透水瀝青混凝土材料的改性設計及性能優化

中圖分類號：TU528.42；TQ177.6+3 文獻標志碼：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化既是材料科學研究的前沿問題，又是城市可持續發展的迫切需求。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。通過對材料進行合理設計，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，施工技術及環境適應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提供新的途徑[2]。

1透水瀝青混凝土的材料改性設計

1.1 骨料級配設計

1.1.1 關鍵篩孔控制

骨料級配是影響瀝青混凝土使用性能的一個重要因素，關鍵篩孔控制是保證混凝土滲透性與力學性能均衡的關鍵。需按照JTG/T3350-03—2020《排水瀝青路面設計與施工技術規范》規定，根據道路等級、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，關鍵篩孔率必須嚴格控制，才能保證足夠的連通空隙率及滲透系數[3]。一般認為，關鍵篩孔應控制在 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性能4]。

1.1.2 間斷級配優化

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

1.2 瀝青結合料改性

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[]。按質量比為12：88的改性劑加入，并在 170～180^°C 范圍內攪拌2～4h后再用于生產，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構耐久性差的難題，提高路面使用壽命和使用性能9]。

1.2.2 納米增強體

以納米蒙脫石為代表的納米材料對瀝青進行改性是當前的研究熱點，將其加入瀝青中，可以形成插層型和剝離型結構，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。復合改性瀝青的復數模量 （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\"。同時，納米材料還可增強抗熱氧/紫外線老化能力，利用無機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，保證其在復雜環境中的穩定服役[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良的加筋材料，在透水性瀝青混凝土中得到了廣泛的應用。它具有高強度、高模量、化學穩定性好等特點，能顯著改善瀝青混合料的力學性能及耐久性[13]。按照GB/T776.1—2010《公路工程玄武巖纖維及其制品》規定，玄武巖纖維應具有不低于 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，其抗壓強度可達 35.01MPa ，抗折強度可達 5.82MPa 另外玄武巖纖維還能改善瀝青混合料的抗凍融性能，從而提高其在嚴酷環境中的服役性能[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，它具有乳化穩定性好，對集料有較好的粘附性，能起到增強混凝土整體性的作用。JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中規定，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，符合綠色環保的理念，而且還能提高施工的簡便性，方便施工作業，保證施工質量和效率。

2透水瀝青混凝土的性能優化

2.1力學性能優化

2.1.1 抗壓強度

透水瀝青混凝土是一種新型的混凝土結構形式，采用間斷級配設計方法，優化粗集料 （9.5～16mm） 和細集料 （0.075～4.75mm 配比，可以顯著提高路基的抗壓強度。將粗集料含量控制在 65%～70% 、細集料占 20%～25% 的條件下（ 60^c 動黏度 ≥20000Pa?s） ，試件28d抗壓強度達到 12～15MPa^[16] 。同時，將納米材料應用于復合材料的強韌化是一個新的發展方向，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，提高界面粘接強度，使其抗壓強度提高 18%～22%^[17] 此外，采用纖維增強技術，將玄武巖纖維（長度為 添加到混合料中，可形成三維網狀結構，有效分散應力，使其抗壓強度得到有效提高，進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，《中國公路學報》的研究結果顯示，采用動態模量 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% ，并配合優化級配（ 4.75mm 篩孔通過率為 10%～12% ），動態穩定性能達到8000次 /mm 另外，復合改性技術具有明顯優勢，將納米蒙脫土（OMMT） 1.5%～2% 和橡膠粉（8%～10% 協同對瀝青進行改性，可使復合模量得到顯著提高，使相位角降低，進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 透水性能優化

2.2.1 孔隙率調控

孔隙率是決定透水瀝青混凝土透水性的關鍵參數，合理控制孔隙率，可以實現材料的透水性能和力學性能之間的平衡2。在目標孔隙率為 18%～22% 的條件下，采用 10～15mm 單級配（ 10～15mm 和低標號水泥 （3%～5% 作為填料，可形成 3～5mm/s 的連續貫通孔結構。在此基礎上，引入 0.5%～1% 發泡劑（如Sasobit等），可使瀝青內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]。現場實測數據表明，該技術在強降雨（ 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 抗堵塞設計

抗堵塞設計對保證透水瀝青混凝土的長期抗滲性至關重要，《交通運輸工程學報》2023年度所提出的多級反濾結構設計方案，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構，可實現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，延長防滲結構的使用壽命[23]。

2.3 耐久性能優化

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。瀝青膠漿因碳化而產生的堿化度降低，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% 的環氧樹脂改性瀝青，可形成致密防護膜，減緩 CO₂ 在瀝青中的擴散[25]。在加速碳化實驗中，結果顯示，經過 28d 的碳化處理，改性試樣的碳化深度由傳統的 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度，提高水泥砂槳的抗碳化能力，進而延長路面使用壽命[26]。

2.4 環境適應性優化

2.4.1 季凍區的應用

季凍區透水瀝青混凝土在凍融循環作用下會發生嚴重的損傷，玄武巖纖維的復合改性可以顯著提高材料的抗凍融穩定性，采用玄武巖纖維（ 6mm 0.4% 和膠粉（ 0.6mm，10% 對瀝青進行協同改性，可有效提升凍融劈裂強度比2。而且，通過溫拌泡沫瀝青技術可有效降低施工溫度，進而降低瀝青老化，同時摻加 3%～5% 抗凍劑（如乙二醇等），可降低凍結點，抑制凍融破壞。齊琳、劉美鷗[28等人在季凍區玄武巖纖維復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氣候特點，提出采用玄武巖纖維和高粘性改性劑制備復合改性瀝青混合料路用性能的技術方案，以預測空隙率為基礎，開展不同玄武巖纖維摻量下復合改性瀝青混合料的路用性能試驗研究，得到玄武巖纖維 1% （纖維/瀝青質量比，下同）可顯著提高其低溫抗裂性能和水穩定性，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

高溫多雨地區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。水煮實驗結果表明，改性瀝青與集料之間粘結等級為5級，剝離率在 1% 以內。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% 復合改性，使其軟化點提高 動穩定性大于 10000r/mm 這些措施的實施，可有效降低路面車轍變形和水損害，使其在高溫多雨環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化還應從多方面進行。在材料研究方面，進一步開發新型高性能修飾劑，如智能修飾劑的研發，可根據溫度、濕度進行自動調節等。此外，還需要優化集料的選擇和處理方法，如開發新型再生骨料，提高瀝青與瀝青的粘附性，提高資源利用效率[30]。在顆粒級配設計上，采用先進的算法和仿真技術，實現多孔介質的精確構筑，兼顧滲透性能和機械性能。同時，還應加強材料長期性能演化規律的研究，建立全生命周期性能評價體系，為工程實踐提供更加可靠的依據。同時，也需要制定出統一細致的材料和施工規范，促進該產業的良性發展，幫助解決城市內澇等問題。

4結語

綜上所述，透水瀝青混凝土材料的改性和優化，是實現可持續發展道路建設的一個重要方向。從骨料級配到膠凝材料改性，再到纖維和添加劑的應用，多維技術創新有效地平衡了材料的滲透性能、力學性能和耐久性。針對不同氣候環境進行自適應優化，拓展其應用場景。同時還應結合納米技術和復合改性技術，有望在生態環境和智能交通等方面取得新的突破，為我國城市道路建設向低碳化、多功能化方向發展提供技術支撐。

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