生態型城市透水瀝青路面結構設計與性能研究

萬石兵

摘要：當前城市道路大多數采用硬化鋪裝，一旦雨水過大，容易造成城市內澇，為了解決這個問題，本文設計了生態型城市透水瀝青路面結構，路面結構包括面層、基層、墊層、路基，并對路面的飽水率進行實驗測定，模擬降水過程對路面結構的滲水效能進行評價，結果表明：3組試件的飽水率分別為2.11、2.09、2.14，路面結構實際水位最高為426.478mm，低于路面結構厚度500mm，表明在整個降雨過程中不會出現路面的積水現象。

關鍵詞：生態型;透水瀝青路面;結構;性能

中圖分類號：U414.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0127-03

隨著城市道路的面積不斷擴大及城市的不斷發展，對城市透水鋪裝的研究也越來越多，現階段的城市道路透水鋪裝大多采取“以排為主，先透后排”的滲透模式。

透水瀝青路面適用于城市的支路、次干路、主干路、快速路等各類道路，瀝青路面的空隙率在18%-25%之間，具有噪聲低、防止水漂、抗滑性高等優點，在生態型海綿城市的建設中具有廣泛的應用。國內外很多學者對透水瀝青路面進行了研究，Alvarez等研究了透水路面的功能和耐久性能，對路面的平衡性能進行了優化。我國的相關學者研究了透水路面雨水滲透功能的持續性，構建了透水瀝青混合料有效空隙率，并重新設計透水瀝青路面結構體系。研究中還發現黏性土路基的透水路面可以降低大約93%的地表徑流，并對地表徑流中的污染物如氮磷、重金屬等具有過濾作用。本文主要對生態型城市透水瀝青路面結構設計，并研究路面的路用性能，以期為城市透水瀝青路面設計提供參考。

1生態型城市透水瀝青路面結構設計

和傳統的路面結構相比，透水瀝青路面在設計過程中更多的考慮的是透水功能和儲水功能。透水瀝青混合料鋪裝的主體結構與普通瀝青混合料基本相同，只是在路面結構的表面采用了透水瀝青混凝土材料，這種結構屬于半透水類型，是典型的骨架孔隙結構，生態型城市透水瀝青路面結構如圖1所示，從上到下依次為面層、基層、墊層、路基。

透水瀝青路面面層通常鋪筑一層或者兩層，采用多孔瀝青混合料（porous asphalt concrete，PAC），鋪筑過程中使用的集料要求強度高、耐磨性能好，結合料采用高黏度改性瀝青。基層在面層的下面，基層的材料主要包括開級配瀝青穩定碎石（ATPB）、級配碎石，在降水期具有暫時儲水的功能。墊層屬于基層和路基之間，墊層的主要作用是隔離路基，避免一些細小的材料堵塞透水層，同時還具有提高路面結構的抗凍脹能力、改善路基的水溫狀況等作用，墊層材料一般為粒徑小的碎石、砂礫、粗砂等，或者是聚丙烯材料、聚醋類材料。路基主要起到存儲在路面結構中的雨水下滲的作用，具有一定的水穩定性，路基的材料中性能最好的為砂性土，如果路基材料選用黏性土，在路基上鋪筑透水瀝青之前需采用有機結合料如水泥、石灰等進行穩定處理，這樣可以確保路基的抗沖刷性、水穩定性。

2生態型城市透水瀝青路面路面的滲排水機理在降雨過程中，透水瀝青路面結構的雨水滲入過程可以分成浸潤、初始滲透、雨水積蓄、蓄水排出四個步驟，隨著雨水強度的增大，路基土的滲透系數發生變化。路面的滲排水流程如圖2所示。

圖2中，Q、Qs分別代表路面的累積降雨量和路面結構不發生滲透的臨界降雨量，k代表路基土的滲透系數，D代表路面的排水設施的排水能力，v代表路面結構中的蓄積水量，vs代表透水瀝青路面的連通空隙體積。通常降雨過程中降雨強度先變大后變小，將這個降雨過程分成雨頭、雨核、雨尾3部分。在降雨的雨頭階段，降雨強度比較小，Q小于Qs，雨水不會深入路基中。隨著降雨強度的增大，雨水到達路基的頂面，如果降雨強度小于k則路面結構不會產生蓄水，當降雨強度大=Pk之后，路面結構開始進行蓄水，路基土初始浸潤。隨著降雨強度的增大，路面結構蓄水量v的不斷增大，當降雨強度達到峰值之后，v逐漸增多但是增長的速度較慢，直至降雨強度減弱至路基土的滲透能力k與排水管的最大流量之和，此時路面蓄水量最大。達到路面最大蓄水量后，路面結構中的雨水逐漸滲透排出。

3透水瀝青混合料持水性能分析

3.1路面模型參數

根據《公路瀝青路面謝十規范》（JTGD50-2017）、《透水瀝青路面技術規程》《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）等中的相關要求，設計生態型城市透水瀝青路面。根據圖1中建立的城市生態型城市透水瀝青路面結構，評價路面的透水效能。在進行計算之前首先建立路面模型，設計路面的結構厚度和不同層的材料空隙率，如表1所示。生態型城市透水瀝青路面的面層采用多孔瀝青混合料，面層的上層為PAC-13，面層的下層為PAC-20，上面層和下面層的厚度均為50mm，上基層的厚度為200mm，下基層的厚度為300mm，上基層選擇的材料為大空隙瀝青穩定碎石ATPB25，下基層選擇的材料為級配碎石，碎石的粒徑為37.5mm或31.5mm;路基選擇的材料為砂性土。墊層選擇透水土工布。

3.2飽水率測定

3.2.1試驗步驟

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-201 1）[138]，對瀝青混合料進行馬歇爾試驗，通過該試驗確定透水瀝青混合料的最佳油石比，孔隙率等指標，根據實驗結果可知，透水瀝青混合料的最佳油石比為4.55%，理論相對密度為2.630，孔隙率為20%，連通孔隙率為17.2%，毛體積相對密度為2.254，連通空隙率為17.2%，穩定度為5.11kN。以該級配為基準，采用馬歇爾標準擊實法成型3組瀝青混合料試件進行持水能力分析，進行飽水率實驗。

為了確保制作的3個試件內部干燥，試件制作完成后利用電風扇進行風干12h，每小時測定試件的質量變化，直至試件的質量恒重之后，測定干燥的試件質量m3，將試件放置于常溫常壓的水槽中，確保水槽中的液面浸沒試件，在水槽中放置12h，取出，擦拭干凈表面之后稱取試件質量m2，根據以下公式計算試件的飽水率s。

3.2.2結果

試件1、試件2、試件3的飽水率試驗結果見表2所示。

由表2可知，試件的空隙率為20%時，3組試件的飽水率分別為2.11、2.09、2.14，孔隙率的大小影響飽水率，飽水率隨著孔隙率的增加而變大，這主要是因為空隙率越大，在飽水過程中，水分與空隙內壁的接觸面積變大，增多了水分的內部遷移通道，最終提高了試件的結構飽水能力。

3.3滲水效能評價

模擬降水過程對路面結構的滲水效能進行評價，降雨重現期為5年，選擇降水時間為24h，砂性土路基的滲透速度選擇0.0002cm/s，參考文獻[8]中的降水過程數學模型，計算降水過程中不同時間段的累積雨量及路面結構中蓄積的雨量，如表3所示。

根據表3中的數據可知，在模擬降水過程中，降雨歷時24h，整個路面結構的水位先增大后隨著降雨時間的推移而降低，在整個降雨過程中，最大累積雨量和路面結構實際水位出現在大約降水過程的中間，路面結構實際水位最高為426.478mm，沒有超過路面結構厚度500mm，表明在整個降雨過程中不會出現路面的積水現象，如果出現強降雨為了避免出現積水的情況，可以進一步加整個路面儲水結構層的厚度，鋪設排水管道，防止雨水溢出。

4結語

城市規模越來越大導致城市雨水的排水系統壓力不斷增加，一旦雨水過大，容易出現城市內澇，因此，加強透水瀝青路面研究可以減少城市出現內澇的風險，降低城市地表徑流系數，提高城市路面的使用性能。文章主要設計了生態型城市透水瀝青路面結構，并對路面的飽水率和滲水效能進行了實驗研究，結果表明，該路面的滲水效能較好，為透水瀝青路面的設計提供了一種新的方法。