为宜居城市打造多功能路面

文/图 北京建筑大学副教授 索智

随着我国城市化进程加快，亿万居民对城市生态环境建设的需求越来越高。然而，雾霾、热岛、冰雪、内涝等“城市病”严重阻碍了城市内涵式发展，亟待各行业协同创新加以解决。如何在保证快速、舒适、安全等道路基本功能要求下，提高和拓展道路功能性，最大程度的减小建设带来的环境影响，使道路更高效、更舒适、更安全、更环保，不仅成为道路行业关注的重要问题，也必将惠及每一位生活在城市中的居民。

针对城市“雾霾压城”“热浪袭城”“冰雪封城”及“大雨淹城”四大城市病，北京建筑大学自主研发了具有自吸尘、自控温、自融雪、自排水等功能的四大环保绿色路面材料，形成了“抑尘减霾型路面”“彩色清凉型路面”“融雪防冰型路面”和“透水海绵型路面”等系列功能性提升技术，从材料的角度创新性地解决路面积尘、高温、积雪、内涝等城市问题，致力于减少环境污染、降低能源消耗、改善生态环境。

防霾路面：主动吸水，生态抑尘

根据北京市环保局发布的2016年环境报告显示，在城市空气总悬浮污染颗粒物中，路面扬尘和机动车尾气排放是大气污染尤其是PM2.5污染的主要来源，贡献率达到65%以上。城市路面扬尘除了自然风力造成的风蚀扬尘外，主要还是由人为带动造成，如建筑道路施工、交通运输、散装物质的装卸和搬运等都会造成扬尘开放性污染现象。

目前，国内外普遍使用的抑尘方法是在道路表面洒水或者在道路表面喷洒抑尘剂，然而，通过向路面喷洒水或抑尘溶液，抑尘周期短暂，作业频率高，并且消耗大量的水资源和人工劳动力。新闻资料显示，2014年2月，北京市空气重污染应急指挥部发布了橙色预警指令，市环卫作业单位组织开展道路清扫保洁应急工作，当日出动人员22696人次、作业车辆2867车次，对全市1.5亿平方米道路开展洒水降尘，用水量7786吨。同时，抑尘溶液的主要成分为盐化物，极易腐蚀道路和桥梁材料结构，影响设施使用安全和造成二次污染。

组图：当呼吸一口清新空气成为奢侈愿望时；当热浪席卷全城，气温高不可攀时；当冰雪封路，行车拥堵、高速路封闭、事故频发时；当大雨漫路，内涝淹城不得不一起看海时，道路行业到了不得不创新应对时代需求的时候。

针对现有道路抑尘技术作用效果时间短、浪费水资源，且有腐蚀和二次污染的问题，一种具有独立自主知识产权、绿色环保的高效吸附添加剂被开发出来，它等体积置换沥青混合料中的矿粉成分，使改性剂充分分散在沥青胶浆中。通过渗透压和毛细管现象及车轮荷载的泵吸作用，吸附添加剂从混合料内部浓度较高的部分逐渐向浓度较低的道路表面释放出来，与空气中的水分充分接触后，使道路表面水的液相蒸气压下降，具备自主吸附空气中水分，并凝结并聚集在道路表面的功能，使沥青路面长期保持湿润状态，捕捉和吸附路面上的扬尘，达到减量空气中细小颗粒物含量、净化空气的效果。通过在路面材料之中添加一定量的“主动吸附改性剂”，无需洒水车，实现主动全天候抑尘，通过实验室评估试验生态主动抑尘减霾沥青路面可降低PM2.5污染物浓度32%，PM10浓度71%。

组图：生态主动抑尘减霾路面作用原理

表1 国内外主要道路抑尘剂一览表

此外，随着材料的进一步开发，“主动吸附改性剂”将不再局限于道路材料之中，从建筑外墙到日常出行，“主动吸附添加剂”将深入人们城市建设的各个方面，最大限度地减少环境当中的雾霾，最大可能地提供清新的生活环境、保障城市居民的健康。

清凉路面：彩色清凉，高效控温

随着城市化进程加快，城市中原有土壤、绿植表面逐步被房屋、大型基础设施及各种不透水的场地和道路所取代，引发城市热岛问题，高温天气、高热疾病一步步侵蚀着城市的居民。据新闻报道，全世界最热城市中，我国就有6个城市进入前十名，强度最大已达7摄氏度，城市温度升高，直接导致气压降低带来污染物聚集，夏季因高温引发的疾病死亡率提高31.2%。北京市区道路面积占总面积的近1/3，城市道路多采用平整度高、舒适性好、噪音低的沥青路面，但沥青是一种黑色吸热材料，太阳吸收率很高（达0.85至0.95），研究表明，当气温达到35℃时，沥青路表温度可达到60摄氏度至65摄氏度，基于北京市在2000年至2015年间157.68万个地温数据得知，像北京这样的特大城市热岛强度显著，且日趋严重，如何控制城市热岛的继续发展已迫在眉睫。

目前，国内外的道路工作者开始致力于研究抑制路面温度升高的控温路面铺装新技术，但整体上，主要问题是控温效果不明显，且造价高。

针对现有道路控温技术作用效果有限、价格高昂、不利于应用推广的问题，北京建筑大学以降低路表温度，缓解热岛效应，减少道路对城市生态环境的影响为目标，采用材料相变控温和减少太阳辐射吸收的复合手段，自主研发了主动吸附保水改性剂和高黏彩色胶结料，并基于控温功能与路用性能，提出了彩色控温沥青混合料组成平衡设计方法，形成了“彩色清凉型路面”技术，一方面通过改变路面级配，增大孔隙率以加快路面对流而散热，另一方面通过实现路面主动吸水保湿，利用水比热容大的物理特性相变控温，同时以高黏彩色胶结料替代传统沥青，减少路面对太阳能辐射的吸收，最大化的降低夏季路表温度，缓解城市热岛效应。试验评估结果表明，研发的彩色控温沥青混合料较传统沥青混合料表面温度降低了14.3摄氏度，热岛强度降低4.8摄氏度，且各项路用性能均满足道路规范要求。随着彩色控温沥青混合料的推广应用，预估北京中心城区PM2.5浓度将降低38.7%，减少夏季制冷所需电能9.2亿千瓦时，节能减排、低碳环保效益显著。此外，由于采用水这一最为常见物质作为的相变控温的基础，工程造价显著降低，仅为国外同类技术的1/10。

图1 高分子彩色胶结料材料组成

表2 国内外控温技术一览表

除雪路面：高弹蓄盐、融雪防冰

道路除冰雪技术可以分为被动除冰雪技术和主动除冰雪技术。被动除冰雪技术主要包括撒布融雪剂，人工除雪，机械除冰雪等。传统的道路除冰雪技术需要依靠大量的人力物力，不仅除冰雪效率低，并且对道路周围环境污染较大，因此各国已将研究重点逐渐转移到了主动除冰雪技术。目前国内较为常用的主动除冰雪技术主要包括两种：盐化物自融雪技术和弹性道路铺装技术。盐化物自融雪技术是依靠蓄盐填料的析出降低路表水的冰点，减小冰层在路表的黏结力，但冰层完全融化速率较慢，必须辅助机械和人工才能达到很好的除冰效果。弹性道路铺装技术是利用废旧橡胶颗粒，替换一定的集料，提高沥青路面变形性能，利用大变形引起的自应力破碎冰层，但是根据实际观测，弹力路面受冰层厚度影响较大，冰层较厚条件下（2毫米～6毫米），其除冰能力消失。

针对蓄盐型和高弹型除冰雪技术的不足，北京建筑大学功能性沥青路面新技术课题组将盐化物自融雪技术和弹性道路铺装技术有机结合，取长补短，研发出一种复合型主动除冰雪技术。该技术将蓄盐填料和橡胶颗粒共同掺配到沥青混合料中，充分发挥两种材料的特点，形成高效融雪抑冰功能型道路材料。将其应用到自融雪除冰功能性路面工程中，可以依靠蓄盐填料的析出降低道路表水冰点，降低冰层和道路表面的粘结力，可以充分发挥橡胶颗粒高弹性的特点，提高混合料的自应力除冰能力。依托冬奥工程——张承高速公路，课题组实施了2个试验路段的铺设，通过现场实施效果的观测，发现采用添加剂试验路段无积雪薄冰残留，而非实验路段仍然有积雪残留，并且融化的雪水已经与路面冻结，严重影响形成安全。

图2 张承高速公路融雪防冰试验路段的对比图

透水道路：透水海绵，缓解内涝

针对城市道路的海绵化问题，与国外许多发达国家普遍采用的柔性基层沥青路面结构不同，我国路面结构在“强基薄面”的指导原则下，广泛采用半刚性基层型式。然而，半刚性材料水稳定性较差，遇水后强度迅速降低，极易造成路面承载失效，产生龟裂和破损，难于满足城市透水海绵型道路的建设需求，已经成为海绵型道路铺装技术的瓶颈问题，亟待技术创新。

组图：大粒径透水嵌锁式沥青路面材料及典型

一种大粒径嵌锁式沥青混合料ATPB（Asphalt Treated Permeable Base）和大粒径嵌锁碎石基层ISB（Interlocking Stone Base）材料被开发，其中大粒径ATPB与ATPB相似属于骨架空隙结构，采用了更粗的集料形成骨架，又根据粗料空隙要求加入细料与沥青形成的玛蹄脂。大粒径ATPB沥青混合料不仅具有较高的黏聚力，而且具有更大的内摩阻力，高温、低温、水稳定性、抗疲劳性都比较好。大粒径ATPB与ISB新型嵌锁基层材料及典型结构是一种兼顾路面承载能力、高稳定性、水稳定性的优化结构，可以有效解决透水情况下路面基层沥青稳定性不足，易发生路面早期破坏的问题。适合用于重载交通条件下的海绵型道路铺装工程，抵抗行车荷载对道路结构的作用，显著降低路表径流，实现城市雨水吸、蓄、渗、净、用、排循环利用。

随着人民日益增长的物质文化需求，抑尘减霾型、彩色控温型、透水海绵型和融雪防冰型等单一功能性面技术，远远满足不了新时代下道路交通发展的需求，将单项技术复合应用又必然导致工程费用的急剧升高；此外，由于对复合功能型沥青路面技术的研究不够深入，各单项技术间的交互作用机理未能掌握，复合应用的单项技术其功能效果必然易受到较大影响，满足不了多功能性要求，这些都严重制约了功能性路面技术的推广应用。

因而，认真落实交通行业有关“十三五”科技发展的重大部署，针对于大气污染管控、城市热岛缓解、道路运营保障等问题，统筹推进复合功能型沥青路面技术的研发、成果推广应用、标准指南制订和创新能力建设等方面的工作，将有力支撑我国道路工程科技进步与创新，为加快发展“安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化城市综合交通体系”提供科技支撑。