透水瀝青混凝土材料的改性設(shè)計及性能優(yōu)化

中圖分類號：TU528.42；TQ177.6+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0086-04

Modified design and performance optimization ofpermeable asphalt concrete materials

WANG Jin，LIGuoqiang，ZHANG Bo （China Jiaotong Road and Bridge Construction Co.，Ltd.，Beijing 1Ooo1o，China）

Abstract：With theacceleration of theglobal urbanization process，the extensiveuseof traditional permeable pavement has caused the imbalance of urban water cycle，frequent waterloging disasters，reduced groundwater depth， and intensified urban heatisland efect.Inthis context，permeable asphalt concrete has become an important technical way to allviate urban ecological contradictions due to its unique pore structure and water permeability.As a new material of porous media structure，porous media can be used to realize rapid infiltration and transportation of rainwater. It can not only effectively reduce surface runoff and reduce the risk of urban waterlogging，but also supplement groundwater resources and regulate microclimate environment，which is of great significance to the constructioof“sponge city\".However，the material composition of asphalt concrete directly afects its mechanical properties，water permeabilityand durability.How tooptimize the material compositionand improve itscomprehensive performance under the premise of meeting the requirements of water permeabilityis the key problem to be solved urgently intheoretical researchand engineeringapplication.Inviewof this，this paper analyzes the material composition of permeable asphalt concrete，and puts forward corresponding performance optimization measures， aiming at promoting the sustainable development of permeable pavement materials and promoting the ecological transformation of urban construction.

Keywords： permeable;asphalt concrete ;material composition; performance optimization; measures

透水瀝青混凝土性能的優(yōu)化既是材料科學(xué)研究的前沿問題，又是城市可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。從材料組成來看，集料的粒度分布，瀝青的黏度，添加劑的類型等都是影響滲透性能的重要因素1。通過對材料進(jìn)行合理設(shè)計，既能保證路面的透水性，又能提高其承載力，延長其使用壽命。此外，施工技術(shù)及環(huán)境適應(yīng)性也是影響瀝青混凝土使用性能的重要因素。通過對材料組成及施工工藝的優(yōu)化，可有效提高瀝青混凝土的綜合性能，為綠色、高效的城市道路建設(shè)提供新的途徑[2]。

1透水瀝青混凝土的材料改性設(shè)計

1.1 骨料級配設(shè)計

1.1.1 關(guān)鍵篩孔控制

骨料級配是影響瀝青混凝土使用性能的一個重要因素，關(guān)鍵篩孔控制是保證混凝土滲透性與力學(xué)性能均衡的關(guān)鍵。需按照J(rèn)TG/T3350-03—2020《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，根據(jù)道路等級、氣候和交通狀況，確定其礦料級配范圍。如對透水面層瀝青混合料而言，關(guān)鍵篩孔率必須嚴(yán)格控制，才能保證足夠的連通空隙率及滲透系數(shù)[3]。一般認(rèn)為，關(guān)鍵篩孔應(yīng)控制在 2.36～4.75mm 之間，這兩種粒度的透水率直接影響著瀝青混合料的力學(xué)性能4]。

1.1.2 間斷級配優(yōu)化

采用間斷級配設(shè)計對改善瀝青混合料的使用性能具有重要意義，通過優(yōu)化骨料粒徑分布，可降低細(xì)顆粒含量，增大連通空隙率，改善透水性5。間斷級配能減少細(xì)顆粒填充量，降低其黏度，從而提高施工可行性。在具體實(shí)施中需按照CJJ/T190—2012《透水瀝青技術(shù)規(guī)程》要求，將 4.75～9.5mm 的粗骨料占比應(yīng)把控在 45%～50%，0.075～4.75mm 的機(jī)制砂把控在30%～35% ，與特定膠凝材料形成“骨架-砂漿\"復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以最大限度地發(fā)揮骨料的骨架效能，降低瀝青用量，提高透水性。

1.2 瀝青結(jié)合料改性

1.2.1 高黏度修飾劑

高黏度改性劑（如DTPS-P等）可顯著提高瀝青的綜合性能，其是一種淡黃色的球狀微粒，是由高分子材料如熱塑性橡膠和高粘性樹脂混熔增塑而成[]。按質(zhì)量比為12：88的改性劑加入，并在 170～180^°C 范圍內(nèi)攪拌2～4h后再用于生產(chǎn)，其熔融分散性能好，黏度大， 60^°C 時黏度不低于 20000Pa?s^[8] 通過提高瀝青-骨料之間的粘接力，可提高瀝青混凝土高溫變形、低溫開裂、抗飛濺、抗剝落和抗疲勞等性能，可有效解決大空隙結(jié)構(gòu)耐久性差的難題，提高路面使用壽命和使用性能9]。

1.2.2 納米增強(qiáng)體

以納米蒙脫石為代表的納米材料對瀝青進(jìn)行改性是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，將其加入瀝青中，可以形成插層型和剝離型結(jié)構(gòu)，對瀝青的性能有很大的提高[10]。納米 mmt，ommt 和ldhs均可有效提高瀝青-聚合物間的相互作用，其中ommt的改性效果最好。復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量 （g^*） 提高，相角（8）降低，tshrp從 66.2^°C 升高到 80^qC ，抗車轍能力顯著提高\(yùn)"。同時，納米材料還可增強(qiáng)抗熱氧/紫外線老化能力，利用無機(jī)層的物理阻隔和屏蔽作用，抑制瀝青的氧化老化，提高透水瀝青混凝土的耐久性，保證其在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定服役[12]。

1.3 纖維和添加劑

1.3.1 玄武巖纖維

玄武巖纖維是一種性能優(yōu)良的加筋材料，在透水性瀝青混凝土中得到了廣泛的應(yīng)用。它具有高強(qiáng)度、高模量、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能顯著改善瀝青混合料的力學(xué)性能及耐久性[13]。按照GB/T776.1—2010《公路工程玄武巖纖維及其制品》規(guī)定，玄武巖纖維應(yīng)具有不低于 2000MPa 和不低于 3.1% 的斷裂伸長率。玄武巖纖維添加量為 0.1% 時，其抗壓強(qiáng)度可達(dá) 35.01MPa ，抗折強(qiáng)度可達(dá) 5.82MPa 另外玄武巖纖維還能改善瀝青混合料的抗凍融性能，從而提高其在嚴(yán)酷環(huán)境中的服役性能[14]

1.3.2 陰離子型乳化瀝青

陰離子乳化瀝青是一種能有效改善透水瀝青混凝土層間粘接性能的粘接材料，它具有乳化穩(wěn)定性好，對集料有較好的粘附性，能起到增強(qiáng)混凝土整體性的作用。JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，陰離子型乳化瀝青在篩面殘留量不得超過 0.1% ，與礦料之間的粘接面積不得少于2/3，且陰離子型乳化瀝青必須滿足其篩分要求[1]。同時，陰離子乳化瀝青可以降低混合料的制造能耗，符合綠色環(huán)保的理念，而且還能提高施工的簡便性，方便施工作業(yè)，保證施工質(zhì)量和效率。

2透水瀝青混凝土的性能優(yōu)化

2.1力學(xué)性能優(yōu)化

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

透水瀝青混凝土是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)形式，采用間斷級配設(shè)計方法，優(yōu)化粗集料 （9.5～16mm） 和細(xì)集料 （0.075～4.75mm 配比，可以顯著提高路基的抗壓強(qiáng)度。將粗集料含量控制在 65%～70% 、細(xì)集料占 20%～25% 的條件下（ 60^c 動黏度 ≥20000Pa?s） ，試件28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到 12～15MPa^[16] 。同時，將納米材料應(yīng)用于復(fù)合材料的強(qiáng)韌化是一個新的發(fā)展方向，在瀝青膠漿中摻入 2%～3% 的納米二氧化硅（平均粒徑 50～80nm ），可以填充瀝青膠漿的孔隙，提高界面粘接強(qiáng)度，使其抗壓強(qiáng)度提高 18%～22%^[17] 此外，采用纖維增強(qiáng)技術(shù)，將玄武巖纖維（長度為 添加到混合料中，可形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效分散應(yīng)力，使其抗壓強(qiáng)度得到有效提高，進(jìn)而顯著提高其承載能力。

2.1.2 抗車轍能力

透水瀝青混凝土路面的抗車轍性能直接影響其使用壽命，《中國公路學(xué)報》的研究結(jié)果顯示，采用動態(tài)模量 gtrsim12000MPa 的高模量瀝青混合料可以有效地提高路面的抗形變性能[18]。采用DTPS-P等高粘性改性劑，將添加量控制在 12%～15% ，并配合優(yōu)化級配（ 4.75mm 篩孔通過率為 10%～12% ），動態(tài)穩(wěn)定性能達(dá)到8000次 /mm 另外，復(fù)合改性技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，將納米蒙脫土（OMMT） 1.5%～2% 和橡膠粉（8%～10% 協(xié)同對瀝青進(jìn)行改性，可使復(fù)合模量得到顯著提高，使相位角降低，進(jìn)而有效抑制車轍變形，顯著提高路面的耐車轍能力和耐久性[19]。

2.2 透水性能優(yōu)化

2.2.1 孔隙率調(diào)控

孔隙率是決定透水瀝青混凝土透水性的關(guān)鍵參數(shù)，合理控制孔隙率，可以實(shí)現(xiàn)材料的透水性能和力學(xué)性能之間的平衡2。在目標(biāo)孔隙率為 18%～22% 的條件下，采用 10～15mm 單級配（ 10～15mm 和低標(biāo)號水泥 （3%～5% 作為填料，可形成 3～5mm/s 的連續(xù)貫通孔結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，引入 0.5%～1% 發(fā)泡劑（如Sasobit等），可使瀝青內(nèi)部形成均勻的微氣泡，增大瀝青體積，降低骨料填充量，使孔隙率得到有效提高[21]。現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)在強(qiáng)降雨（ 60mm/h） 條件下仍能保持較好的排水性能，可有效防止路面積水，提高城市排水效率。

2.2.2 抗堵塞設(shè)計

抗堵塞設(shè)計對保證透水瀝青混凝土的長期抗?jié)B性至關(guān)重要，《交通運(yùn)輸工程學(xué)報》2023年度所提出的多級反濾結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，取得了明顯的成效。表層以 .5～10mm （孔隙率 20%～22% 單粒徑集料和 3～5mm （孔隙率 15%～18% 為中間層，形成從大到小的梯度結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對不同粒徑污染物的高效攔截22]。同時，通過在混凝土中添加 0.2%～0.3% 的有機(jī)硅烷等疏水劑，可降低骨料表面能，減少污染物在混凝土中的附著，延長防滲結(jié)構(gòu)的使用壽命[23]。

2.3 耐久性能優(yōu)化

抗碳化能力是評價透水瀝青混凝土耐久性能的一個重要指標(biāo)。瀝青膠漿因碳化而產(chǎn)生的堿化度降低，界面粘著力減弱[24]。加入 5%～8% （比表面積 ? 500m²/kg） 的礦粉，可以增加水泥漿的堿性儲量，延緩碳化過程。同時采用 2%～3% 的環(huán)氧樹脂改性瀝青，可形成致密防護(hù)膜，減緩 CO₂ 在瀝青中的擴(kuò)散[25]。在加速碳化實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果顯示，經(jīng)過 28d 的碳化處理，改性試樣的碳化深度由傳統(tǒng)的 8～10mm 降低到3～5mm 此外，還可將納米碳酸鈣（粒徑 ?100nm ，含量 1.5%～2% ）填充到水泥砂漿中，提高水泥砂漿的密實(shí)度，提高水泥砂槳的抗碳化能力，進(jìn)而延長路面使用壽命[26]。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)化

2.4.1 季凍區(qū)的應(yīng)用

季凍區(qū)透水瀝青混凝土在凍融循環(huán)作用下會發(fā)生嚴(yán)重的損傷，玄武巖纖維的復(fù)合改性可以顯著提高材料的抗凍融穩(wěn)定性，采用玄武巖纖維（ 6mm 0.4% 和膠粉（ 0.6mm，10% 對瀝青進(jìn)行協(xié)同改性，可有效提升凍融劈裂強(qiáng)度比2。而且，通過溫拌泡沫瀝青技術(shù)可有效降低施工溫度，進(jìn)而降低瀝青老化，同時摻加 3%～5% 抗凍劑（如乙二醇等），可降低凍結(jié)點(diǎn)，抑制凍融破壞。齊琳、劉美鷗[28等人在季凍區(qū)玄武巖纖維復(fù)合改性透水瀝青混合料路用性能研究中，針對我國東北季凍區(qū)氣候特點(diǎn)，提出采用玄武巖纖維和高粘性改性劑制備復(fù)合改性瀝青混合料路用性能的技術(shù)方案，以預(yù)測空隙率為基礎(chǔ)，開展不同玄武巖纖維摻量下復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)研究，得到玄武巖纖維 1% （纖維/瀝青質(zhì)量比，下同）可顯著提高其低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性，且玄武巖纖維的加入對瀝青混合料的排水性能影響較小。

2.4.2 高溫多雨地區(qū)

高溫多雨地區(qū)對透水瀝青混凝土提出了雙重需求。《公路交通科技》提出，采用高粘高彈改性瀝青1 60^°C 黏度 ?30 000Pa?s） ，配合排水型集料級配[ 4.75mm 篩孔通過率 8%～10% ），可以顯著提高瀝青的抗水損性能2。水煮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性瀝青與集料之間粘結(jié)等級為5級，剝離率在 1% 以內(nèi)。同時，摻人 2%～3% 溫拌劑（如Aspha- ?min 等），既能降低施工溫度，又能改善瀝青與集料之間的粘結(jié)作用。在高溫下，將納米二氧化鈦（粒徑 50nm 含量 2% ）和碳纖維中 3mm，0.2% 復(fù)合改性，使其軟化點(diǎn)提高 動穩(wěn)定性大于 10000r/mm 這些措施的實(shí)施，可有效降低路面車轍變形和水損害，使其在高溫多雨環(huán)境中的使用壽命得到有效提高。

3展望與建議

未來，對透水瀝青混凝土材料的改性和優(yōu)化還應(yīng)從多方面進(jìn)行。在材料研究方面，進(jìn)一步開發(fā)新型高性能修飾劑，如智能修飾劑的研發(fā)，可根據(jù)溫度、濕度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)等。此外，還需要優(yōu)化集料的選擇和處理方法，如開發(fā)新型再生骨料，提高瀝青與瀝青的粘附性，提高資源利用效率[30]。在顆粒級配設(shè)計上，采用先進(jìn)的算法和仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)的精確構(gòu)筑，兼顧滲透性能和機(jī)械性能。同時，還應(yīng)加強(qiáng)材料長期性能演化規(guī)律的研究，建立全生命周期性能評價體系，為工程實(shí)踐提供更加可靠的依據(jù)。同時，也需要制定出統(tǒng)一細(xì)致的材料和施工規(guī)范，促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，幫助解決城市內(nèi)澇等問題。

4結(jié)語

綜上所述，透水瀝青混凝土材料的改性和優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展道路建設(shè)的一個重要方向。從骨料級配到膠凝材料改性，再到纖維和添加劑的應(yīng)用，多維技術(shù)創(chuàng)新有效地平衡了材料的滲透性能、力學(xué)性能和耐久性。針對不同氣候環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，拓展其應(yīng)用場景。同時還應(yīng)結(jié)合納米技術(shù)和復(fù)合改性技術(shù)，有望在生態(tài)環(huán)境和智能交通等方面取得新的突破，為我國城市道路建設(shè)向低碳化、多功能化方向發(fā)展提供技術(shù)支撐。

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