約為80%；當(dāng)車速大于80 km·h-1時(shí)，密實(shí)型的SMA和AC路面噪聲測試值分別為68.5 dB和72.1 dB。
1.3 城市熱島效應(yīng)加劇
傳統(tǒng)的瀝青路面在白天能吸收和儲(chǔ)存大量熱量，夜間不斷向外部環(huán)境輸出，造成外部環(huán)境溫度的升高，導(dǎo)致了城市熱島效應(yīng)。世界各國的較大城市目前都存在著城市熱島效應(yīng)，而且隨著城市的不斷發(fā)展擴(kuò)大，這種小氣候變化的綜合現(xiàn)象將會(huì)越來越明顯。城市熱島效應(yīng)的不利影響包括：增加了居民降溫的能耗，增大了氣體污染物質(zhì)和溫室氣體的釋放量，劣化了人居環(huán)境的舒適度，損壞了居民的身體健康。密實(shí)的路面鋪裝是城市熱島效應(yīng)的主要誘因。
1.4 汽車尾氣路面凈化難以高效實(shí)現(xiàn)
汽車尾氣是城市氣體污染的主要來源。道路行車帶是汽車尾氣排放的主要區(qū)域，增加以路面為載體的汽車尾氣凈化功能是降低城市氣體污染的一種有效途徑。而在密實(shí)路面上負(fù)載尾氣分解材料存在負(fù)載面積有限，分解材料容易磨耗，分解效能低等局限性。
2 環(huán)保型多孔路面材料設(shè)計(jì)理念與研究進(jìn)展
傳統(tǒng)路面作為道路結(jié)構(gòu)中與行車荷載和自然環(huán)境直接作用的組成部分，對(duì)其提出的傳統(tǒng)要求是承重、平整、安全和耐久。而現(xiàn)代路面除了要有上述從保證正常的道路行駛條件出發(fā)而提出的基本要求之外，還應(yīng)該從改善人居環(huán)境的角度出發(fā)，具有透水、降噪、低吸熱、減小汽車尾氣污染等新的環(huán)保功能。
綜上而言，新一代環(huán)保型路面材料應(yīng)當(dāng)以多孔而不是密實(shí)為特征，并且同時(shí)具有通行與環(huán)保功能。
2.1 具有透水功能的路面材料
采用空隙率為18%～25%的多孔開級(jí)配材料能夠使路面具有良好的透水性。雨水降落至路面后通過連通孔隙下滲，從而可以保證雨天時(shí)路表沒有積水，如圖1所示。
（b）滲水效果
圖1 多孔路面的空隙結(jié)構(gòu)與滲水效果
路面的各個(gè)結(jié)構(gòu)層，面層、基層都可以采用多孔材料，以滿足不同的透水功能要求。當(dāng)僅表面層采用多孔材料時(shí)，如圖2（a）的Ⅰ型結(jié)構(gòu)，路面主要功能是排除路面積水、降低噪聲、提高路面抗滑性能和行車安全性能。當(dāng)面層和基層均采用多孔透水材料時(shí)，如圖2（b）的Ⅱ型結(jié)構(gòu)，除了具備Ⅰ型的功能外，路面還有儲(chǔ)水，減少地面徑流量，減輕暴雨時(shí)城市排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)等功能。當(dāng)路基也采用透水性材料時(shí)，如圖2（c）的Ⅲ型結(jié)構(gòu)，除了具備Ⅰ型和Ⅱ型的功能外，另一個(gè)重要的特點(diǎn)是補(bǔ)充城市地下水資源，改善道路周邊的水平衡和生態(tài)條件，提供良好的人居環(huán)境。
圖2 具有透水功能的路面結(jié)構(gòu)
圖3 低噪聲路面聲源傳播路徑與途徑
盡管降噪功能也可以通過采用多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)路面功能設(shè)計(jì)定位的不同，多孔降噪瀝青混合料與透水瀝青混合料在空隙設(shè)計(jì)上存在一定的差異。透水瀝青混合料的滲透能力主要與連通空隙率有關(guān)，而在多孔瀝青混合料中，除了空隙率的大小，孔隙的空間分布狀態(tài)和孔隙數(shù)量、空隙間孔洞長度等參數(shù)都將顯著的影響混合料的降噪效果。一般而言，側(cè)重降噪功能的多孔瀝青混合料空隙率通常在20%～23%，且公稱最大粒徑較?。?/span>Porous Asphalt Concrete，PAC-10, PAC-8）的多孔瀝青混合料降噪效果更顯著。
與透水瀝青混合料路用性能相似，松散和剝落，以及污染物和顆粒造成的孔隙堵塞是多孔瀝青混合料在應(yīng)用過程中面臨的主要問題。因此開展瀝青膠結(jié)料的性能提升，以及多孔瀝青路面材料養(yǎng)護(hù)維護(hù)技術(shù)的研究，對(duì)于解決透水瀝青混合料和多孔瀝青混合料的性能和功能耐久性的具有重要意義。
2.3 具有降溫功能的路面材料
常規(guī)的路面材料熱容小、吸熱快，在太陽輻射下，升溫迅速，是城市熱島效應(yīng)日益加劇的主要原因，圖4所示為夏季城市不同下墊面紅外熱成像溫度。
圖4 夏季城市不同下墊面紅外熱像圖（氣溫為35℃）
可以通過改變路面材料的熱物理性質(zhì)和路面與環(huán)境的熱交換方式，從而得到具有降溫功能的路面。具體的實(shí)現(xiàn)途徑為，以多孔路面材料為基體，在其孔隙中灌注吸水保水性材料，這種材料具有較好的吸水和保水能力（圖5）。在雨天或者灑水時(shí)，能夠吸收水分，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，利用路面材料中持有的水分蒸發(fā)來降低路面溫度，減弱熱量在瀝青路面中的積累，改善瀝青路面的熱輻射效應(yīng)，可以降低路表和路域的環(huán)境溫度，為道路周圍的的行人和行車提供舒適的環(huán)境，從而起到緩解城市“熱島效應(yīng)”作用。其實(shí)現(xiàn)原理如圖6所示。
圖5 以多孔瀝青路面為基體的保水瀝青路面
圖6 路面降溫原理示意
這種多孔保水瀝青混合料對(duì)路面的降溫效果同路表蒸發(fā)、路面含水量、表面反射率密切相關(guān)，夏季高溫時(shí)，在充分保水的條件下，保水瀝青路面較普通的瀝青路面的降溫幅度最高達(dá)10 ℃~15 ℃以上，白天平均降溫8 ℃，夜晚降溫3 ℃，10 cm厚度的保水路面在降雨吸水后的降溫能力能夠保持1周。目前多孔保水瀝青混合料的應(yīng)用和研究主要為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)路段鋪筑，針對(duì)大面積工程應(yīng)用還需要開發(fā)專用的施工機(jī)械。為了提升保水降溫效果，需要開展吸水、持水能力強(qiáng)、強(qiáng)度和穩(wěn)定性好的保水性材料研發(fā)，同時(shí)在季凍區(qū)，這類材料在凍融作用下的耐久性以及養(yǎng)護(hù)方法也需要進(jìn)一步研究。
2.4 具有分解汽車尾氣功能的路面材料
路面材料是汽車尾氣的直接承受者，若能夠?qū)呐艢夤艿琅懦龅钠囄矚鈨艋蓪?duì)人體無害的物質(zhì)，將會(huì)有效的減少空氣污染。其實(shí)現(xiàn)路徑可以通過在路面材料表面涂刷光催化涂料，在日光或可見光的照射下，通過把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，將汽車尾氣中的主要污染物質(zhì)碳氧化物和氮氧化物污染物催化氧化為無害物質(zhì)。這種光催化涂料在雨水或人工灑水的作用下，能夠活化再生，重復(fù)使用，圖7所示為路面材料分解尾氣的技術(shù)路徑。
這種分解尾氣路面在意大利米蘭（Milan）, 丹麥哥本哈根（Copenhagen）, 中國南京等地鋪筑了試驗(yàn)段，但更多的研究主要是在室內(nèi)試驗(yàn)開展的，還未進(jìn)行大規(guī)模的工程應(yīng)用。目前主要的技術(shù)瓶頸在于涂覆在密實(shí)路面材料上的涂料不僅容易磨損，而且會(huì)降低路面的抗滑安全性能，因而限制了其推廣應(yīng)用。而多孔路面材料具有較大的構(gòu)造深度，大大減少了光催化涂料與車輪的接觸，有效避免了涂料的磨耗與剝落；相對(duì)凹凸的表面，增大了光催化涂料與尾氣的接觸面積，提高了單位面積上路面的尾氣降解能力；此外，多孔路面中的孔隙結(jié)構(gòu)有助于捕獲尾氣，減少其在大氣中的擴(kuò)散，提高了尾氣的降解效率。
（a）涂覆涂料
（b）光催化反應(yīng)
（c）沖刷污染物去除
（d）功能恢復(fù)
圖7 路面材料分解尾氣的技術(shù)路徑
通過這種方式可以將汽車尾氣剛剛排出時(shí)就開始對(duì)其凈化，吸收面積大，無需能源，材料環(huán)保，其凈化效果顯著，應(yīng)用前景良好。這種分解凈化尾氣路面材料需要進(jìn)一步研究凈化效果的耐久性、長期耐磨耗性能，同時(shí)需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的測試方法與設(shè)備。
3 環(huán)境友好多孔路面材料設(shè)計(jì)架構(gòu)的關(guān)鍵問題
上述四種環(huán)境友好路面材料都是采用多孔瀝青混合料或者以其為母體結(jié)構(gòu)再負(fù)載相關(guān)功能。盡管多孔路面材料目前已有較廣泛的應(yīng)用，但材料設(shè)計(jì)架構(gòu)尚存在關(guān)鍵問題有待進(jìn)一步研究。
3.1 多孔路面材料力學(xué)結(jié)構(gòu)模型
多孔路面材料具有20%左右高空隙率的骨架空隙結(jié)構(gòu)，集料與集料間的接觸面積較小，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求高，在有限的接觸點(diǎn)數(shù)量和接觸面積的條件下，如何保證材料的承載力，并且保持骨架在拉、壓、剪等各種行車荷載的作用下力學(xué)穩(wěn)定性，需要系統(tǒng)深入研究其力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。
3.2 多孔路面材料接觸界面粘結(jié)強(qiáng)度形成機(jī)理
空隙的存在使得路面材料內(nèi)部更多地暴露于水、空氣、紫外線等環(huán)境因素作用中，系統(tǒng)研究集料和結(jié)合料的接觸界面強(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)于提高集料和結(jié)合料的粘結(jié)強(qiáng)度與耐久性具有重要的意義。
3.3 多場耦合下的多孔路面材料設(shè)計(jì)理論與方法
多孔路面材料的組成特點(diǎn)和功能目標(biāo)決定了其服役環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，是吸聲、透水、傳熱、受力等多物理場的作用與平衡。因此，需要研究水、熱、聲、力等多物理場耦合下多孔路面材料的性能演化規(guī)律，建立多物理場耦合作用下的多孔路面材料設(shè)計(jì)理論與方法。
4 結(jié)語
（1）本文所介紹的環(huán)保型多孔路面材料的降噪、透水、降溫與分解汽車尾氣等功能并不是獨(dú)立的，應(yīng)根據(jù)道路和環(huán)境的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、協(xié)同實(shí)現(xiàn)路面材料的各項(xiàng)環(huán)保功能。
（2）多孔路面材料與密實(shí)路面材料在組成、結(jié)構(gòu)與性能等方面存在著根本的差異，材料的功能與性能之間存在著矛盾、平衡與協(xié)同，因此，還有待對(duì)材料的力學(xué)模型、行為理論等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。
（3）以多孔結(jié)構(gòu)以主體或基體材料實(shí)現(xiàn)了路面降噪、透水、降溫與分解汽車尾氣等功能，但各類材料的耐久性、功能的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)方法、尾氣分解效率提升和養(yǎng)護(hù)方法等還有待進(jìn)一步研究。
（4）對(duì)路面從單一的通道功能到綜合的通道加環(huán)境友好功能認(rèn)識(shí)的改變，其意義不僅僅在于拓展路面的功能，而且是在于引發(fā)路面技術(shù)的變革。這將導(dǎo)致路面材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)理念的更新，乃至新一代路面設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的形成。其結(jié)果將豐富和發(fā)展現(xiàn)代道路工程以及相關(guān)學(xué)科知識(shí)體系，帶動(dòng)現(xiàn)代道路工程技術(shù)進(jìn)步和相關(guān)社會(huì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
圖5 以多孔瀝青路面為基體的保水瀝青路面