為宜居城市打造多功能路面

文/圖 北京建筑大學副教授 索智

隨著我國城市化進程加快，億萬居民對城市生態環境建設的需求越來越高。然而，霧霾、熱島、冰雪、內澇等“城市病”嚴重阻礙了城市內涵式發展，亟待各行業協同創新加以解決。如何在保證快速、舒適、安全等道路基本功能要求下，提高和拓展道路功能性，最大程度的減小建設帶來的環境影響，使道路更高效、更舒適、更安全、更環保，不僅成為道路行業關注的重要問題，也必將惠及每一位生活在城市中的居民。

針對城市“霧霾壓城”“熱浪襲城”“冰雪封城”及“大雨淹城”四大城市病，北京建筑大學自主研發了具有自吸塵、自控溫、自融雪、自排水等功能的四大環保綠色路面材料，形成了“抑塵減霾型路面”“彩色清涼型路面”“融雪防冰型路面”和“透水海綿型路面”等系列功能性提升技術，從材料的角度創新性地解決路面積塵、高溫、積雪、內澇等城市問題，致力于減少環境污染、降低能源消耗、改善生態環境。

防霾路面：主動吸水，生態抑塵

根據北京市環保局發布的2016年環境報告顯示，在城市空氣總懸浮污染顆粒物中，路面揚塵和機動車尾氣排放是大氣污染尤其是PM2.5污染的主要來源，貢獻率達到65%以上。城市路面揚塵除了自然風力造成的風蝕揚塵外，主要還是由人為帶動造成，如建筑道路施工、交通運輸、散裝物質的裝卸和搬運等都會造成揚塵開放性污染現象。

目前，國內外普遍使用的抑塵方法是在道路表面灑水或者在道路表面噴灑抑塵劑，然而，通過向路面噴灑水或抑塵溶液，抑塵周期短暫，作業頻率高，并且消耗大量的水資源和人工勞動力。新聞資料顯示，2014年2月，北京市空氣重污染應急指揮部發布了橙色預警指令，市環衛作業單位組織開展道路清掃保潔應急工作，當日出動人員22696人次、作業車輛2867車次，對全市1.5億平方米道路開展灑水降塵，用水量7786噸。同時，抑塵溶液的主要成分為鹽化物，極易腐蝕道路和橋梁材料結構，影響設施使用安全和造成二次污染。

組圖：當呼吸一口清新空氣成為奢侈愿望時；當熱浪席卷全城，氣溫高不可攀時；當冰雪封路，行車擁堵、高速路封閉、事故頻發時；當大雨漫路，內澇淹城不得不一起看海時，道路行業到了不得不創新應對時代需求的時候。

針對現有道路抑塵技術作用效果時間短、浪費水資源，且有腐蝕和二次污染的問題，一種具有獨立自主知識產權、綠色環保的高效吸附添加劑被開發出來，它等體積置換瀝青混合料中的礦粉成分，使改性劑充分分散在瀝青膠漿中。通過滲透壓和毛細管現象及車輪荷載的泵吸作用，吸附添加劑從混合料內部濃度較高的部分逐漸向濃度較低的道路表面釋放出來，與空氣中的水分充分接觸后，使道路表面水的液相蒸氣壓下降，具備自主吸附空氣中水分，并凝結并聚集在道路表面的功能，使瀝青路面長期保持濕潤狀態，捕捉和吸附路面上的揚塵，達到減量空氣中細小顆粒物含量、凈化空氣的效果。通過在路面材料之中添加一定量的“主動吸附改性劑”，無需灑水車，實現主動全天候抑塵，通過實驗室評估試驗生態主動抑塵減霾瀝青路面可降低PM2.5污染物濃度32%，PM10濃度71%。

組圖：生態主動抑塵減霾路面作用原理

表1 國內外主要道路抑塵劑一覽表

此外，隨著材料的進一步開發，“主動吸附改性劑”將不再局限于道路材料之中，從建筑外墻到日常出行，“主動吸附添加劑”將深入人們城市建設的各個方面，最大限度地減少環境當中的霧霾，最大可能地提供清新的生活環境、保障城市居民的健康。

清涼路面：彩色清涼，高效控溫

隨著城市化進程加快，城市中原有土壤、綠植表面逐步被房屋、大型基礎設施及各種不透水的場地和道路所取代，引發城市熱島問題，高溫天氣、高熱疾病一步步侵蝕著城市的居民。據新聞報道，全世界最熱城市中，我國就有6個城市進入前十名，強度最大已達7攝氏度，城市溫度升高，直接導致氣壓降低帶來污染物聚集，夏季因高溫引發的疾病死亡率提高31.2%。北京市區道路面積占總面積的近1/3，城市道路多采用平整度高、舒適性好、噪音低的瀝青路面，但瀝青是一種黑色吸熱材料，太陽吸收率很高（達0.85至0.95），研究表明，當氣溫達到35℃時，瀝青路表溫度可達到60攝氏度至65攝氏度，基于北京市在2000年至2015年間157.68萬個地溫數據得知，像北京這樣的特大城市熱島強度顯著，且日趨嚴重，如何控制城市熱島的繼續發展已迫在眉睫。

目前，國內外的道路工作者開始致力于研究抑制路面溫度升高的控溫路面鋪裝新技術，但整體上，主要問題是控溫效果不明顯，且造價高。

針對現有道路控溫技術作用效果有限、價格高昂、不利于應用推廣的問題，北京建筑大學以降低路表溫度，緩解熱島效應，減少道路對城市生態環境的影響為目標，采用材料相變控溫和減少太陽輻射吸收的復合手段，自主研發了主動吸附保水改性劑和高黏彩色膠結料，并基于控溫功能與路用性能，提出了彩色控溫瀝青混合料組成平衡設計方法，形成了“彩色清涼型路面”技術，一方面通過改變路面級配，增大孔隙率以加快路面對流而散熱，另一方面通過實現路面主動吸水保濕，利用水比熱容大的物理特性相變控溫，同時以高黏彩色膠結料替代傳統瀝青，減少路面對太陽能輻射的吸收，最大化的降低夏季路表溫度，緩解城市熱島效應。試驗評估結果表明，研發的彩色控溫瀝青混合料較傳統瀝青混合料表面溫度降低了14.3攝氏度，熱島強度降低4.8攝氏度，且各項路用性能均滿足道路規范要求。隨著彩色控溫瀝青混合料的推廣應用，預估北京中心城區PM2.5濃度將降低38.7%，減少夏季制冷所需電能9.2億千瓦時，節能減排、低碳環保效益顯著。此外，由于采用水這一最為常見物質作為的相變控溫的基礎，工程造價顯著降低，僅為國外同類技術的1/10。

圖1 高分子彩色膠結料材料組成

表2 國內外控溫技術一覽表

除雪路面：高彈蓄鹽、融雪防冰

道路除冰雪技術可以分為被動除冰雪技術和主動除冰雪技術。被動除冰雪技術主要包括撒布融雪劑，人工除雪，機械除冰雪等。傳統的道路除冰雪技術需要依靠大量的人力物力，不僅除冰雪效率低，并且對道路周圍環境污染較大，因此各國已將研究重點逐漸轉移到了主動除冰雪技術。目前國內較為常用的主動除冰雪技術主要包括兩種：鹽化物自融雪技術和彈性道路鋪裝技術。鹽化物自融雪技術是依靠蓄鹽填料的析出降低路表水的冰點，減小冰層在路表的黏結力，但冰層完全融化速率較慢，必須輔助機械和人工才能達到很好的除冰效果。彈性道路鋪裝技術是利用廢舊橡膠顆粒，替換一定的集料，提高瀝青路面變形性能，利用大變形引起的自應力破碎冰層，但是根據實際觀測，彈力路面受冰層厚度影響較大，冰層較厚條件下（2毫米～6毫米），其除冰能力消失。

針對蓄鹽型和高彈型除冰雪技術的不足，北京建筑大學功能性瀝青路面新技術課題組將鹽化物自融雪技術和彈性道路鋪裝技術有機結合，取長補短，研發出一種復合型主動除冰雪技術。該技術將蓄鹽填料和橡膠顆粒共同摻配到瀝青混合料中，充分發揮兩種材料的特點，形成高效融雪抑冰功能型道路材料。將其應用到自融雪除冰功能性路面工程中，可以依靠蓄鹽填料的析出降低道路表水冰點，降低冰層和道路表面的粘結力，可以充分發揮橡膠顆粒高彈性的特點，提高混合料的自應力除冰能力。依托冬奧工程——張承高速公路，課題組實施了2個試驗路段的鋪設，通過現場實施效果的觀測，發現采用添加劑試驗路段無積雪薄冰殘留，而非實驗路段仍然有積雪殘留，并且融化的雪水已經與路面凍結，嚴重影響形成安全。

圖2 張承高速公路融雪防冰試驗路段的對比圖

透水道路：透水海綿，緩解內澇

針對城市道路的海綿化問題，與國外許多發達國家普遍采用的柔性基層瀝青路面結構不同，我國路面結構在“強基薄面”的指導原則下，廣泛采用半剛性基層型式。然而，半剛性材料水穩定性較差，遇水后強度迅速降低，極易造成路面承載失效，產生龜裂和破損，難于滿足城市透水海綿型道路的建設需求，已經成為海綿型道路鋪裝技術的瓶頸問題，亟待技術創新。

組圖：大粒徑透水嵌鎖式瀝青路面材料及典型

一種大粒徑嵌鎖式瀝青混合料ATPB（Asphalt Treated Permeable Base）和大粒徑嵌鎖碎石基層ISB（Interlocking Stone Base）材料被開發，其中大粒徑ATPB與ATPB相似屬于骨架空隙結構，采用了更粗的集料形成骨架，又根據粗料空隙要求加入細料與瀝青形成的瑪蹄脂。大粒徑ATPB瀝青混合料不僅具有較高的黏聚力，而且具有更大的內摩阻力，高溫、低溫、水穩定性、抗疲勞性都比較好。大粒徑ATPB與ISB新型嵌鎖基層材料及典型結構是一種兼顧路面承載能力、高穩定性、水穩定性的優化結構，可以有效解決透水情況下路面基層瀝青穩定性不足，易發生路面早期破壞的問題。適合用于重載交通條件下的海綿型道路鋪裝工程，抵抗行車荷載對道路結構的作用，顯著降低路表徑流，實現城市雨水吸、蓄、滲、凈、用、排循環利用。

隨著人民日益增長的物質文化需求，抑塵減霾型、彩色控溫型、透水海綿型和融雪防冰型等單一功能性面技術，遠遠滿足不了新時代下道路交通發展的需求，將單項技術復合應用又必然導致工程費用的急劇升高；此外，由于對復合功能型瀝青路面技術的研究不夠深入，各單項技術間的交互作用機理未能掌握，復合應用的單項技術其功能效果必然易受到較大影響，滿足不了多功能性要求，這些都嚴重制約了功能性路面技術的推廣應用。

因而，認真落實交通行業有關“十三五”科技發展的重大部署，針對于大氣污染管控、城市熱島緩解、道路運營保障等問題，統籌推進復合功能型瀝青路面技術的研發、成果推廣應用、標準指南制訂和創新能力建設等方面的工作，將有力支撐我國道路工程科技進步與創新，為加快發展“安全、便捷、高效、綠色、經濟的現代化城市綜合交通體系”提供科技支撐。