一種保水性路面路用性能的研究

葉 博

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030000)

0 引 言

瀝青是一種黑褐色的復雜混合物，瀝青路面吸熱能力非常高。尤其是在夏季高溫時，瀝青混合料吸收太陽輻射能量并蓄積大量熱量在路面結構中，使得路面在夏季的溫度遠遠高于氣溫，瀝青路面溫度最高可達60 ℃～70 ℃，全球氣候變暖導致各類極端天氣氣候事件頻發。尤其是在城市中，極易引發城市熱島效應。為了降低夏季瀝青路面溫度，減少路面車轍和緩解城市熱島效應，降溫型路面將成為未來的發展趨勢。從20世紀開始，國內外對阻熱型路面進行了大量的研究與實踐。

保水式路面是降低路面溫度的一種技術，20世紀90年代，日本開始研究低吸熱型的保水式鋪裝，1994年研發出保水式聯鎖塊鋪裝，1998年又開發出了保水性瀝青混合料系的鋪裝類型，其原理是通過在大空隙瀝青混合料中添加高吸水率的保水性材料，利用保水性材料吸收并保存降雨，或者通過路表灑水的蒸發、氣化降低路面溫度。中國對于此類路面的開發研究鮮見文獻報道。

對保水降溫路面中的保水材料進行研究，擬開發出一種具有高效降溫的保水材料，將其應用于大孔隙路面結構中而成為一種新型的保水降溫型路面，使其保水性路面符合路用性能的要求，以期大面積的推廣于中國城市的道路，為降低城市熱島效應、改善居民生活環境做出貢獻。

1 瀝青混合料配合比設計

1.1 原材料

選用的保水性材料為粉體、消石灰、水，其中粉體包括礦渣粉末和粉煤灰。保水性材料的技術指標見表1。

表1 原材料成分及技術指標

本文采用SBS改性瀝青，粗集料采用陜西商洛所產玄武巖，細集料選用陜西涇陽石灰巖石屑，填料為石灰石礦粉。其材料技術性質均符合實驗規程的技術要求。

1.2 保水材料組成比例

保水性材料是一種膠凝體，其主要成分粉煤灰及礦渣粉末在固態堿性物質的促進下生成的，膠凝體的內部結構中有許多的微型孔，保水材料就說利用這些微型孔吸附水分。保水材料的性能會隨原材料性質變化而變化，也會隨各組分比例的不同而改變，即粉煤灰細度、礦渣粉末的粒徑、保水性乳漿的值、保水材料的各組分比例等等。本文擬采用以下比例配制保水材料，見表2。

表2 保水材料配比

1.3 母體瀝青混合料

保水路面的大孔隙結構稱之為母體結構，保水路面之所以能發揮其功能性主要是因為灌注其中的保水材料，母體結構對整個路面的性能也有著非常重要的作用，母體結構的路用性能、油石比、孔隙率必須滿足實驗規程的要求。適合保水性路面的母體結構很多，例如排水性路面、降噪路面、透水性路面等，即大孔隙的路面結構都可以作為保水路面母體結構。在此前課題研究的基礎上，比較各種路面結構的功能、材料性質、結構特性，本課題選擇OGFC作為保水性路面的母體結構。OGFC目標孔隙率控制在20%左右，OGFC瀝青混合料的具體指標要求見表3。

表3 OGFC瀝青混合料設計要求

日本在設計保水性路面母體結構方面有著成熟的經驗，本文借鑒其成熟的理論，按照粘附在礦料表面的瀝青膜，以中間級配附近±3%左右，暫時確定3個級配，根據公式計算出瀝青的用量，然后再計算出試件的孔隙率，最后優化出礦料的級配范圍，本文筆者采用的OGFC瀝青混合料級配見表4。

表4 OGFC混合料礦料級配

按此級配成型的混合料試件進行飛散實驗及析漏試驗，最終確定瀝青的最佳用量為5%。

2 保水性路面材料路用性能

2.1 高溫穩定性

保水性路面瀝青混合料與OGFC瀝青混合料的車轍試驗結果對比情況見表5。

表5 車轍試驗結果

由表5可知，OGFC瀝青混合料的動穩定度約為5 214次·mm-1，而保水性路面瀝青混合料的動穩定度為9 600次·mm-1。容易得出保水性路面混合料的高溫穩定性要比OGFC路面混合料的高溫穩定性要好。這是因為在OGFC結構中加入保水性材料，保水性材料與母體結構緊密結合，使得保水性路面的剛性變大，在高溫下有著更強的抗剪切抵抗力，以致有著更強的抗車轍能力，所以保水性路面瀝青混合料有著更強的高溫穩定性。

2.2 水穩定性

保水性路面瀝青混合料與OGFC瀝青混合料的馬歇爾實驗結果對比情況見圖1、圖2。

圖1 浸水馬歇爾試驗穩定度

圖2 馬歇爾殘留穩定度及凍融劈裂比

從圖2的實驗結果可以得出保水性路面瀝青混合料與OGFC瀝青混合料的浸水、未浸水馬歇爾穩定度存在以下關系：保水性路面瀝青混合料>OGFC。說明灌入的保水性材料使得母體結構的水穩定性得到提高。

從圖2的實驗結果可以看出灌注保水性材料的母體結構的殘留穩定度在87%左右，凍融劈裂比在85%左右，遠高于規范要求值。保水性路面與OGFC有著相同的礦料及礦料級配，但其殘留穩定度與凍融劈裂比有著如下關系：殘留穩定度保水性瀝青混合料>OGFC、凍融劈裂比保水性瀝青混合料>OGFC，說明保水性路面結構中的保水材料會提高母體結構的水穩定性，并且保水材料的灌入也會增強母體結構的抗水損害能力。

2.3 低溫抗裂性

低溫抗裂性能是瀝青混合料路用性能中的重要指標，本文筆者通過低溫彎曲實驗對低溫性能進行驗證。保水性瀝青混合料的低溫彎曲指標見表6。

表6 低溫彎曲試驗結果

由表6可知，保水性路面瀝青混合料勁度模量OGFC瀝青混合料低溫抗裂性。

2.4 路面保水性能

保水性路面保水能力的大小通常用保水量來評價，室內保水量計算公式如下

W=(M1-M2)/A

式中:W為5 cm厚保水性路面的保水量。M1為5 cm厚的車轍試驗板在水中浸泡24 h后車轍板+水質量。M2為浸泡24 h的車轍板在60 ℃烘箱內烘24 h后的烘干質量。A為車轍板橫截面積。

本文分別測試了試件浸水24 h、48 h、72 h三種不同時間后的保水量，如圖3所示。

圖3 路面保水量對比

由圖3可以看出，2種類型的路面均具有一定的保水能力，保水性路面的保水能力遠遠優于OGFC路面；保水24 h后，保水路面基本不會再吸水，基本達到了保水路面的吸水上限。正是由于保水路面結構中灌入保水性材料，保水材料具有較好的吸水、保水能力，使得保水路面的保水量>OGFC路面。

2.5 路面降溫性能

采用自制光照模擬裝置對保水性路面、OGFC路面進行室內模擬光照試驗，測試不同類型試件表面溫度，評價保水性路面阻熱效果。本次試驗研究中制備了2組試件：一組為5 cm保水性路面車轍板試件；另一組試件是5 cmOGFC車轍板試件。為了試驗結果具有可比性，通過調整裝置中支架的高度，使得光照3 h后OGFC車轍板試件表面溫度約70 ℃。路面經加熱燈加熱3 h后，對試件灑水處理，然后用優利德科技有限公司生產的數字測溫儀(UT320系列)測試路表面溫度，測試結果見表7。

表7 路面降溫性能對比

由表7可以看出:保水性路面在碘鎢加熱燈下連續加熱3 h后，路面溫度要比OGFC瀝青路面低11 ℃。這是因為灑水后保水路面的保水作用，在之后幾小時內，保水材料內部的水分會被慢慢蒸發，通過蒸發吸熱來達到降溫的效果。從表7可以看出:保水性路面在灑水后的5 h之內，能起到持續的降溫效果，其路面溫度較OGFC路面溫度低10 ℃左右;但12 h之后，兩種類型路面的溫度差異就不大了，這主要是因為連續加熱下，保水性路面結構內的水分已完全被蒸發，此時應當再作灑水處理才能保持降溫的效果。對此現象，不會因保水時間而影響路面的持久性降溫，因為在自然現象中，太陽照射時間一般每天不超過10 h，太陽高強度照射時間不超過3 h，本實驗是模擬高強度的太陽直射，5 h內都能有很好的降溫效果，因此可以推斷出，在一天的光照時間內，路面可以很好的起到降溫功能。此外，保水性路面還可以在夜間吸收大氣的水蒸氣，路面人工灑水，或者是大氣降水等得到水源的補充，使保水性路面擁有持續性降溫功能。

3 結 語

(1)保水性瀝青混合料有著很強的高溫穩定性，其動穩定度約為9 600次·mm-1，60 min車轍深度為1.25 mm，而OGFC瀝青混合料的動穩定度在5 214次·mm-1左右，60 min車轍深度為1.701 mm。不論從動穩定度還是變形深度方面保水性路面瀝青混合料都具有不錯的高溫穩定性。

(2)保水性瀝青混合料的低溫抗裂性能(-10 ℃的破壞拉伸應變、勁度模量)、水穩定性比OGFC瀝青混合料要好。

(3)保水性路面具有較好的保水功能，浸水24 h的保水量為2.8 kg/m3。保水性路面在灑水后的5 h之內，較OGFC路面溫度低10 ℃左右，且能持續起到較好的降溫效果，保水路面擁有持續的降溫功能。

(4)本文中所提出的保水性路面可實際應用于風景旅游景區道路鋪裝、城市綠道鋪裝、自行車道鋪裝以及露天廣場鋪裝等場所。如果保水性路面得到大面積的推廣后，對于降低城市熱島效應、改善居民生活環境起到非常重要的作用。