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环保型多孔路面材料设计理念与架构

文章出处:世博锐 发表时间:2019-06-11 09:06:54
0  引言

本世纪以来,缺乏环保意识的经济发展模式和基础设施建设方式使自然环境问题变得愈来愈突出,与此同时,人们对生活质量的要求却愈来愈高。基于这一背景,国家提出了建设资源节约、环境友好“两型”社会的发展方向,城镇化与城市发展成为国家中长期科技发展纲要的主要研究领域,城市基础设施功能提升成为该领域研究的重要课题。

在我国城市化的进程中,道路交通基础设施建设和维护过程中面临着人与自然的和谐、交通安全与效率、环境污染、人居条件等突出问题,传统的密实型路面一方面满足了车辆和行人的通行要求,但另一方面带来了与节能环保等社会发展方向相悖的系列问题。

1  城市密实路面铺装存在的问题

城市密实路面铺装材料带来的问题突出表现在如下方面。

1.1 城市地下水补充不足和地表洪水泛滥

首先,密实的路面铺装使渗入地下的雨水大幅减少,地下水得不到补充,许多城市的地下水呈现出漏斗状,严重损害了城市的水平衡,从而破坏了城市地表的生态平衡并导致地层下陷。其次,这种表面致密的路面在雨天不能及时排水,容易形成路表水膜或路面积水,导致行车出现水漂、水雾现象,增大了交通事故发生率。同时,这种不透水的路面在暴雨时易导致地面径流量急剧增高,很快出现峰值,引发城市内涝灾害。此外,传统的非透水性路面片面强调路表的防水防渗性,将自然降雨与路面下部土层及地下水完全阻断,降雨只能通过城市排水系统管网排入江、河、湖、海等地表水源中,严重影响雨水的资源化利用。

1.2 道路交通噪声问题日益严重

日益增长的汽车保有量致使道路交通噪声对城市居民、路域生态的影响越来越严重。近年来,在我国环境投诉案件中,噪声投诉的比重正逐年提高,在特大城市已经高达40%以上。而道路交通噪声的主要组成是轮胎与路面之间相互作用产生的噪声,路面材料与结构显著影响着道路交通噪声的大小。研究表明:当车速大于等于50 km·h-1时,轮胎/路面噪声在道路交通噪声中所占的比重约为80%;当车速大于80 km·h-1时,密实型的SMAAC路面噪声测试值分别为68.5 dB72。1 dB。

1。3 城市热岛效应加剧

传统的沥青路面在白天能吸收和储存大量热量,夜间不断向外部环境输出,造成外部环境温度的升高,导致了城市热岛效应。世界各国的较大城市目前都存在着城市热岛效应,而且随着城市的不断发展扩大,这种小气候变化的综合现象将会越来越明显。城市热岛效应的不利影响包括:增加了居民降温的能耗,增大了气体污染物质和温室气体的释放量,劣化了人居环境的舒适度,损坏了居民的身体健康。密实的路面铺装是城市热岛效应的主要诱因。

1。4 汽车尾气路面净化难以高效实现

汽车尾气是城市气体污染的主要来源。道路行车带是汽车尾气排放的主要区域,增加以路面为载体的汽车尾气净化功能是降低城市气体污染的一种有效途径。而在密实路面上负载尾气分解材料存在负载面积有限,分解材料容易磨耗,分解效能低等局限性。

2  环保型多孔路面材料设计理念与研究进展

传统路面作为道路结构中与行车荷载和自然环境直接作用的组成部分,对其提出的传统要求是承重、平整、安全和耐久。而现代路面除了要有上述从保证正常的道路行驶条件出发而提出的基本要求之外,还应该从改善人居环境的角度出发,具有透水、降噪、低吸热、减小汽车尾气污染等新的环保功能。

综上而言,新一代环保型路面材料应当以多孔而不是密实为特征,并且同时具有通行与环保功能。

2.1 具有透水功能的路面材料

采用空隙率为18%25%的多孔开级配材料能够使路面具有良好的透水性。雨水降落至路面后通过连通孔隙下渗,从而可以保证雨天时路表没有积水,如图1所示。




b)渗水效果

多孔路面的空隙结构与渗水效果

路面的各个结构层,面层、基层都可以采用多孔材料,以满足不同的透水功能要求。当仅表面层采用多孔材料时,如图2a)的Ⅰ型结构,路面主要功能是排除路面积水、降低噪声、提高路面抗滑性能和行车安全性能。当面层和基层均采用多孔透水材料时,如图2b)的Ⅱ型结构,除了具备Ⅰ型的功能外,路面还有储水,减少地面径流量,减轻暴雨时城市排水系统的负担等功能。当路基也采用透水性材料时,如图2c)的Ⅲ型结构,除了具备Ⅰ型和Ⅱ型的功能外,另一个重要的特点是补充城市地下水资源,改善道路周边的水平衡和生态条件,提供良好的人居环境。 



图2 具有透水功能的路面结构

 
与传统的密实路面材料相比,集料和集料间由全面积接触变成点接触状态(图1a)。由于集料间粘结接触面积减少了,为了保证混合料到强度、稳定性与耐久性,从材料组成的角度对混合料设计提出了更高的而要求。胶结料通常采用改性沥青,美国和欧洲多采用SBS改性沥青或橡胶沥青在亚洲,如中国、日本、新加坡等多采用高黏度沥青(黏度大于20000 Pa·s)。为了改善透水沥青混合料的耐久性和抗飞散剥落能力,采用偏多的沥青用量以形成12~14 μm较厚的沥青膜。
 
一方面,由于采用了改性沥青和稳定骨架结构,透水沥青混合料一般具有良好的高温稳定性,材料组成设计合理的车辙动稳定度能够达到5000 次·mm-1。此外,厚沥青膜的裹覆和性能良好的改性沥青的使得混合料具有满足使用要求的水稳定性。另一方面,丰富的孔隙结构和集料颗粒间的有限的接触面积给透水沥青混合料的抗疲劳性能和抗裂性能带来了负面影响,其抗疲劳性能和抗弯拉强度随着空隙率的增大呈衰减趋势,且疲劳寿命对应力水平变化的敏感性增大。
 
2.2 具有降噪功能的路面材料
 
道路交通噪声主要是车辆行驶时车辆本身以及轮胎与路面见的相互作用产生的。多孔路面材料内部具有很多的孔隙,且大多通过表面与外界相通,因此在轮胎与路面作用时,极大的减弱了路面与路面的泵吸作用;此外,多孔路面材料改变了路面结构的声阻抗,使得轮胎与路面产生的噪音在路面内部发生传递和干涉,消耗了部分能量,从而减弱了噪声源的强度,实现了路面降低噪声的功能,如图3所示。



低噪声路面声源传播路径与途径

 

尽管降噪功能也可以通过采用多孔结构实现,但是当路面功能设计定位的不同,多孔降噪沥青混合料与透水沥青混合料在空隙设计上存在一定的差异。透水沥青混合料的渗透能力主要与连通空隙率有关,而在多孔沥青混合料中,除了空隙率的大小,孔隙的空间分布状态和孔隙数量、空隙间孔洞长度等参数都将显著的影响混合料的降噪效果。一般而言,侧重降噪功能的多孔沥青混合料空隙率通常在20%23%,且公称最大粒径较小(Porous Asphalt ConcretePAC-10, PAC-8)的多孔沥青混合料降噪效果更显著。

与透水沥青混合料路用性能相似,松散和剥落,以及污染物和颗粒造成的孔隙堵塞是多孔沥青混合料在应用过程中面临的主要问题。因此开展沥青胶结料的性能提升,以及多孔沥青路面材料养护维护技术的研究,对于解决透水沥青混合料和多孔沥青混合料的性能和功能耐久性的具有重要意义。

2.3 具有降温功能的路面材料

常规的路面材料热容小、吸热快,在太阳辐射下,升温迅速,是城市热岛效应日益加剧的主要原因,图4所示为夏季城市不同下垫面红外热成像温度。



夏季城市不同下垫面红外热像图(气温为35℃

可以通过改变路面材料的热物理性质和路面与环境的热交换方式,从而得到具有降温功能的路面。具体的实现途径为,以多孔路面材料为基体,在其孔隙中灌注吸水保水性材料,这种材料具有较好的吸水和保水能力(图5)。在雨天或者洒水时,能够吸收水分,当环境温度较高时,利用路面材料中持有的水分蒸发来降低路面温度,减弱热量在沥青路面中的积累,改善沥青路面的热辐射效应,可以降低路表和路域的环境温度,为道路周围的的行人和行车提供舒适的环境,从而起到缓解城市“热岛效应”作用。其实现原理如图6所示。

以多孔沥青路面为基体的保水沥青路面

 

    




路面降温原理示意

这种多孔保水沥青混合料对路面的降温效果同路表蒸发、路面含水量、表面反射率密切相关,夏季高温时,在充分保水的条件下,保水沥青路面较普通的沥青路面的降温幅度最高达10 ~15 ℃以上,白天平均降温,夜晚降温,10 cm厚度的保水路面在降雨吸水后的降温能力能够保持1周。目前多孔保水沥青混合料的应用和研究主要为室内试验和现场试验路段铺筑,针对大面积工程应用还需要开发专用的施工机械。为了提升保水降温效果,需要开展吸水、持水能力强、强度和稳定性好的保水性材料研发,同时在季冻区,这类材料在冻融作用下的耐久性以及养护方法也需要进一步研究。

2.4 具有分解汽车尾气功能的路面材料

路面材料是汽车尾气的直接承受者,若能够将从排气管道排出的汽车尾气净化成对人体无害的物质,将会有效的减少空气污染。其实现路径可以通过在路面材料表面涂刷光催化涂料,在日光或可见光的照射下,通过把光能转化为化学能,将汽车尾气中的主要污染物质碳氧化物和氮氧化物污染物催化氧化为无害物质。这种光催化涂料在雨水或人工洒水的作用下,能够活化再生,重复使用,图7所示为路面材料分解尾气的技术路径。

这种分解尾气路面在意大利米兰(Milan丹麦哥本哈根Copenhagen中国南京等地铺筑了试验段,但更多的研究主要是在室内试验开展的,还未进行大规模的工程应用。目前主要的技术瓶颈在于涂覆在密实路面材料上的涂料不仅容易磨损,而且会降低路面的抗滑安全性能,因而限制了其推广应用。而多孔路面材料具有较大的构造深度,大大减少了光催化涂料与车轮的接触,有效避免了涂料的磨耗与剥落;相对凹凸的表面,增大了光催化涂料与尾气的接触面积,提高了单位面积上路面的尾气降解能力;此外,多孔路面中的孔隙结构有助于捕获尾气,减少其在大气中的扩散,提高了尾气的降解效率。

a)涂覆涂料


b)光催化反应

c)冲刷污染物去除



d)功能恢复

路面材料分解尾气的技术路径

通过这种方式可以将汽车尾气刚刚排出时就开始对其净化,吸收面积大,无需能源,材料环保,其净化效果显著,应用前景良好。这种分解净化尾气路面材料需要进一步研究净化效果的耐久性、长期耐磨耗性能,同时需要建立标准化的测试方法与设备。

3  环境友好多孔路面材料设计架构的关键问题

上述四种环境友好路面材料都是采用多孔沥青混合料或者以其为母体结构再负载相关功能。尽管多孔路面材料目前已有较广泛的应用,但材料设计架构尚存在关键问题有待进一步研究。

3.1 多孔路面材料力学结构模型

多孔路面材料具有20%左右高空隙率的骨架空隙结构,集料与集料间的接触面积较小,结构的稳定性要求高,在有限的接触点数量和接触面积的条件下,如何保证材料的承载力,并且保持骨架在拉、压、剪等各种行车荷载的作用下力学稳定性,需要系统深入研究其力学结构模型。

3.2 多孔路面材料接触界面粘结强度形成机理

空隙的存在使得路面材料内部更多地暴露于水、空气、紫外线等环境因素作用中,系统研究集料和结合料的接触界面强度形成机理,对于提高集料和结合料的粘结强度与耐久性具有重要的意义。

3.3 多场耦合下的多孔路面材料设计理论与方法

多孔路面材料的组成特点和功能目标决定了其服役环境相对复杂,是吸声、透水、传热、受力等多物理场的作用与平衡。因此,需要研究水、热、声、力等多物理场耦合下多孔路面材料的性能演化规律,建立多物理场耦合作用下的多孔路面材料设计理论与方法。

4  结语

1)本文所介绍的环保型多孔路面材料的降噪、透水、降温与分解汽车尾气等功能并不是独立的,应根据道路和环境的要求,系统设计、协同实现路面材料的各项环保功能。

2)多孔路面材料与密实路面材料在组成、结构与性能等方面存在着根本的差异,材料的功能与性能之间存在着矛盾、平衡与协同,因此,还有待对材料的力学模型、行为理论等关键内容进行深入系统的研究。

3)以多孔结构以主体或基体材料实现了路面降噪、透水、降温与分解汽车尾气等功能,但各类材料的耐久性、功能的标准化评价方法、尾气分解效率提升和养护方法等还有待进一步研究。

4)对路面从单一的通道功能到综合的通道加环境友好功能认识的改变,其意义不仅仅在于拓展路面的功能,而且是在于引发路面技术的变革。这将导致路面材料和结构技术设计理念的更新,乃至新一代路面设计理论和施工技术的形成。其结果将丰富和发展现代道路工程以及相关学科知识体系,带动现代道路工程技术进步和相关社会产业的发展。


以多孔沥青路面为基体的保水沥青路面

    

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