環(huán)保型多孔路面材料設計理念與架構
本世紀以來，缺乏環(huán)保意識的經(jīng)濟發(fā)展模式和基礎設施建設方式使自然環(huán)境問題變得愈來愈突出，與此同時，人們對生活質量的要求卻愈來愈高?；谶@一背景，國家提出了建設資源節(jié)約、環(huán)境友好“兩型”社會的發(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域，城市基礎設施功能提升成為該領域研究的重要課題。
在我國城市化的進程中，道路交通基礎設施建設和維護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)保等社會發(fā)展方向相悖的系列問題。
1 城市密實路面鋪裝存在的問題
城市密實路面鋪裝材料帶來的問題突出表現(xiàn)在如下方面。
1.1 城市地下水補充不足和地表洪水泛濫
首先，密實的路面鋪裝使?jié)B入地下的雨水大幅減少，地下水得不到補充，許多城市的地下水呈現(xiàn)出漏斗狀，嚴重損害了城市的水平衡，從而破壞了城市地表的生態(tài)平衡并導致地層下陷。其次，這種表面致密的路面在雨天不能及時排水，容易形成路表水膜或路面積水，導致行車出現(xiàn)水漂、水霧現(xiàn)象，增大了交通事故發(fā)生率。同時，這種不透水的路面在暴雨時易導致地面徑流量急劇增高，很快出現(xiàn)峰值，引發(fā)城市內(nèi)澇災害。此外，傳統(tǒng)的非透水性路面片面強調路表的防水防滲性，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，嚴重影響雨水的資源化利用。
1.2 道路交通噪聲問題日益嚴重
日益增長的汽車保有量致使道路交通噪聲對城市居民、路域生態(tài)的影響越來越嚴重。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，路面材料與結構顯著影響著道路交通噪聲的大小。研究表明：當車速大于等于50 km·h-1時，輪胎/路面噪聲在道路交通噪聲中所占的比重約為80%；當車速大于80 km·h-1時，密實型的SMA和AC路面噪聲測試值分別為68.5 dB和72.1 dB。
1.3 城市熱島效應加劇
傳統(tǒng)的瀝青路面在白天能吸收和儲存大量熱量，夜間不斷向外部環(huán)境輸出，造成外部環(huán)境溫度的升高，導致了城市熱島效應。世界各國的較大城市目前都存在著城市熱島效應，而且隨著城市的不斷發(fā)展擴大，這種小氣候變化的綜合現(xiàn)象將會越來越明顯。城市熱島效應的不利影響包括：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。密實的路面鋪裝是城市熱島效應的主要誘因。
1.4 汽車尾氣路面凈化難以高效實現(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。而在密實路面上負載尾氣分解材料存在負載面積有限，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計理念與研究進展
傳統(tǒng)路面作為道路結構中與行車荷載和自然環(huán)境直接作用的組成部分，對其提出的傳統(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)保型路面材料應當以多孔而不是密實為特征，并且同時具有通行與環(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 多孔路面的空隙結構與滲水效果
路面的各個結構層，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。當僅表面層采用多孔材料時，如圖2（a）的Ⅰ型結構，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。當面層和基層均采用多孔透水材料時，如圖2（b）的Ⅱ型結構，除了具備Ⅰ型的功能外，路面還有儲水，減少地面徑流量，減輕暴雨時城市排水系統(tǒng)的負擔等功能。當路基也采用透水性材料時，如圖2（c）的Ⅲ型結構，除了具備Ⅰ型和Ⅱ型的功能外，另一個重要的特點是補充城市地下水資源，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構
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構實現(xiàn)，但是當路面功能設計定位的不同，多孔降噪瀝青混合料與透水瀝青混合料在空隙設計上存在一定的差異。透水瀝青混合料的滲透能力主要與連通空隙率有關，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%，且公稱最大粒徑較小（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用過程中面臨的主要問題。因此開展瀝青膠結料的性能提升，以及多孔瀝青路面材料養(yǎng)護維護技術的研究，對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，能夠吸收水分，當環(huán)境溫度較高時，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，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”作用。其實現(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，夏季高溫時，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用和研究主要為室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗路段鋪筑，針對大面積工程應用還需要開發(fā)專用的施工機械。為了提升保水降溫效果，需要開展吸水、持水能力強、強度和穩(wěn)定性好的保水性材料研發(fā)，同時在季凍區(qū)，這類材料在凍融作用下的耐久性以及養(yǎng)護方法也需要進一步研究。
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，若能夠將從排氣管道排出的汽車尾氣凈化成對人體無害的物質，將會有效的減少空氣污染。其實現(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，通過把光能轉化為化學能，將汽車尾氣中的主要污染物質碳氧化物和氮氧化物污染物催化氧化為無害物質。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，重復使用，圖7所示為路面材料分解尾氣的技術路徑。
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段，但更多的研究主要是在室內(nèi)試驗開展的，還未進行大規(guī)模的工程應用。目前主要的技術瓶頸在于涂覆在密實路面材料上的涂料不僅容易磨損，而且會降低路面的抗滑安全性能，因而限制了其推廣應用。而多孔路面材料具有較大的構造深度，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構有助于捕獲尾氣，減少其在大氣中的擴散，提高了尾氣的降解效率。
（a）涂覆涂料
（b）光催化反應
（c）沖刷污染物去除
（d）功能恢復
圖7 路面材料分解尾氣的技術路徑
通過這種方式可以將汽車尾氣剛剛排出時就開始對其凈化，吸收面積大，無需能源，材料環(huán)保，其凈化效果顯著，應用前景良好。這種分解凈化尾氣路面材料需要進一步研究凈化效果的耐久性、長期耐磨耗性能，同時需要建立標準化的測試方法與設備。
3 環(huán)境友好多孔路面材料設計架構的關鍵問題
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構再負載相關功能。盡管多孔路面材料目前已有較廣泛的應用，但材料設計架構尚存在關鍵問題有待進一步研究。
3.1 多孔路面材料力學結構模型
多孔路面材料具有20%左右高空隙率的骨架空隙結構，集料與集料間的接觸面積較小，結構的穩(wěn)定性要求高，在有限的接觸點數(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穩(wěn)定性，需要系統(tǒng)深入研究其力學結構模型。
3.2 多孔路面材料接觸界面粘結強度形成機理
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)研究集料和結合料的接觸界面強度形成機理，對于提高集料和結合料的粘結強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計理論與方法
多孔路面材料的組成特點和功能目標決定了其服役環(huán)境相對復雜，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計理論與方法。
4 結語
（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立的，應根據(jù)道路和環(huán)境的要求，系統(tǒng)設計、協(xié)同實現(xiàn)路面材料的各項環(huán)保功能。
（2）多孔路面材料與密實路面材料在組成、結構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，還有待對材料的力學模型、行為理論等關鍵內(nèi)容進行深入系統(tǒng)的研究。
（3）以多孔結構以主體或基體材料實現(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、功能的標準化評價方法、尾氣分解效率提升和養(yǎng)護方法等還有待進一步研究。
（4）對路面從單一的通道功能到綜合的通道加環(huán)境友好功能認識的改變，其意義不僅僅在于拓展路面的功能，而且是在于引發(fā)路面技術的變革。這將導致路面材料和結構技術設計理念的更新，乃至新一代路面設計理論和施工技術的形成。其結果將豐富和發(fā)展現(xiàn)代道路工程以及相關學科知識體系，帶動現(xiàn)代道路工程技術進步和相關社會產(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