新型瀝青路面技術(shù)綜述

宋代學(xué)

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京100037)

道路交通行業(yè)是我國社會進步、經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，路面技術(shù)的更新迭代速度也隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而加速，在道路科研人員的不懈努力下，研發(fā)出一大批新的路面技術(shù)，橫跨材料科學(xué)、計算機科學(xué)、通信科學(xué)、電氣電力科學(xué)等多個學(xué)科。賦予傳統(tǒng)道路交通行業(yè)新的方向與功能。該文對近幾年路面工程研究工作的進展情況進行梳理和總結(jié),遴選出具有代表性的研究熱點與研究前沿進行介紹。

1 尾氣自消除路面技術(shù)

尾氣自消除路面是指在鋪筑路面的過程中采用摻加了催化劑，能夠自動消解汽車尾氣的路面。尾氣自消除路面能夠在自然環(huán)境下利用混合料中的催化劑在光照作用或氧化作用下，通過氣-固反應(yīng)將汽車尾氣轉(zhuǎn)化為無機鹽，從而達到消除汽車尾氣的目的[1]。尾氣自消除路面技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)路域內(nèi)汽車尾氣的自我凈化，緩解路網(wǎng)交通對沿線帶來的環(huán)境污染。尾氣自消除路面技術(shù)中選用的催化劑一般具有害物質(zhì)催化分解性、壓電性、熱釋電性、導(dǎo)電性、負(fù)離子釋放性等性能。常用的光催化材料有二氧化鈦(TiO2)、石墨類材料、氧化鋅(ZnO)等，常用的氧化催化材料是電氣石粉。TiO2因其具有更好的光催化活性、更優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及可回收性等優(yōu)勢，在眾多光催化劑中被首推使用。TiO2配合薄層罩面技術(shù)或微表處技術(shù)使用能夠最大限度地提高尾氣分解效率[2]。將納米狀態(tài)的TiO2材料加入到瀝青混合料中在顯著提高尾氣分解效率的同時還可以提高瀝青混合料的和易性以及瀝青混合料的耐久性，并且若在此基礎(chǔ)上與鈰、鐵、銅離子復(fù)配可以進一步提升催化活性以及提高瀝青混合料的耐老化性能[3]。除TiO2外，g-C3N4（石墨相氮化碳）是近年來出現(xiàn)的一種非金屬半導(dǎo)體材料，將g-C3N4與TiO2結(jié)合使用，可開發(fā)出活性更高的復(fù)合光催化材料[4]。除上述兩種材料之外，氧化鋅ZnO二氧化鋯(ZrO2)和硫化鎘(CdS)同樣也可以被當(dāng)作汽車尾氣分解光催化劑。汽車尾氣消除技術(shù)除了光催化法外,氧化催化技術(shù)也被用于汽車尾氣自消除路面。催化氧化技術(shù)中主要使用電氣石粉作為氧化催化劑。電氣石粉對特定的氣體分子（NOx）具優(yōu)異有氧化活化作用。并且電氣石粉能夠改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，使瀝青混合料具有阻燃、耐高溫、抑煙的功能。

2 透水降噪路面技術(shù)

透水降噪路面是指采用大空隙的路面材料鋪筑的路面[5]。大空隙率可以迅速將路面積水排除，減小地面徑流面積，緩解雨季城市內(nèi)澇。同時大空隙率使輪胎與路面接觸時產(chǎn)生的噪音在路面內(nèi)部發(fā)生傳遞和干涉，消耗能量，減弱了噪聲源強度，從而實現(xiàn)了降低噪聲的目的[6]。透水降噪路面透水性好、降噪，能夠有效地緩解城市熱島效應(yīng)，是城市道路建設(shè)新的發(fā)展方向。透水降噪路面修筑時采用的大空隙瀝青混合料的強度主要由瀝青膠結(jié)料提供。這種強度形成模式下對瀝青膠結(jié)料的選用和瀝青混合料的配合比提出了更高的要求。瀝青需采用高粘瀝青，瀝青用量較常規(guī)瀝青混合料偏大。混合料中需摻配橡膠粉或纖維或石灰粉等[7]。骨料需采用玄武巖或者輝綠巖用以保證混合料強度并且需要嚴(yán)格控制針片狀含量。排水降噪路面具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗水損害性能，但是低溫抗裂性和抗疲勞性能較普通混凝土偏低。聚氨酯、水性環(huán)氧材料的加入能夠改善排水降噪路面的低溫抗裂性和抗疲勞性能[8]。排水降噪路面的排水性和降噪性與鋪筑材料的連通空隙率、集料的公稱最大粒徑相關(guān)?？障堵氏嘟鼤r，公稱最大粒徑越小降噪效果更優(yōu)；公稱粒徑相近時，空隙率越大排水效果越好。所以鋪筑雙層排水降噪路面能夠同時滿足排水、降噪的需求。排水降噪路面存在一定的壽命周期，為了維持路面功能需要定期對路面進行高壓水沖洗或真空抽排清理空隙。

3 溫度自調(diào)節(jié)路面技術(shù)

溫度自調(diào)節(jié)路面是指能夠利用路面鋪筑材料的特殊材性，對路域環(huán)境的熱量進行吸收、儲存、反射的路面。溫度自調(diào)節(jié)路面能夠調(diào)節(jié)路表溫度、降低極端氣候溫度對道路帶來的損傷以及緩解熱島效應(yīng)[9]。目前溫度自調(diào)節(jié)路面技術(shù)分為熱反射技術(shù)、相變材料調(diào)溫技術(shù)、熱阻技術(shù)。

（1）熱反射技術(shù)是指采用具有高粘、不眩光、耐磨耗的樹脂類材料與SiO2材料制作的反射層混合涂料將路域環(huán)境內(nèi)的熱能反射或吸收的技術(shù)。熱反射技術(shù)能夠達到降低路表溫度的目的。樹脂類材料作為反射涂料的基材一般用硅丙乳液、丙烯酸樹脂、不飽和樹脂及環(huán)氧樹脂。TiO2、空心微珠、SiO2、消光粉等作為功能填料[10]。

（2）相變材料調(diào)溫技術(shù)顧名思義是相變材料隨溫度變化而改變形態(tài)，提供潛熱的物質(zhì)從而改變路表溫度的技術(shù)。有機相變材料（醇類、烷烴、石蠟）以其良好的儲熱、環(huán)保優(yōu)勢被加入到瀝青混合料當(dāng)中用于溫度調(diào)節(jié)路面[11]。溫度調(diào)節(jié)路面中使用相變材料需要輔助封裝技術(shù)以防止材料泄露。

（3）熱阻技術(shù)是指在瀝青混合料中采用陶粒、蛭石、鋁礬土等代替?zhèn)鹘y(tǒng)石料作為骨料拌制瀝青混合料用以降低路面的導(dǎo)熱系數(shù)的技術(shù)。阻熱骨料強度低于傳統(tǒng)骨料，能夠?qū)е侣访鎻姸冉档筒⑶宜€(wěn)定性變差。采用此種路面是需要統(tǒng)籌考慮路面強度、路用性能與阻熱功能之間的相互協(xié)調(diào)。

4 智能路面技術(shù)

智慧交通是當(dāng)代交通領(lǐng)域發(fā)展的重要方向，智能路面是智慧交通的基礎(chǔ)。智能路面技術(shù)是具有主動感知、自動辨析、自主適應(yīng)調(diào)節(jié)、持續(xù)供能及動態(tài)指示等服務(wù)能力的路面技術(shù)[12]。智能路面能夠使道路作為基礎(chǔ)設(shè)施更安全、更智能、更便捷。智能路面獲取道路信息數(shù)據(jù)的方式之一是運用各種感知元件實現(xiàn)交通信息的感知與辨析，實現(xiàn)交通情況的適應(yīng)與調(diào)節(jié)[13]。例如，智能溫度傳感器能夠自動獲取路面結(jié)構(gòu)溫度。通過建立溫度預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以精準(zhǔn)預(yù)測路面溫度，進而提出干預(yù)措施。濕度監(jiān)測傳感器、應(yīng)力監(jiān)測傳感器、應(yīng)變監(jiān)測傳感器、自供能傳感器等多種智能傳感器均在智能路面建設(shè)中發(fā)揮重要作用。智能路面獲取道路信息數(shù)據(jù)的另一種方式是在鋪筑路面的混合料中使用智能骨料[14]。智能骨料一般是采用壓電技術(shù)制備的陶瓷材料骨料，在滿足強度的同時具有一定的電磁信號傳輸功能感應(yīng)功能，用于感知傳導(dǎo)路面的病害信息。智能路面技術(shù)作為新興技術(shù)目前還處于研究起步階段，該技術(shù)糅合了多學(xué)科，且相互關(guān)聯(lián)發(fā)展。目前，還需要統(tǒng)籌安排解決感知元件在路面材料和結(jié)構(gòu)中的耐久性問題、智能集料等與傳統(tǒng)路面材料的融合問題。

5 能源再利用路面技術(shù)

路域中蘊藏著巨大的能量，包括車輛行駛帶來的機械振動能、道路結(jié)構(gòu)溫差帶來的溫度勢能以及路域內(nèi)的太陽能等[15]。將路域內(nèi)的能量進行回收、轉(zhuǎn)化、儲存、再利用就能夠?qū)崿F(xiàn)清潔能源再利用，并且此技術(shù)的研發(fā)與智能路面技術(shù)的發(fā)展相輔相成。目前，路域能源再利用技術(shù)分為壓電能量利用技術(shù)、熱電能量利用技術(shù)和光伏路面能量利用技術(shù)。

（1）壓電能量利用技術(shù)是通過壓電材料的正壓電效應(yīng)將車輛行駛過程中產(chǎn)生的機械振動能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。路域內(nèi)車輛行駛產(chǎn)生的機械振動能的特點是低頻、能量輸出不連續(xù)、不規(guī)則[16]。針對這一特點，研究開展的方向主要是針對壓電能的轉(zhuǎn)換、儲存、采集電路開發(fā)、鋪裝。關(guān)于壓電能的轉(zhuǎn)換與儲存，研究集中在壓電換能器與壓電封裝裝置設(shè)計方面。壓電換能器目前多采用堆疊式、懸臂式配合并聯(lián)的壓電封裝裝置共同使用[17]。然而目前尚需進一步提高封裝裝置的發(fā)電量級、功率密度和道路兼容性；在壓電能量采集電路開發(fā)方面，目前主要采用整流電路、濾波電路和開關(guān)控制電路組合而成的新型能量采集電路；在現(xiàn)場鋪設(shè)測試方面，目前測試場地多選用高速公路常規(guī)路段、收費站、地下車庫減速帶等具有代表性交通的地段。

（2）熱電能量利用技術(shù)是利用熱電材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)將道路內(nèi)部的溫度梯度差在回路中產(chǎn)生的電勢使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)。熱電能量利用技術(shù)在利用能量的同時還可以降低道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度，減少溫度應(yīng)力，延長道路的使用壽命[18]。熱電能量回收技術(shù)的關(guān)鍵是提高熱能轉(zhuǎn)換效率。所以目前研究的主要方向是提高熱電材料轉(zhuǎn)換效率、提高熱電發(fā)電機的換能效率及提高導(dǎo)熱板的傳遞效率[19]。目前來講，現(xiàn)有材料均不能滿足使用要求，轉(zhuǎn)換效率不理想，需要結(jié)合高效率熱電材料研發(fā)。

（3）光伏路面能量利用技術(shù)是利用埋置在道路結(jié)構(gòu)內(nèi)的光伏電池板將照射到路面的太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲存的技術(shù)。光伏路面能量利用技術(shù)的關(guān)鍵點是光伏面板結(jié)構(gòu)的耐久性、光伏面板材料的耐久性、光伏面板電路的耐久性、趨光面板角度調(diào)節(jié)靈活性。目前主要采用高性能混凝土預(yù)制空心板底座、設(shè)計導(dǎo)光混凝土空心板保護層等方式提高光伏面板的耐久性和靈活性，但效果并不理想。

能量再利用路面技術(shù)尚處于起步階段，仍存在大量的關(guān)鍵性技術(shù)難題沒有得到解決，但是作為清潔性能源技術(shù)具有非常重大的意義，仍值得繼續(xù)研究。

7 結(jié)語

本文主要介紹了相對比較前沿的五種新型路面技術(shù)，涵蓋了環(huán)保、智能化、清潔能源利用等方向。這五種新型路面技術(shù)的特點是針對目前道路工程及相關(guān)領(lǐng)域的痛點，多學(xué)科交叉，多領(lǐng)域相互促進，更符合未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢。新型路面的研究與推廣也是我國實行“交通強國”的必然結(jié)果。很多新型道路技術(shù)的研究仍處于起步階段，需要繼續(xù)大投入精力研發(fā)。