生态型城市透水沥青路面结构设计与性能研究

万石兵

摘要：当前城市道路大多数采用硬化铺装，一旦雨水过大，容易造成城市内涝，为了解决这个问题，本文设计了生态型城市透水沥青路面结构，路面结构包括面层、基层、垫层、路基，并对路面的饱水率进行实验测定，模拟降水过程对路面结构的渗水效能进行评价，结果表明：3组试件的饱水率分别为2.11、2.09、2.14，路面结构实际水位最高为426.478mm，低于路面结构厚度500mm，表明在整个降雨过程中不会出现路面的积水现象。

关键词：生态型;透水沥青路面;结构;性能

中图分类号：U414.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）02-0127-03

随着城市道路的面积不断扩大及城市的不断发展，对城市透水铺装的研究也越来越多，现阶段的城市道路透水铺装大多采取“以排为主，先透后排”的渗透模式。

透水沥青路面适用于城市的支路、次干路、主干路、快速路等各类道路，沥青路面的空隙率在18%-25%之间，具有噪声低、防止水漂、抗滑性高等优点，在生态型海绵城市的建设中具有广泛的应用。国内外很多学者对透水沥青路面进行了研究，Alvarez等研究了透水路面的功能和耐久性能，对路面的平衡性能进行了优化。我国的相关学者研究了透水路面雨水渗透功能的持续性，构建了透水沥青混合料有效空隙率，并重新设计透水沥青路面结构体系。研究中还发现黏性土路基的透水路面可以降低大约93%的地表径流，并对地表径流中的污染物如氮磷、重金属等具有过滤作用。本文主要对生态型城市透水沥青路面结构设计，并研究路面的路用性能，以期为城市透水沥青路面设计提供参考。

1生态型城市透水沥青路面结构设计

和传统的路面结构相比，透水沥青路面在设计过程中更多的考虑的是透水功能和储水功能。透水沥青混合料铺装的主体结构与普通沥青混合料基本相同，只是在路面结构的表面采用了透水沥青混凝土材料，这种结构属于半透水类型，是典型的骨架孔隙结构，生态型城市透水沥青路面结构如图1所示，从上到下依次为面层、基层、垫层、路基。

透水沥青路面面层通常铺筑一层或者两层，采用多孔沥青混合料（porous asphalt concrete，PAC），铺筑过程中使用的集料要求强度高、耐磨性能好，结合料采用高黏度改性沥青。基层在面层的下面，基层的材料主要包括开级配沥青稳定碎石（ATPB）、级配碎石，在降水期具有暂时储水的功能。垫层属于基层和路基之间，垫层的主要作用是隔离路基，避免一些细小的材料堵塞透水层，同时还具有提高路面结构的抗冻胀能力、改善路基的水温状况等作用，垫层材料一般为粒径小的碎石、砂砾、粗砂等，或者是聚丙烯材料、聚醋类材料。路基主要起到存储在路面结构中的雨水下渗的作用，具有一定的水稳定性，路基的材料中性能最好的为砂性土，如果路基材料选用黏性土，在路基上铺筑透水沥青之前需采用有机结合料如水泥、石灰等进行稳定处理，这样可以确保路基的抗冲刷性、水稳定性。

2生态型城市透水沥青路面路面的渗排水机理在降雨过程中，透水沥青路面结构的雨水渗入过程可以分成浸润、初始渗透、雨水积蓄、蓄水排出四个步骤，随着雨水强度的增大，路基土的渗透系数发生变化。路面的渗排水流程如图2所示。

图2中，Q、Qs分别代表路面的累积降雨量和路面结构不发生渗透的临界降雨量，k代表路基土的渗透系数，D代表路面的排水设施的排水能力，v代表路面结构中的蓄积水量，vs代表透水沥青路面的连通空隙体积。通常降雨過程中降雨强度先变大后变小，将这个降雨过程分成雨头、雨核、雨尾3部分。在降雨的雨头阶段，降雨强度比较小，Q小于Qs，雨水不会深入路基中。随着降雨强度的增大，雨水到达路基的顶面，如果降雨强度小于k则路面结构不会产生蓄水，当降雨强度大=Pk之后，路面结构开始进行蓄水，路基土初始浸润。随着降雨强度的增大，路面结构蓄水量v的不断增大，当降雨强度达到峰值之后，v逐渐增多但是增长的速度较慢，直至降雨强度减弱至路基土的渗透能力k与排水管的最大流量之和，此时路面蓄水量最大。达到路面最大蓄水量后，路面结构中的雨水逐渐渗透排出。

3透水沥青混合料持水性能分析

3.1路面模型参数

根据《公路沥青路面谢十规范》（JTGD50-2017）、《透水沥青路面技术规程》《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）等中的相关要求，设计生态型城市透水沥青路面。根据图1中建立的城市生态型城市透水沥青路面结构，评价路面的透水效能。在进行计算之前首先建立路面模型，设计路面的结构厚度和不同层的材料空隙率，如表1所示。生态型城市透水沥青路面的面层采用多孔沥青混合料，面层的上层为PAC-13，面层的下层为PAC-20，上面层和下面层的厚度均为50mm，上基层的厚度为200mm，下基层的厚度为300mm，上基层选择的材料为大空隙沥青稳定碎石ATPB25，下基层选择的材料为级配碎石，碎石的粒径为37.5mm或31.5mm;路基选择的材料为砂性土。垫层选择透水土工布。

3.2饱水率测定

3.2.1试验步骤

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-201 1）[138]，对沥青混合料进行马歇尔试验，通过该试验确定透水沥青混合料的最佳油石比，孔隙率等指标，根据实验结果可知，透水沥青混合料的最佳油石比为4.55%，理论相对密度为2.630，孔隙率为20%，连通孔隙率为17.2%，毛体积相对密度为2.254，连通空隙率为17.2%，稳定度为5.11kN。以该级配为基准，采用马歇尔标准击实法成型3组沥青混合料试件进行持水能力分析，进行饱水率实验。

为了确保制作的3个试件内部干燥，试件制作完成后利用电风扇进行风干12h，每小时测定试件的质量变化，直至试件的质量恒重之后，测定干燥的试件质量m3，将试件放置于常温常压的水槽中，确保水槽中的液面浸没试件，在水槽中放置12h，取出，擦拭干净表面之后称取试件质量m2，根据以下公式计算试件的饱水率s。

3.2.2结果

试件1、试件2、试件3的饱水率试验结果见表2所示。

由表2可知，试件的空隙率为20%时，3组试件的饱水率分别为2.11、2.09、2.14，孔隙率的大小影响饱水率，饱水率随着孔隙率的增加而变大，这主要是因为空隙率越大，在饱水过程中，水分与空隙内壁的接触面积变大，增多了水分的内部迁移通道，最终提高了试件的结构饱水能力。

3.3渗水效能评价

模拟降水过程对路面结构的渗水效能进行评价，降雨重现期为5年，选择降水时间为24h，砂性土路基的渗透速度选择0.0002cm/s，参考文献[8]中的降水过程数学模型，计算降水过程中不同时间段的累积雨量及路面结构中蓄积的雨量，如表3所示。

根据表3中的数据可知，在模拟降水过程中，降雨历时24h，整个路面结构的水位先增大后随着降雨时间的推移而降低，在整个降雨过程中，最大累积雨量和路面结构实际水位出现在大约降水过程的中间，路面结构实际水位最高为426.478mm，没有超过路面结构厚度500mm，表明在整个降雨过程中不会出现路面的积水现象，如果出现强降雨为了避免出现积水的情况，可以进一步加整个路面储水结构层的厚度，铺设排水管道，防止雨水溢出。

4结语

城市规模越来越大导致城市雨水的排水系统压力不断增加，一旦雨水过大，容易出现城市内涝，因此，加强透水沥青路面研究可以减少城市出现内涝的风险，降低城市地表径流系数，提高城市路面的使用性能。文章主要设计了生态型城市透水沥青路面结构，并对路面的饱水率和渗水效能进行了实验研究，结果表明，该路面的渗水效能较好，为透水沥青路面的设计提供了一种新的方法。