透水沥青路面研究综述_徐书东.pdf

-156-透水沥青路面研究综述徐书东，董 昭，柳久伟，李作钰（山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）摘要：从原材料及沥青技术指标控制、混合料配合比设计等方面对透水沥青混合料材料组成设计进行了总结，推荐了沥青、原材料、空隙率等关键指标控制标准；针对透水沥青路面发展进程中遇到的空隙堵塞、早期破坏、承载力不足等问题提出了进一步研究建议。关键词：透水沥青路面；功能特点；空隙率；道路工程中图分类号：U414 文献标识码：AReview on permeable asphalt pavementXU Shudong,DONG Zhao,LIU Jiuwei,LI Zuoyu（Shangdong Transportation Institute,Shangdong Jinan 250031 China）Abstract:This paper summarizes the material composition design of permeable asphalt mixture from the aspects of raw materials and asphalt technical index control,mixture proportion design,etc.,and recommends the control standards of key indicators such as asphalt,raw materials,porosity,etc.In view of the problems encountered in the development process of permeable asphalt pavement,such as void blockage,early failure and insufficient bearing capacity,further research suggestions are put forward.Key words:permeable asphalt pavement;functional features;void fraction;road engineering引言2012 年“海绵城市”建设发展战略首次被提出，即城市能够向海绵一样，采用渗、滞、蓄、净、用、排等措施提升城市生态系统功能1。透水路面作为海绵城市建设的重要组成部分，起源于二十世纪四十年代的美国2，主要作为超薄磨耗层用于改善路面的抗滑性能，其设计空隙率较低均 18%。应用早期由于设计不合理、沥青黏附性不足等问题，透水沥青混合料容易出现早期病害，VOSKUILEN等3指出透水路面发生松散剥落病害，主要是由于沥青胶结料的动力黏度和黏附性不足。BIN 等4研制出高黏度改性沥青，其 60 动力黏度 20 000 Pas，显著提高了沥青与集料间的黏附性，对于缓解透水路面的早期病害具有良好的改善作用。ALVAREZ 等5研究了沥青混合料空隙率与渗透系数间的关系，提出当空隙率 17%时，其渗透系数会随空隙率的增大显著增加。JIANG 等 6-7分析了透水路面在高温季节的降温效果，研究表明由于毛细管水的蒸发作用及混合料空隙的保水作用，高温季节透水路面路表温度可比密实路面降低 8。蒋玮8基于水力学理论建立了透水路面储水-透水渗透模型，优化了透水沥青混合料配合比设计方法。曾哲等9提出当空隙率为 20%时，混合料高温抗车辙性能最好，随空隙率的增大，混合料水稳定性逐渐降低。韩森 等10提出掺加纤维可以显著提高透水沥青混合料的路用性能和耐久性能。赵丽华等11-12综合考虑透水沥青混合料的渗水性能和路用性能，提出了透水路面的典型结构形式。赵曜和佟蕾13基于 CT 技术分析了细观空隙特征对地表径流重金属污染物的净化机理，研究表明空隙率、比表面积、空隙体积、分形维数等指标均对透水沥青混合料的净水效果有着重要影响。1 透水沥青路面功能特点1.1 缓解城市内涝、补充地下水资源透水沥青路面作为一种多孔材料，通常设计空隙率 18%，降落到路面结构内的雨水通过混合料间的连通空隙渗入到排水结构层，并通过道路两侧的排水沟将雨水汇入到城市排水系统，由于混合料良好的透水性能，可以减缓径流曲线，降低峰值流量，有效缓解城市排水系统的泄洪压力。此外，雨水直接下渗，经过路面材料的截留、吸附，可以起到良收稿日期：2022-03-31作者简介：徐书东（1990），男，山东聊城人，硕士研究生，工程师，研究方向为道路工程材料。-157-2022 年第 6 期山东交通科技好的滤化作用，研究表明经过透水路面的净化作用，可以有效减少地表径流中的 TP、Pb、COD 等污染物，从而得到水质相对较好的地下水，恢复水生态14。1.2 降低行车噪音交通噪声是由于行车过程中汽车轮胎与路面间空气的抽吸与压缩，轮胎在路面上振动而产生15。透水沥青混合料间存有较多的空隙结构，当机车轮胎与地面接触时，可以有效的破坏轮胎-路面间的泵吸作用，减少噪声。此外，噪声在混合料空隙间传播过程中，由于空隙的反射、吸声作用，可以降低噪声的传播。相关研究表明透水路面可以降低路面噪音 3 6 dB，有效缓解交通噪声的影响。1.3 缓解城市热岛效应沥青路面由于呈深黑色具有更强的吸热能力，导致沥青材料在夏季吸热后路面温度明显高于其他路面材料。沥青路面在白天吸收和储存的大量热量，夜间不断向外部环境输出，造成外部环境温度的升高，加剧了城市热岛效应。透水路面作为一种多孔材料，在混合料内部形成连续的毛细管路，太阳辐射作用下，毛细管内的水会不断蒸发，在这个过程中需要吸收大量热，从而起到降温作用6。透水路面对热量的吸收率更小，其内部的空隙是相互连通的，更便于路面结构内部与外界环境进行热交换作用，降低路面温度，有效缓解路面高温病害问题。研究证明高温季节透水路面路表温度通常比密实路面低 6 8。1.4 提高行车安全性透水路面由于其良好的透水效果，可保证路表不积水，减少车辆行驶过程中水雾的产生，改善车轮与路面间的附着力，提高路面的抗滑性能，防止水漂事故的发生。其次，透水路面主要由粗骨料组成，混合料表面更粗糙，易于形成漫反射，白天可以防止阳光耀眼，夜间可以减缓车灯的炫目。此外，透水路面构造深度更大，具有更好的抗滑性能，可以提高行车安全性，减少交通事故的发生。2 透水沥青路面材料组成设计2.1 原材料技术指标控制透水沥青混合料主要由粗骨料组成，粗集料用量约占混合料总质量的 85%，集料间的接触由面接触变成点接触，接触点应力得到提高，原材料技术指标对沥青混合料性能有着重要影响。原材料强度不足直接影响着透水沥青混合料的级配组成和空隙率的形成，透水路面宜选用高强度、耐磨耗、抗冲击性强的玄武岩、辉绿岩作为原材料，且应严格控制原材料压碎值、磨耗值等指标，为保证混合料的空隙结构及耐久性要求，结合室内研究成果建议集料压碎值宜 20%，磨耗值宜 22%。2.2 沥青技术指标控制高黏度改性沥青作为透水路面的胶结料，其主要特点是沥青 60 动力黏度高于 20 000 Pas，改善混合料高低温性能的同时增强了沥青与集料间的黏附性，防止沥青混合料松散剥落病害的发生。相关研究指出沥青 60 动力黏度指标对混合料高温性能有着重要影响，结合室内研究表明当沥青 60 动力黏度 50 000 Pas 时，透水沥青混合料的抗车辙性能处于稳定状态，见图 1。推荐透水沥青路面用高黏度改性沥青应保证其 60 动力黏度 50 000 Pas。图 1 沥青 60 动力黏度与混合料动稳定度关系曲线2.3 配合比设计方法透水沥青混合料配合比设计不再采用马歇尔击实法，混合料设计首先根据集料表面积和沥青膜厚度计算初始沥青用量，并根据飞散和析漏损失变化曲线确定混合料最佳沥青用量，见图 2。图 2 透水沥青混合料最佳沥青用量确定方法透水路面在组成结构形态上属于骨架-空隙结构，合理的空隙率设计是保证其良好路用性能的同时兼具透水、降噪等环保性能的关键。相关研究表明随空隙率的增大，混合料渗透系数呈非线性增加，但过大的空隙率会影响混合料的路用性能，容易出现松散病害，见图 3。综合国内外研究成果，推荐透徐书东，董 昭，柳久伟，李作钰：透水沥青路面研究综述-158-水沥青混合料空隙率宜控制为 20%2%。图 3 透水沥青混合料空隙率设计3 透水沥青路面待解决问题及建议3.1 空隙堵塞透水沥青路面发挥抗滑、降噪、透水等特殊功能主要依赖于其连通的空隙结构，在交通荷载和自然环境的作用下，空气中粉尘、轮胎黏附的尘土颗粒等物质极易堵塞空隙，导致混合料空隙率逐年降低，影响其功能性的发挥。研究表明随行车荷载的作用，初始阶段透水路面渗透系数会发生逐渐衰减，但及时对沥青路面进行清扫，可保证沥青路面后期仍能保持较好的透水效果。因此，制定合理的清洗方案，加强路面养护工作，设计合理的透水路面组合结构，研发透水路面自清洗设备，采用负压泵吸、高压冲洗等多种手段及时对透水路面进行清扫养护是保证其功能特点的关键。3.2 早期破坏透水沥青混合料间空隙较大，在阳光与空气的作用下沥青更易老化，影响沥青混合料的性能。此外，雨水沿混合料间的连通空隙下渗滞留在混合料空隙间，导致空气或水活跃于透水路面结构层内部，易造成沥青与集料的分离并导致矿料颗粒剥离，导致透水路面松散剥落病害的发生。高黏度改性沥青作为透水路面的胶结料，是保证混合料耐久性的关键因素，现阶段仅以 60 动力黏度作为高黏沥青的评价标准，并不能保证沥青稳定性，尚需开展高黏度改性沥青技术指标研究，建立高黏改性沥青合理评价体系，从而确保透水沥青路面的强度和耐久性。3.3 承载力不足透水沥青混合料集料颗粒间为点接触，混合料强度较低，现阶段更多的应用于交通量较小的城市道路。相反，透水路面应优先考虑应用于高速公路、快速路等道路中，以充分发挥其良好的抗滑、降噪等功能，且车辆高速行驶过程中，轮胎与路面间产生的压力会将灰尘等杂质从路面孔隙中吸出，减少混合料间的空隙堵塞。因此，尚需致力于透水沥青混合料级配优化和高品质沥青改性剂的研发，增强集料颗粒间的嵌挤力和黏聚力，提升混合料强度是推广透水沥青路面工程应用的关键。4 结语（1）从社会、环境效益方面分析了透水沥青路面排水、降噪、抗滑、缓解城市热岛效应等功能特点，研究表明较大的空隙率是其发挥功能特点的保障。（2）从原材料技术指标控制、沥青胶结料技术指标控制、配合比设计方法等方面对透水沥青混合料材料组成设计进行了论述，推荐了沥青、原材料、空隙率等关键指标控制标准。（3）针对透水路面发展进程中遇到的空隙堵塞、早期破坏、承载力不足等问题提出进一步研究建议。参考文献：1 程菓.山地海绵城市透水性路面研究与应用D.重庆:重庆交通大学,2018.2 KAWAKAMI A,KUBO K,SASAKI I,et al.Study on the recycling method for drainage asphalt pavement and evaluation for its durabilityJ.Advanced Materials Research,2013（723）:664-669.3 VOSKUILEN J L M,HAMZAH M O,ABDULLAH N H.Laboratory simulation of the clogging behaviour of single-layer and two-layer porous asphaltJ.Road Materials and Pavement Design,2013,14（1）:107-125.4 BIN X,JINGYUN C,MINGLIANG L.Experimental investigation of preventive maintenance materials of porous asphalt mixture based on high viscosity modified bitumenJ.Construction and Building Materials,2016:681-689.5 ALVAREZ A E,MARTIN A E,ESTAKHRI C.A review of mix design and evaluation research for permeable friction course mixturesJ.Construction&Building Materials,2011,25（3）:1159-1166.6 JIANG W,SHA A M,XIAO J J.Experimental study on materials composition design and mixture performance of water-retentive asphalt concrete J.ConstructionandBuildingMaterials,2016（111）:128-138.7 QIN Y.A review on the development of cool pavements to mitigate urban heat island effectJ.Renewable&Sustainable Energy Reviews,2015（52）:445-459.8 蒋玮.透水沥青路面材料和结构的组成设计与功能评价D.西安:长安大学,2011.9 曾哲,刘星,罗蓉.空隙率对透水沥青混合料路用性-159-2022 年第 6 期山东交通科技能的影响J.中外公路,2019,39（6）:220-224.10 韩森,李晓娟,张宜洛.纤维对 OGFC 沥青混合料性能影响研究J.武汉理工大学学报,2010,32（1）:65-69.11 熊子佳,程金梁,邓成.高黏改性剂对沥青及 OGFC 混合料性能的影响J.大连交通大学学报,2017,38（5）:94-97.12 赵丽华,杨志浩,许斌.基于透水性能的全透水沥青路面结构设计J.中外公路,2019,39（4）:26-32.13 赵曜,佟蕾.细观空隙特征对透水沥青面层去除径流中Pb2+的影响机制研究 J.重庆交通大学学报:自然科学版,2018,37（5）:41-46.14 蒋玮,袁东东,肖晶晶.多孔路面材料与厚度对地表径流的净化效能J.江苏大学学报（自然科学版）,2017，38（2）:230-235.15 沙爱民,蒋玮.环保型多孔路面材料设计理念与架构 J.中国公路学报,2018,31（9）:5-10.（上接第 149 页）3.3 实施效果采用动态设计与信息化施工取得了良好的应用效果，具体归纳如下：（1）可以降低安全事故发生的机率，确保施工安全。例如，在施工过程中一旦出现岩石破碎夹泥等异常现象，就需要暂停施工，对异常现象发生地附近展开实地摸排调查，查明具体的地质情况后分析它对施工可能造成的危害以及影响范围，依据探查的新地质信息，及时做出方案修改，调整施工。（2）可以提高产能，减少不必要的工程浪费。例如，根据实际情况，灵活选择支柱形式以适应山区不同类别的围岩情况，减少工程浪费；以安全可靠为根本原则，创新地采用新的衬砌支护设计，提高产能。4 结语随着建设项目施工管理领域信息化数字化手段的推广，对于建设项目设计阶段和施工阶段的数据、文档、模型，以项目管理平台的形式进行数字化交付，为运维期的基础设施数字孪生，智慧化运维提供基础数据。通过建设协同管理平台，进行人员设备定位、监控量测、动态风险评估等操作，提升项目安全管控水平，降低项目建设过程中安全事故发生的概率，减少不必要的损失。采用动态设计与信息化施工技术方案，将会加强设计与施工的联系，方便交流的同时也方便各方随时获悉施工进度，随时进行指导，缩短项目周期，提高效率。参考文献：1 孙莉,刘琦.数字化测绘技术在公路改扩建中的应用 J.地理空间信息,2010,8（3）:25-26.2 中华人民共和国交通运输部.公路工程施工信息模型应用标准:JTG/T 24222021S.北京:人民交通出版社,2021.3 翟永聪.车载激光扫描测量技术在数字高程模型成果高程精度检测中的应用分析J.经纬天地,2021,1（5）:24-27.