一种保水性路面路用性能的研究

叶 博

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030000)

0 引 言

沥青是一种黑褐色的复杂混合物，沥青路面吸热能力非常高。尤其是在夏季高温时，沥青混合料吸收太阳辐射能量并蓄积大量热量在路面结构中，使得路面在夏季的温度远远高于气温，沥青路面温度最高可达60 ℃～70 ℃，全球气候变暖导致各类极端天气气候事件频发。尤其是在城市中，极易引发城市热岛效应。为了降低夏季沥青路面温度，减少路面车辙和缓解城市热岛效应，降温型路面将成为未来的发展趋势。从20世纪开始，国内外对阻热型路面进行了大量的研究与实践。

保水式路面是降低路面温度的一种技术，20世纪90年代，日本开始研究低吸热型的保水式铺装，1994年研发出保水式联锁块铺装，1998年又开发出了保水性沥青混合料系的铺装类型，其原理是通过在大空隙沥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，或者通过路表洒水的蒸发、气化降低路面温度。中国对于此类路面的开发研究鲜见文献报道。

对保水降温路面中的保水材料进行研究，拟开发出一种具有高效降温的保水材料，将其应用于大孔隙路面结构中而成为一种新型的保水降温型路面，使其保水性路面符合路用性能的要求，以期大面积的推广于中国城市的道路，为降低城市热岛效应、改善居民生活环境做出贡献。

1 沥青混合料配合比设计

1.1 原材料

选用的保水性材料为粉体、消石灰、水，其中粉体包括矿渣粉末和粉煤灰。保水性材料的技术指标见表1。

表1 原材料成分及技术指标

本文采用SBS改性沥青，粗集料采用陕西商洛所产玄武岩，细集料选用陕西泾阳石灰岩石屑，填料为石灰石矿粉。其材料技术性质均符合实验规程的技术要求。

1.2 保水材料组成比例

保水性材料是一种胶凝体，其主要成分粉煤灰及矿渣粉末在固态碱性物质的促进下生成的，胶凝体的内部结构中有许多的微型孔，保水材料就说利用这些微型孔吸附水分。保水材料的性能会随原材料性质变化而变化，也会随各组分比例的不同而改变，即粉煤灰细度、矿渣粉末的粒径、保水性乳浆的值、保水材料的各组分比例等等。本文拟采用以下比例配制保水材料，见表2。

表2 保水材料配比

1.3 母体沥青混合料

保水路面的大孔隙结构称之为母体结构，保水路面之所以能发挥其功能性主要是因为灌注其中的保水材料，母体结构对整个路面的性能也有着非常重要的作用，母体结构的路用性能、油石比、孔隙率必须满足实验规程的要求。适合保水性路面的母体结构很多，例如排水性路面、降噪路面、透水性路面等，即大孔隙的路面结构都可以作为保水路面母体结构。在此前课题研究的基础上，比较各种路面结构的功能、材料性质、结构特性，本课题选择OGFC作为保水性路面的母体结构。OGFC目标孔隙率控制在20%左右，OGFC沥青混合料的具体指标要求见表3。

表3 OGFC沥青混合料设计要求

日本在设计保水性路面母体结构方面有着成熟的经验，本文借鉴其成熟的理论，按照粘附在矿料表面的沥青膜，以中间级配附近±3%左右，暂时确定3个级配，根据公式计算出沥青的用量，然后再计算出试件的孔隙率，最后优化出矿料的级配范围，本文笔者采用的OGFC沥青混合料级配见表4。

表4 OGFC混合料矿料级配

按此级配成型的混合料试件进行飞散实验及析漏试验，最终确定沥青的最佳用量为5%。

2 保水性路面材料路用性能

2.1 高温稳定性

保水性路面沥青混合料与OGFC沥青混合料的车辙试验结果对比情况见表5。

表5 车辙试验结果

由表5可知，OGFC沥青混合料的动稳定度约为5 214次·mm-1，而保水性路面沥青混合料的动稳定度为9 600次·mm-1。容易得出保水性路面混合料的高温稳定性要比OGFC路面混合料的高温稳定性要好。这是因为在OGFC结构中加入保水性材料，保水性材料与母体结构紧密结合，使得保水性路面的刚性变大，在高温下有着更强的抗剪切抵抗力，以致有着更强的抗车辙能力，所以保水性路面沥青混合料有着更强的高温稳定性。

2.2 水稳定性

保水性路面沥青混合料与OGFC沥青混合料的马歇尔实验结果对比情况见图1、图2。

图1 浸水马歇尔试验稳定度

图2 马歇尔残留稳定度及冻融劈裂比

从图2的实验结果可以得出保水性路面沥青混合料与OGFC沥青混合料的浸水、未浸水马歇尔稳定度存在以下关系：保水性路面沥青混合料>OGFC。说明灌入的保水性材料使得母体结构的水稳定性得到提高。

从图2的实验结果可以看出灌注保水性材料的母体结构的残留稳定度在87%左右，冻融劈裂比在85%左右，远高于规范要求值。保水性路面与OGFC有着相同的矿料及矿料级配，但其残留稳定度与冻融劈裂比有着如下关系：残留稳定度保水性沥青混合料>OGFC、冻融劈裂比保水性沥青混合料>OGFC，说明保水性路面结构中的保水材料会提高母体结构的水稳定性，并且保水材料的灌入也会增强母体结构的抗水损害能力。

2.3 低温抗裂性

低温抗裂性能是沥青混合料路用性能中的重要指标，本文笔者通过低温弯曲实验对低温性能进行验证。保水性沥青混合料的低温弯曲指标见表6。

表6 低温弯曲试验结果

由表6可知，保水性路面沥青混合料劲度模量OGFC沥青混合料低温抗裂性。

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来评价，室内保水量计算公式如下

W=(M1-M2)/A

式中:W为5 cm厚保水性路面的保水量。M1为5 cm厚的车辙试验板在水中浸泡24 h后车辙板+水质量。M2为浸泡24 h的车辙板在60 ℃烘箱内烘24 h后的烘干质量。A为车辙板横截面积。

本文分别测试了试件浸水24 h、48 h、72 h三种不同时间后的保水量，如图3所示。

图3 路面保水量对比

由图3可以看出，2种类型的路面均具有一定的保水能力，保水性路面的保水能力远远优于OGFC路面；保水24 h后，保水路面基本不会再吸水，基本达到了保水路面的吸水上限。正是由于保水路面结构中灌入保水性材料，保水材料具有较好的吸水、保水能力，使得保水路面的保水量>OGFC路面。

2.5 路面降温性能

采用自制光照模拟装置对保水性路面、OGFC路面进行室内模拟光照试验，测试不同类型试件表面温度，评价保水性路面阻热效果。本次试验研究中制备了2组试件：一组为5 cm保水性路面车辙板试件；另一组试件是5 cmOGFC车辙板试件。为了试验结果具有可比性，通过调整装置中支架的高度，使得光照3 h后OGFC车辙板试件表面温度约70 ℃。路面经加热灯加热3 h后，对试件洒水处理，然后用优利德科技有限公司生产的数字测温仪(UT320系列)测试路表面温度，测试结果见表7。

表7 路面降温性能对比

由表7可以看出:保水性路面在碘钨加热灯下连续加热3 h后，路面温度要比OGFC沥青路面低11 ℃。这是因为洒水后保水路面的保水作用，在之后几小时内，保水材料内部的水分会被慢慢蒸发，通过蒸发吸热来达到降温的效果。从表7可以看出:保水性路面在洒水后的5 h之内，能起到持续的降温效果，其路面温度较OGFC路面温度低10 ℃左右;但12 h之后，两种类型路面的温度差异就不大了，这主要是因为连续加热下，保水性路面结构内的水分已完全被蒸发，此时应当再作洒水处理才能保持降温的效果。对此现象，不会因保水时间而影响路面的持久性降温，因为在自然现象中，太阳照射时间一般每天不超过10 h，太阳高强度照射时间不超过3 h，本实验是模拟高强度的太阳直射，5 h内都能有很好的降温效果，因此可以推断出，在一天的光照时间内，路面可以很好的起到降温功能。此外，保水性路面还可以在夜间吸收大气的水蒸气，路面人工洒水，或者是大气降水等得到水源的补充，使保水性路面拥有持续性降温功能。

3 结 语

(1)保水性沥青混合料有着很强的高温稳定性，其动稳定度约为9 600次·mm-1，60 min车辙深度为1.25 mm，而OGFC沥青混合料的动稳定度在5 214次·mm-1左右，60 min车辙深度为1.701 mm。不论从动稳定度还是变形深度方面保水性路面沥青混合料都具有不错的高温稳定性。

(2)保水性沥青混合料的低温抗裂性能(-10 ℃的破坏拉伸应变、劲度模量)、水稳定性比OGFC沥青混合料要好。

(3)保水性路面具有较好的保水功能，浸水24 h的保水量为2.8 kg/m3。保水性路面在洒水后的5 h之内，较OGFC路面温度低10 ℃左右，且能持续起到较好的降温效果，保水路面拥有持续的降温功能。

(4)本文中所提出的保水性路面可实际应用于风景旅游景区道路铺装、城市绿道铺装、自行车道铺装以及露天广场铺装等场所。如果保水性路面得到大面积的推广后，对于降低城市热岛效应、改善居民生活环境起到非常重要的作用。