一種保水性路面路用性能的研究

葉 博

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030000)

0 引 言

瀝青是一種黑褐色的復(fù)雜混合物，瀝青路面吸熱能力非常高。尤其是在夏季高溫時，瀝青混合料吸收太陽輻射能量并蓄積大量熱量在路面結(jié)構(gòu)中，使得路面在夏季的溫度遠遠高于氣溫，瀝青路面溫度最高可達60 ℃～70 ℃，全球氣候變暖導(dǎo)致各類極端天氣氣候事件頻發(fā)。尤其是在城市中，極易引發(fā)城市熱島效應(yīng)。為了降低夏季瀝青路面溫度，減少路面車轍和緩解城市熱島效應(yīng)，降溫型路面將成為未來的發(fā)展趨勢。從20世紀(jì)開始，國內(nèi)外對阻熱型路面進行了大量的研究與實踐。

保水式路面是降低路面溫度的一種技術(shù)，20世紀(jì)90年代，日本開始研究低吸熱型的保水式鋪裝，1994年研發(fā)出保水式聯(lián)鎖塊鋪裝，1998年又開發(fā)出了保水性瀝青混合料系的鋪裝類型，其原理是通過在大空隙瀝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，或者通過路表灑水的蒸發(fā)、氣化降低路面溫度。中國對于此類路面的開發(fā)研究鮮見文獻報道。

對保水降溫路面中的保水材料進行研究，擬開發(fā)出一種具有高效降溫的保水材料，將其應(yīng)用于大孔隙路面結(jié)構(gòu)中而成為一種新型的保水降溫型路面，使其保水性路面符合路用性能的要求，以期大面積的推廣于中國城市的道路，為降低城市熱島效應(yīng)、改善居民生活環(huán)境做出貢獻。

1 瀝青混合料配合比設(shè)計

1.1 原材料

選用的保水性材料為粉體、消石灰、水，其中粉體包括礦渣粉末和粉煤灰。保水性材料的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 原材料成分及技術(shù)指標(biāo)

本文采用SBS改性瀝青，粗集料采用陜西商洛所產(chǎn)玄武巖，細集料選用陜西涇陽石灰?guī)r石屑，填料為石灰石礦粉。其材料技術(shù)性質(zhì)均符合實驗規(guī)程的技術(shù)要求。

1.2 保水材料組成比例

保水性材料是一種膠凝體，其主要成分粉煤灰及礦渣粉末在固態(tài)堿性物質(zhì)的促進下生成的，膠凝體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有許多的微型孔，保水材料就說利用這些微型孔吸附水分。保水材料的性能會隨原材料性質(zhì)變化而變化，也會隨各組分比例的不同而改變，即粉煤灰細度、礦渣粉末的粒徑、保水性乳漿的值、保水材料的各組分比例等等。本文擬采用以下比例配制保水材料，見表2。

表2 保水材料配比

1.3 母體瀝青混合料

保水路面的大孔隙結(jié)構(gòu)稱之為母體結(jié)構(gòu)，保水路面之所以能發(fā)揮其功能性主要是因為灌注其中的保水材料，母體結(jié)構(gòu)對整個路面的性能也有著非常重要的作用，母體結(jié)構(gòu)的路用性能、油石比、孔隙率必須滿足實驗規(guī)程的要求。適合保水性路面的母體結(jié)構(gòu)很多，例如排水性路面、降噪路面、透水性路面等，即大孔隙的路面結(jié)構(gòu)都可以作為保水路面母體結(jié)構(gòu)。在此前課題研究的基礎(chǔ)上，比較各種路面結(jié)構(gòu)的功能、材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特性，本課題選擇OGFC作為保水性路面的母體結(jié)構(gòu)。OGFC目標(biāo)孔隙率控制在20%左右，OGFC瀝青混合料的具體指標(biāo)要求見表3。

表3 OGFC瀝青混合料設(shè)計要求

日本在設(shè)計保水性路面母體結(jié)構(gòu)方面有著成熟的經(jīng)驗，本文借鑒其成熟的理論，按照粘附在礦料表面的瀝青膜，以中間級配附近±3%左右，暫時確定3個級配，根據(jù)公式計算出瀝青的用量，然后再計算出試件的孔隙率，最后優(yōu)化出礦料的級配范圍，本文筆者采用的OGFC瀝青混合料級配見表4。

表4 OGFC混合料礦料級配

按此級配成型的混合料試件進行飛散實驗及析漏試驗，最終確定瀝青的最佳用量為5%。

2 保水性路面材料路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

保水性路面瀝青混合料與OGFC瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果對比情況見表5。

表5 車轍試驗結(jié)果

由表5可知，OGFC瀝青混合料的動穩(wěn)定度約為5 214次·mm-1，而保水性路面瀝青混合料的動穩(wěn)定度為9 600次·mm-1。容易得出保水性路面混合料的高溫穩(wěn)定性要比OGFC路面混合料的高溫穩(wěn)定性要好。這是因為在OGFC結(jié)構(gòu)中加入保水性材料，保水性材料與母體結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，使得保水性路面的剛性變大，在高溫下有著更強的抗剪切抵抗力，以致有著更強的抗車轍能力，所以保水性路面瀝青混合料有著更強的高溫穩(wěn)定性。

2.2 水穩(wěn)定性

保水性路面瀝青混合料與OGFC瀝青混合料的馬歇爾實驗結(jié)果對比情況見圖1、圖2。

圖1 浸水馬歇爾試驗穩(wěn)定度

圖2 馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂比

從圖2的實驗結(jié)果可以得出保水性路面瀝青混合料與OGFC瀝青混合料的浸水、未浸水馬歇爾穩(wěn)定度存在以下關(guān)系：保水性路面瀝青混合料>OGFC。說明灌入的保水性材料使得母體結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性得到提高。

從圖2的實驗結(jié)果可以看出灌注保水性材料的母體結(jié)構(gòu)的殘留穩(wěn)定度在87%左右，凍融劈裂比在85%左右，遠高于規(guī)范要求值。保水性路面與OGFC有著相同的礦料及礦料級配，但其殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂比有著如下關(guān)系：殘留穩(wěn)定度保水性瀝青混合料>OGFC、凍融劈裂比保水性瀝青混合料>OGFC，說明保水性路面結(jié)構(gòu)中的保水材料會提高母體結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性，并且保水材料的灌入也會增強母體結(jié)構(gòu)的抗水損害能力。

2.3 低溫抗裂性

低溫抗裂性能是瀝青混合料路用性能中的重要指標(biāo)，本文筆者通過低溫彎曲實驗對低溫性能進行驗證。保水性瀝青混合料的低溫彎曲指標(biāo)見表6。

表6 低溫彎曲試驗結(jié)果

由表6可知，保水性路面瀝青混合料勁度模量OGFC瀝青混合料低溫抗裂性。

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來評價，室內(nèi)保水量計算公式如下

W=(M1-M2)/A

式中:W為5 cm厚保水性路面的保水量。M1為5 cm厚的車轍試驗板在水中浸泡24 h后車轍板+水質(zhì)量。M2為浸泡24 h的車轍板在60 ℃烘箱內(nèi)烘24 h后的烘干質(zhì)量。A為車轍板橫截面積。

本文分別測試了試件浸水24 h、48 h、72 h三種不同時間后的保水量，如圖3所示。

圖3 路面保水量對比

由圖3可以看出，2種類型的路面均具有一定的保水能力，保水性路面的保水能力遠遠優(yōu)于OGFC路面；保水24 h后，保水路面基本不會再吸水，基本達到了保水路面的吸水上限。正是由于保水路面結(jié)構(gòu)中灌入保水性材料，保水材料具有較好的吸水、保水能力，使得保水路面的保水量>OGFC路面。

2.5 路面降溫性能

采用自制光照模擬裝置對保水性路面、OGFC路面進行室內(nèi)模擬光照試驗，測試不同類型試件表面溫度，評價保水性路面阻熱效果。本次試驗研究中制備了2組試件：一組為5 cm保水性路面車轍板試件；另一組試件是5 cmOGFC車轍板試件。為了試驗結(jié)果具有可比性，通過調(diào)整裝置中支架的高度，使得光照3 h后OGFC車轍板試件表面溫度約70 ℃。路面經(jīng)加熱燈加熱3 h后，對試件灑水處理，然后用優(yōu)利德科技有限公司生產(chǎn)的數(shù)字測溫儀(UT320系列)測試路表面溫度，測試結(jié)果見表7。

表7 路面降溫性能對比

由表7可以看出:保水性路面在碘鎢加熱燈下連續(xù)加熱3 h后，路面溫度要比OGFC瀝青路面低11 ℃。這是因為灑水后保水路面的保水作用，在之后幾小時內(nèi)，保水材料內(nèi)部的水分會被慢慢蒸發(fā)，通過蒸發(fā)吸熱來達到降溫的效果。從表7可以看出:保水性路面在灑水后的5 h之內(nèi)，能起到持續(xù)的降溫效果，其路面溫度較OGFC路面溫度低10 ℃左右;但12 h之后，兩種類型路面的溫度差異就不大了，這主要是因為連續(xù)加熱下，保水性路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分已完全被蒸發(fā)，此時應(yīng)當(dāng)再作灑水處理才能保持降溫的效果。對此現(xiàn)象，不會因保水時間而影響路面的持久性降溫，因為在自然現(xiàn)象中，太陽照射時間一般每天不超過10 h，太陽高強度照射時間不超過3 h，本實驗是模擬高強度的太陽直射，5 h內(nèi)都能有很好的降溫效果，因此可以推斷出，在一天的光照時間內(nèi)，路面可以很好的起到降溫功能。此外，保水性路面還可以在夜間吸收大氣的水蒸氣，路面人工灑水，或者是大氣降水等得到水源的補充，使保水性路面擁有持續(xù)性降溫功能。

3 結(jié) 語

(1)保水性瀝青混合料有著很強的高溫穩(wěn)定性，其動穩(wěn)定度約為9 600次·mm-1，60 min車轍深度為1.25 mm，而OGFC瀝青混合料的動穩(wěn)定度在5 214次·mm-1左右，60 min車轍深度為1.701 mm。不論從動穩(wěn)定度還是變形深度方面保水性路面瀝青混合料都具有不錯的高溫穩(wěn)定性。

(2)保水性瀝青混合料的低溫抗裂性能(-10 ℃的破壞拉伸應(yīng)變、勁度模量)、水穩(wěn)定性比OGFC瀝青混合料要好。

(3)保水性路面具有較好的保水功能，浸水24 h的保水量為2.8 kg/m3。保水性路面在灑水后的5 h之內(nèi)，較OGFC路面溫度低10 ℃左右，且能持續(xù)起到較好的降溫效果，保水路面擁有持續(xù)的降溫功能。

(4)本文中所提出的保水性路面可實際應(yīng)用于風(fēng)景旅游景區(qū)道路鋪裝、城市綠道鋪裝、自行車道鋪裝以及露天廣場鋪裝等場所。如果保水性路面得到大面積的推廣后，對于降低城市熱島效應(yīng)、改善居民生活環(huán)境起到非常重要的作用。