新型透水路面可承受之重

文/清華大學土木工程系 邢沁妍 鄭玨輝

德國亞琛工業(yè)大學道路工程研究所 陸國陽

哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院 王大為

我國城市建設面臨著水資源短缺、水環(huán)境污染、內澇災害加劇等問題。海綿城市的構建是解決城市雨洪的有效途徑，也是現(xiàn)階段國家的重大戰(zhàn)略需求。其中，道路系統(tǒng)占城市總面積的比例高達35%至50%，是大氣環(huán)境與地下水體系轉換的中心環(huán)節(jié)。透水鋪裝作為緩解城市內澇等問題的良方，已被廣泛應用于道路工程的建設之中。傳統(tǒng)透水瀝青混凝土路面雖然具有取材便捷、工藝成熟等優(yōu)勢，然而由于混合料老化、松散等固有問題，路面的功能性和使用壽命受到較大影響。

近年來，基于聚氨酯等新型材料設計的新型透水鋪裝逐漸顯現(xiàn)出耐老化、穩(wěn)定性較好，以及更為環(huán)保、舒適等優(yōu)點，從而成為學界研究的熱點，并在國內外工程領域廣泛應用。本文首先簡單介紹多孔透水路面的概念和分類，其次簡要分析基于聚氨酯的新型透水路面的優(yōu)勢，最后概述其承載力研究的力學模型。

圖1 透水路面的類型

多孔透水路面的概念和分類

多孔透水路面，是指由較大孔隙率的混合料作為路面結構層，允許路表進入路面甚至路基的一類路面的總稱。常見的透水路面有透水磚路面、卵石和碎石路面、透水水泥混凝土路面、透水瀝青混凝土路面和新型聚氨酯透水路面等。生活中最普通常見的是由大小較為均勻的卵石或者碎石散落鋪成的露土路面，其通透性強，不長雜草，適合于房舍周邊、人行道邊等難以綠化的位置。

透水路面為多層結構，由上至下、從力學分析的角度一般可視為由面層、基層和墊層組成，墊層以下的部分即為路基。面層位于整個路面結構的最上層，直接承受交通荷載的垂直力和水平力，與其他結構層相比，受到降雨和氣溫變化的影響最大，直接地反映在路面使用性能上；基層主要承受面層傳遞的垂直力作用，并把它擴散到墊層和路基；墊層是介于基層與路基之間的層次，主要起隔水、排水和隔溫的作用，并傳遞和擴散由基層傳來的荷載。并非所有的路面結構都需要設置墊層，如果土基狀態(tài)良好，能夠排除路面、路基中滯留的自由水，可以不需要增加墊層。

根據多孔透水路面的透水特點，一般將其分為全透水、半透水和排水型（也稱為III型、II型、I型），如圖1所示。全透水型要求整個路面結構即面層、基層和墊層都具有良好的透水性能，路表水進入路面后直接進入路基，水體在其中運動最為充分，其可能造成的污染物遷移、地下水污染等問題的風險也越大；半透水型要求面層和基層具有良好的透水能力，水進入路面后滲入基層，在基層底部大部分水按一定速率由排水管道排出，少部分水可滲入墊層；排水型路面中，僅路表層透水，其下設置封層，雨水在面層底部由管道橫向排出。

與傳統(tǒng)路面相比，多孔透水路面具有明顯的優(yōu)點。可以減輕城市排水壓力，緩解城市內澇，同時降低河流泛濫和水體污染的概率；增加城市蓄水能力，有效補充地下水，改善城市水循環(huán)；有效吸收噪聲，多孔結構特性使其能有效吸收城市路域噪聲，降低噪聲污染；調節(jié)生態(tài)平衡，加強了熱量和水分在地表與空氣的交換，促進水分的蒸發(fā)和吸熱，緩解“熱島效應”，并改善植物和土壤里微生物的生長條件，調整生態(tài)平衡；提升道路行車安全，避免雨天路面積水，增強車輛與路表之間的摩擦力。

傳統(tǒng)的透水路面多采用瀝青為面層骨料之間的膠結材料，盡管較之于傳統(tǒng)的密級配瀝青路面，透水性瀝青路面具有多方面的優(yōu)勢，但也存在一些影響功能發(fā)揮和服務壽命的問題。一是老化問題。其本身大孔隙結構的特征使材料大面積暴露于空氣中，受空氣和水分的作用使瀝青老化加速，進而出現(xiàn)混合料黏結性喪失、集料飛散和瀝青剝落等病害（如圖2所示）。二是承載力降低的問題。在連續(xù)降雨和持續(xù)移動荷載的作用下，其大孔隙結構的承載力將隨服役時間而降低，道路功能性也會降低。三是透水性降低的問題。服役過程中，公路污物碎屑或灰塵引起孔隙堵塞，導致透水能力降低，而孔隙堵塞的問題在養(yǎng)護中不易解決，進而影響透水路面的使用壽命。四是抗凍融和抗水損害能力差的問題?；谶@些缺憾，探索新型多孔透水鋪裝必然成為當今道路工程研究的重點之一。

圖2 透水瀝青路面表層的骨料剝落和孔隙堵塞

新型聚氨酯多孔透水路面優(yōu)勢

聚氨酯(polyurethane)全稱為聚氨基甲酸酯，是結構中含有大量氨基甲酸酯基(-NHCOO-)的化合物，一般是由含兩個或兩個以上異氰酸酯基(-NCO)的化合物與含活潑氫的聚多元醇反應而成。早在1849年德國科學家A. Wurtz（烏爾茨）便首先通過復分解反應制得含氨基甲酸酯基的化合物，但是直到1937年德國Farben（法本）公司的化學家Otto Bayer（奧托拜）才合成了世界上第一種聚氨酯樹脂。

聚氨酯的工業(yè)化也由此從德國首先開始，1941至1942年間，德國Bayer（拜耳）公司建立了能年產10噸的裝置來生產涂料和黏結劑等聚氨酯產品。美國在聚氨酯的研究方面起步較德國晚，但是在20世紀50年代也加快了聚氨酯的研究步伐，迅速實現(xiàn)了工業(yè)化生產，并于60年代逐漸形成了從原料生產到聚氨酯及其制品的開發(fā)與加工的完整工業(yè)體系，在世界聚氨酯工業(yè)中取得了領先地位。20世紀70年代后，聚氨酯的研究和開發(fā)進入了以高性能、高效率、低污染和節(jié)能為目標的新時期，并不斷取得重大技術進步。

由于聚氨酯中含有的基團都是強極性基團，而且大分子中還有聚醚或聚酯柔性鏈段，因此聚氨酯具有“剛柔并濟”的特點，同時具有良好的力學性能、耐低溫性能、耐摩擦性、耐屈撓性和耐化學品性等優(yōu)點，并已得到涂料、化工、土建、采礦等行業(yè)的廣泛應用。作為一種生物黏結劑，由于聚氨酯完全可以替代瀝青的作用，并且具有環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特點，近年來，在國內外也被廣泛應用于道路工程中。

利用聚氨酯優(yōu)良的物理黏接性能，可以將一般的骨料整合為一個堅固、穩(wěn)定、開放的多孔結構，使得路面結構具有孔隙率高和穩(wěn)定性強的特點。進而使基于聚氨酯設計的多孔透水路面，可以極大改善傳統(tǒng)透水路面中瀝青老化、堵塞和承載力降低等問題，同時它集透水、透氣、降溫、減噪、美觀和環(huán)保等多功能為一體，并且在鋪裝中無需加熱，大大減小了施工過程中的二氧化碳排放量。

由此，近年來，基于聚氨酯的透水鋪裝在德國和中國均取得重要研究進展和應用。天津、浙江杭州等城市均已有聚氨酯黏合劑系統(tǒng)的透氣透水路面的工程實例。

圖3 聚氨酯透水路面在德國的應用實例

多孔透水路面的力學模型

在較長的一段時間內，對于透水瀝青路面的力學性能和結構設計的研究，多借鑒傳統(tǒng)密級配混凝土路面的研究方法，選取路表回彈彎沉值、瀝青混凝土層的層底拉應力，以及半剛性材料層的層底拉應力為研究指標和設計指標，亦選取結構層厚度、層間結合等為目標，通過試驗法總結現(xiàn)象規(guī)律，提出基于經驗和試驗的設計方法，并基于此推出了《透水瀝青路面技術規(guī)程》(CJJ/T 190-2012)等設計規(guī)程。近年來，隨著計算力學學科的發(fā)展及計算機技術的革命性進步，多孔透水路面材料的微觀力學分析和宏觀力學特性機理成為相關研究的熱點，從材料的微觀特性出發(fā)，研究其強度、韌性、耐久性的力學原因，從車路耦合作用及多物理場耦合作用中多孔材料的承載力分析研究其全壽命過程中的力學機理等。

從宏觀上來看，路面屬于層狀結構，其彈性階段、黏彈性階段的宏觀力學表現(xiàn)和模擬分析已經相對成熟。從微觀上來看，路面為顆粒材料，可以以顆粒力學的方法進行研究，而多孔透水路面與傳統(tǒng)密級配路面的不同在于，由于其開孔結構的本質與較強的透水性，路面或路基結構往往處于非飽和狀態(tài)或是飽和與非飽和同時存在的形態(tài)。因此，水在材料中的運動規(guī)律、對骨料受力的影響、對材料老化等各方面的影響不可忽略。也就是說，作為多孔結構，材料內部存在著固、液、氣三相物質的耦合作用，而在服役期間，除外荷載作用尚有溫度場、滲流場的耦合作用進而影響結構的位移和應力，從而形成一個多項多場耦合的復雜力學問題。

研究這一復雜力學問題，首先要考慮多孔結構內部的滲透特性，滲透性往往通過滲透系數(shù)這一重要指標描述與表征。國內外目前對于滲透系數(shù)的測量，一般都以達西定律為基礎，即滲流量與上下游水頭差和垂直于水流方向的截面積成正比，而與滲流長度成反比，表示如下：

其中，H1、H2分別為通過試樣前后的水頭；L為試驗沿水流方向的長度；A為橫截面積；K為比例系數(shù)，即滲透系數(shù)。上式也可改寫為：

其中， V為滲流速度；J為水力坡度

對于多孔透水路面，透入水的滲透速率主要由各層的滲透系數(shù)決定，而排出水的速率則取決于透水路面的出水能力。為多孔瀝青透水路面和聚氨酯透水路面分別建立相應的滲流模型，是力學建模的第一步。

自K. Terzaghi（太沙基）提出一維固結理論以來，目前關于飽和滲流的理論研究和實際工程應用得以較大發(fā)展，但多孔路面所處的非飽和狀態(tài)給力學建模造成一定的困難，其中的很多現(xiàn)象和問題用飽和滲流理論無法有效解釋，一些非飽和土的模型和理論正逐漸被引入多孔透水路面的分析。20世紀80年代末，Alonso（阿隆索）、Gens（簡斯）等對非飽和土的彈塑性模型開展研究，而O. C. Zienkiewicz（辛克維奇）等對固－液－氣三相多孔介質力學模型進行了系統(tǒng)地研究，嚴格推導出了非飽和狀態(tài)下描述多孔介質力學現(xiàn)象的公式：

其中，α為模型參數(shù)，大多數(shù)情況下，固相不可壓縮，α=1；kij為滲透系數(shù)，若為各向同性材料，則用ki表示；P為孔隙水壓力；Q*為考慮固－液－氣三相的組合壓縮系數(shù)；代表液體的體積變化率；ρf為液體密度；bj為體積力；üj為固體加速度。從而奠定了非飽和多孔介質的本構模型的基礎。此后相繼有許多非飽和多孔介質力學模型被提出?；诹鞴恬詈系慕嵌瓤紤]加載卸載和排泄吸滲的循環(huán)作用，分別從滲流和變形兩方面對非飽和土建立了控制微分方程，并通過消除其中一些共同的參數(shù)，從而實現(xiàn)滲流與變形之間的相互耦合。最后，再配合表征應力與應變關系的本構方程，這樣就建立了完整的控制方程：

其中，Krw分別為水相和氣相的相對滲透率；K為土的內部滲透率；uw，ua分別為水和氣體的動力粘度；Pw，Pa分別為孔隙水和空氣壓力；Pw為水的密度；g為重力加速度矢量；為增量形式的有效應力參數(shù)；為固體的速度矢量；均為模型參數(shù)，，Sr代表飽和度，S代表基質吸力，Cw，Ca分別為水和氣體的壓縮系數(shù)，Nw，Na分別代表水和氣體的體積含量。若考慮固體顆粒的塑性因素的影響有：

其中D，De，Dep分別為剛度矩陣，彈性剛度矩陣，彈塑性剛度矩陣；n，m分別為垂直于邊界面和塑性流動的單位方向向量；h為塑性模量。

在構建控制方程之后，可以采用有限元法等數(shù)值計算的方法對其求解。而基于有限元法的眾多商業(yè)通用軟件，也為多孔透水路面的力學分析提供了另一種實現(xiàn)的方式，其求解飽和狀態(tài)下土的力學特性的功能相對完善，然而對于非飽和狀態(tài)下顆粒物質的計算功能相對薄弱，可采用的有效力學模型不多。這也是當前多孔透水路面力學分析中亟待突破的地方。

多孔瀝青透水路面、新型聚氨酯透水路面已廣泛應用于工程實踐，本文基于力學分析的角度概述其結構分類、優(yōu)勢及力學建模要點。目前，新型聚氨酯透水路面尚主要用于低頻輕載道路，如城市廣場、停車場、人行道和運動場等，在公路、機場和港口等高頻重載路面中的設計理論和施工技術還有待進一步的研究與驗證。