新型透水路面可承受之重

文/清华大学土木工程系 邢沁妍 郑珏辉

德国亚琛工业大学道路工程研究所 陆国阳

哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 王大为

我国城市建设面临着水资源短缺、水环境污染、内涝灾害加剧等问题。海绵城市的构建是解决城市雨洪的有效途径，也是现阶段国家的重大战略需求。其中，道路系统占城市总面积的比例高达35%至50%，是大气环境与地下水体系转换的中心环节。透水铺装作为缓解城市内涝等问题的良方，已被广泛应用于道路工程的建设之中。传统透水沥青混凝土路面虽然具有取材便捷、工艺成熟等优势，然而由于混合料老化、松散等固有问题，路面的功能性和使用寿命受到较大影响。

近年来，基于聚氨酯等新型材料设计的新型透水铺装逐渐显现出耐老化、稳定性较好，以及更为环保、舒适等优点，从而成为学界研究的热点，并在国内外工程领域广泛应用。本文首先简单介绍多孔透水路面的概念和分类，其次简要分析基于聚氨酯的新型透水路面的优势，最后概述其承载力研究的力学模型。

图1 透水路面的类型

多孔透水路面的概念和分类

多孔透水路面，是指由较大孔隙率的混合料作为路面结构层，允许路表进入路面甚至路基的一类路面的总称。常见的透水路面有透水砖路面、卵石和碎石路面、透水水泥混凝土路面、透水沥青混凝土路面和新型聚氨酯透水路面等。生活中最普通常见的是由大小较为均匀的卵石或者碎石散落铺成的露土路面，其通透性强，不长杂草，适合于房舍周边、人行道边等难以绿化的位置。

透水路面为多层结构，由上至下、从力学分析的角度一般可视为由面层、基层和垫层组成，垫层以下的部分即为路基。面层位于整个路面结构的最上层，直接承受交通荷载的垂直力和水平力，与其他结构层相比，受到降雨和气温变化的影响最大，直接地反映在路面使用性能上；基层主要承受面层传递的垂直力作用，并把它扩散到垫层和路基；垫层是介于基层与路基之间的层次，主要起隔水、排水和隔温的作用，并传递和扩散由基层传来的荷载。并非所有的路面结构都需要设置垫层，如果土基状态良好，能够排除路面、路基中滞留的自由水，可以不需要增加垫层。

根据多孔透水路面的透水特点，一般将其分为全透水、半透水和排水型（也称为III型、II型、I型），如图1所示。全透水型要求整个路面结构即面层、基层和垫层都具有良好的透水性能，路表水进入路面后直接进入路基，水体在其中运动最为充分，其可能造成的污染物迁移、地下水污染等问题的风险也越大；半透水型要求面层和基层具有良好的透水能力，水进入路面后渗入基层，在基层底部大部分水按一定速率由排水管道排出，少部分水可渗入垫层；排水型路面中，仅路表层透水，其下设置封层，雨水在面层底部由管道横向排出。

与传统路面相比，多孔透水路面具有明显的优点。可以减轻城市排水压力，缓解城市内涝，同时降低河流泛滥和水体污染的概率；增加城市蓄水能力，有效补充地下水，改善城市水循环；有效吸收噪声，多孔结构特性使其能有效吸收城市路域噪声，降低噪声污染；调节生态平衡，加强了热量和水分在地表与空气的交换，促进水分的蒸发和吸热，缓解“热岛效应”，并改善植物和土壤里微生物的生长条件，调整生态平衡；提升道路行车安全，避免雨天路面积水，增强车辆与路表之间的摩擦力。

传统的透水路面多采用沥青为面层骨料之间的胶结材料，尽管较之于传统的密级配沥青路面，透水性沥青路面具有多方面的优势，但也存在一些影响功能发挥和服务寿命的问题。一是老化问题。其本身大孔隙结构的特征使材料大面积暴露于空气中，受空气和水分的作用使沥青老化加速，进而出现混合料黏结性丧失、集料飞散和沥青剥落等病害（如图2所示）。二是承载力降低的问题。在连续降雨和持续移动荷载的作用下，其大孔隙结构的承载力将随服役时间而降低，道路功能性也会降低。三是透水性降低的问题。服役过程中，公路污物碎屑或灰尘引起孔隙堵塞，导致透水能力降低，而孔隙堵塞的问题在养护中不易解决，进而影响透水路面的使用寿命。四是抗冻融和抗水损害能力差的问题。基于这些缺憾，探索新型多孔透水铺装必然成为当今道路工程研究的重点之一。

图2 透水沥青路面表层的骨料剥落和孔隙堵塞

新型聚氨酯多孔透水路面优势

聚氨酯(polyurethane)全称为聚氨基甲酸酯，是结构中含有大量氨基甲酸酯基(-NHCOO-)的化合物，一般是由含两个或两个以上异氰酸酯基(-NCO)的化合物与含活泼氢的聚多元醇反应而成。早在1849年德国科学家A. Wurtz（乌尔茨）便首先通过复分解反应制得含氨基甲酸酯基的化合物，但是直到1937年德国Farben（法本）公司的化学家Otto Bayer（奥托拜）才合成了世界上第一种聚氨酯树脂。

聚氨酯的工业化也由此从德国首先开始，1941至1942年间，德国Bayer（拜耳）公司建立了能年产10吨的装置来生产涂料和黏结剂等聚氨酯产品。美国在聚氨酯的研究方面起步较德国晚，但是在20世纪50年代也加快了聚氨酯的研究步伐，迅速实现了工业化生产，并于60年代逐渐形成了从原料生产到聚氨酯及其制品的开发与加工的完整工业体系，在世界聚氨酯工业中取得了领先地位。20世纪70年代后，聚氨酯的研究和开发进入了以高性能、高效率、低污染和节能为目标的新时期，并不断取得重大技术进步。

由于聚氨酯中含有的基团都是强极性基团，而且大分子中还有聚醚或聚酯柔性链段，因此聚氨酯具有“刚柔并济”的特点，同时具有良好的力学性能、耐低温性能、耐摩擦性、耐屈挠性和耐化学品性等优点，并已得到涂料、化工、土建、采矿等行业的广泛应用。作为一种生物黏结剂，由于聚氨酯完全可以替代沥青的作用，并且具有环保和可持续发展的特点，近年来，在国内外也被广泛应用于道路工程中。

利用聚氨酯优良的物理黏接性能，可以将一般的骨料整合为一个坚固、稳定、开放的多孔结构，使得路面结构具有孔隙率高和稳定性强的特点。进而使基于聚氨酯设计的多孔透水路面，可以极大改善传统透水路面中沥青老化、堵塞和承载力降低等问题，同时它集透水、透气、降温、减噪、美观和环保等多功能为一体，并且在铺装中无需加热，大大减小了施工过程中的二氧化碳排放量。

由此，近年来，基于聚氨酯的透水铺装在德国和中国均取得重要研究进展和应用。天津、浙江杭州等城市均已有聚氨酯黏合剂系统的透气透水路面的工程实例。

图3 聚氨酯透水路面在德国的应用实例

多孔透水路面的力学模型

在较长的一段时间内，对于透水沥青路面的力学性能和结构设计的研究，多借鉴传统密级配混凝土路面的研究方法，选取路表回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力，以及半刚性材料层的层底拉应力为研究指标和设计指标，亦选取结构层厚度、层间结合等为目标，通过试验法总结现象规律，提出基于经验和试验的设计方法，并基于此推出了《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T 190-2012)等设计规程。近年来，随着计算力学学科的发展及计算机技术的革命性进步，多孔透水路面材料的微观力学分析和宏观力学特性机理成为相关研究的热点，从材料的微观特性出发，研究其强度、韧性、耐久性的力学原因，从车路耦合作用及多物理场耦合作用中多孔材料的承载力分析研究其全寿命过程中的力学机理等。

从宏观上来看，路面属于层状结构，其弹性阶段、黏弹性阶段的宏观力学表现和模拟分析已经相对成熟。从微观上来看，路面为颗粒材料，可以以颗粒力学的方法进行研究，而多孔透水路面与传统密级配路面的不同在于，由于其开孔结构的本质与较强的透水性，路面或路基结构往往处于非饱和状态或是饱和与非饱和同时存在的形态。因此，水在材料中的运动规律、对骨料受力的影响、对材料老化等各方面的影响不可忽略。也就是说，作为多孔结构，材料内部存在着固、液、气三相物质的耦合作用，而在服役期间，除外荷载作用尚有温度场、渗流场的耦合作用进而影响结构的位移和应力，从而形成一个多项多场耦合的复杂力学问题。

研究这一复杂力学问题，首先要考虑多孔结构内部的渗透特性，渗透性往往通过渗透系数这一重要指标描述与表征。国内外目前对于渗透系数的测量，一般都以达西定律为基础，即渗流量与上下游水头差和垂直于水流方向的截面积成正比，而与渗流长度成反比，表示如下：

其中，H1、H2分别为通过试样前后的水头；L为试验沿水流方向的长度；A为横截面积；K为比例系数，即渗透系数。上式也可改写为：

其中， V为渗流速度；J为水力坡度

对于多孔透水路面，透入水的渗透速率主要由各层的渗透系数决定，而排出水的速率则取决于透水路面的出水能力。为多孔沥青透水路面和聚氨酯透水路面分别建立相应的渗流模型，是力学建模的第一步。

自K. Terzaghi（太沙基）提出一维固结理论以来，目前关于饱和渗流的理论研究和实际工程应用得以较大发展，但多孔路面所处的非饱和状态给力学建模造成一定的困难，其中的很多现象和问题用饱和渗流理论无法有效解释，一些非饱和土的模型和理论正逐渐被引入多孔透水路面的分析。20世纪80年代末，Alonso（阿隆索）、Gens（简斯）等对非饱和土的弹塑性模型开展研究，而O. C. Zienkiewicz（辛克维奇）等对固－液－气三相多孔介质力学模型进行了系统地研究，严格推导出了非饱和状态下描述多孔介质力学现象的公式：

其中，α为模型参数，大多数情况下，固相不可压缩，α=1；kij为渗透系数，若为各向同性材料，则用ki表示；P为孔隙水压力；Q*为考虑固－液－气三相的组合压缩系数；代表液体的体积变化率；ρf为液体密度；bj为体积力；üj为固体加速度。从而奠定了非饱和多孔介质的本构模型的基础。此后相继有许多非饱和多孔介质力学模型被提出。基于流固耦合的角度考虑加载卸载和排泄吸渗的循环作用，分别从渗流和变形两方面对非饱和土建立了控制微分方程，并通过消除其中一些共同的参数，从而实现渗流与变形之间的相互耦合。最后，再配合表征应力与应变关系的本构方程，这样就建立了完整的控制方程：

其中，Krw分别为水相和气相的相对渗透率；K为土的内部渗透率；uw，ua分别为水和气体的动力粘度；Pw，Pa分别为孔隙水和空气压力；Pw为水的密度；g为重力加速度矢量；为增量形式的有效应力参数；为固体的速度矢量；均为模型参数，，Sr代表饱和度，S代表基质吸力，Cw，Ca分别为水和气体的压缩系数，Nw，Na分别代表水和气体的体积含量。若考虑固体颗粒的塑性因素的影响有：

其中D，De，Dep分别为刚度矩阵，弹性刚度矩阵，弹塑性刚度矩阵；n，m分别为垂直于边界面和塑性流动的单位方向向量；h为塑性模量。

在构建控制方程之后，可以采用有限元法等数值计算的方法对其求解。而基于有限元法的众多商业通用软件，也为多孔透水路面的力学分析提供了另一种实现的方式，其求解饱和状态下土的力学特性的功能相对完善，然而对于非饱和状态下颗粒物质的计算功能相对薄弱，可采用的有效力学模型不多。这也是当前多孔透水路面力学分析中亟待突破的地方。

多孔沥青透水路面、新型聚氨酯透水路面已广泛应用于工程实践，本文基于力学分析的角度概述其结构分类、优势及力学建模要点。目前，新型聚氨酯透水路面尚主要用于低频轻载道路，如城市广场、停车场、人行道和运动场等，在公路、机场和港口等高频重载路面中的设计理论和施工技术还有待进一步的研究与验证。