关于功能型路面材料的研究-道路毕业设计文献综述

四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 12 - 关于功能型路面材料的研究关于功能型路面材料的研究 专业：土木工程专业：土木工程 学生：学生：指导老师：指导老师： 摘要摘要: : 随着城市交通的发展，运输事业的迅猛进步，在大城市及其周边地域，机动车造成的空气污染，正 在成为影响大气质量的主要污染源。而道路交通在满足出行方便快捷的基本要求上，一些安全、舒适、 环保等新的要求又被不断提出，因此一些功能性路面应运而生。这些功能性路面的出现，不仅提高了路 面的使用性能， 而且正在明显改善着我国道路交通的服务质量和水平。 未来道路的发展， 也会向着安全、 舒适、环保的方向前进。 关键词：关键词：功能性；路面材料；沥青混凝土；排水；降噪；阻燃 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 13 - Studies on the functional road material Major: Civil Engineering Student: Jiang ShuaiInstructor: Chen Yan ru, Mao Wei Abstract: With the rapid development of transportation in the city, and rapid advances in transportation industry, in large cities and the surrounding areas, motor vehicle air pollution is becoming a major source of pollution affecting the air quality. However, to meet the basic requirements of travel convenient, Road Traffic travel need to be more safety, comfort, environmental protection. Therefore, some functional road came into being. With these functional road appears, not only improve the road performance, but also significantly improve the quality and level of road transport services. Future development of the road is also toward the safety, comfortable, environmental protection direction. Keyword: functional; pavement materials; asphalt Concrete; drain; noise reduction; flame-retardant 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 14 - 1 1 引言引言 随着城市交通的发展，机动车造成的空气污染，正在成为影响大气质量的主要污染源，而道路交通 在满足出行方便快捷的基本要求的基础上一些安全、舒适、环保等新的要求又被不断提出，因此一些功 能性路面应运而生。这些功能性路面的出现，不仅提高了路面的使用性能，而且正在明显改善着我国道 路交通的服务质量和水平。 近年来随着南京市社会经济的快速发展，南京市机动车的保有量已由“1991”年的 11 万辆增至， 2003 年的 50 万辆，但机动车增长造成的污染物排放也以 10%的幅度逐年上升，大气环境污染由煤烟型 向煤烟、交通混合型过渡，交通流动源对城市空气的污染已日益显现。 从南京市的交通现状来看，2002 年南京市区行程车速为 24.9 km/h，主要道路高峰小时平均车流量 为 1826 辆/h。市区的行程车速在 15 km/h 以下的瓶颈路段有北京东路、白下路、汉中路、洪武路、中 山东路、中山路和中央路等，而珠江路、虎踞路和中央路等属典型的主干线高峰路段，车辆拥挤，道路 平均饱和度为 0.88。通过与其他城市比较，由于南京市城市道路行驶车速比较低，导致了机动车排气污 染物浓度加大。 对于机动车污染状况的监测表明，交通点氮氧化物浓度为 0. 026 mg/ m30. 203 mg/ m3，平均值 0. 098 mg/ m3，而国控点氮氧化物浓度为 0. 020 mg/ m30. 047 mg/ m3，平均值 0. 037 mg/ m3，交通点氮 氧化物浓度平均值比国控点高 1. 64 倍。交通点二氧化氮浓度范围为 0. 008 mg/ m30. 135 mg/ m3，平 均值 0. 042 mg/ m3，达到 GB 3095-1996环境空气质量标准二级日均值标准。而国控点二氧化氮平 均值为 0. 032 mg/ m3，两者相差 0.010 mg/ m3。交通点二氧化氮在氮氧化物中所占比例为 13 %67 %， 但国控点比例为 59 %93 %，说明交通点空气质量受机动车尾气影响明显。2000 年 4 月在交通点珠 江路测得的一氧化碳浓度为4. 48 mg/ m3， 背景点中山陵的一氧化碳浓度为0. 46 mg/ m3。 而2002 年7 月 10 日13 日在通点测得的一氧化碳浓度范围为 2. 21 mg/ m34. 63 mg/ m3，平均值 3. 35 mg/ m3，表 明南京市区交通干道上一氧化碳浓度的变化不大。 全市主城区年排放氮氧化物的量达 3149110t，而机动车占了总量的 4518%，并且机动车源排放污 染物的分担率可通过污染扩散模式计算，结果表明，在影响南京市主城区的氮氧化物中，工业污染源的 浓度分担率仅为 11. 3 %，而机动车排放的氮氧化物占了 88. 7 %。通过分析各类机动车的排污分担率， 得知以重型车排放 NOx的量最大，达到 6361t，出租车是排放 HC 和 CO 的量最大，分别达到 7645t 和 90273 t，并且出租车排放 CO 的比例占总量的 45 %。但出租车(包括轿车、微型车和轻型车) 排放 NOx 和 HC 的比例合计仅占总量的 55 %和 69 %。从 100 万辆车辆排放污染物的统计结果看，南京市的污染 物排放水平远高于日本东京 20 世纪 90 年代，污染状况在国内中心城市处于中等偏上。 目前， 我国已有 2/3 的城市环境空气质量没有达到国家质量标准。 酸雨影响中国近 30%的国土， 75% 的河流无法养殖鱼类，2 亿人饮用污染过的水，1/3 的草地正在退化。专家指出，无数辆行驶在大街小 巷的汽车在大量排放有害尾气的同时，也是惊人的活动散热器，它们和空调、冰箱等制冷电器一起不停 地吞能吐热，使城市的“体温”不断升高，城市热岛效应大大加强。尾气污染物将直接危害人体的免疫 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 15 - 力，引发呼吸系统和心血管系统疾病，尤其对儿童影响严重；对于职业接触人群，可以导致其细胞免疫 水平降低，对疾病抵抗力下降，人体抗肿瘤免疫功能也明显下降。因此，国家环保机构已将此列为本世 纪的主要任务，及时采取有效的措施，来保护环境、净化空气质量、保障人们的身心健康已刻不容缓。 2 2 功能性路面材料的内容功能性路面材料的内容 功能性路面材料的研究，主要是针对国内大桥、高速公路收费站、隧道、城市道路普遍存在的汽车 尾气污染严重的问题而派生出来的。20 世纪科学技术迅速发展，给人类带来巨大的便利和舒适性的同 时，由于消耗资源能量而产生的全球变暖、有害气体等问题使地球的环境问题持续恶化，因此 21 世纪 被称为 “环境的世纪” 。 在当前的经济体系下， 一方面人类享受着由科学技术的进步带来的便利和快捷； 另一方面大规模的生产、消费、废弃等经济活动也加大了环境的负荷，破坏了人类赖以生存的自然环境 的生态平衡，引起了多种多样的环境问题。空气的污染源主要由汽车排放的尾气、工业废气构成。特别 是随着我国城市经济和道路运输事业的迅猛发展， 机动车的数量迅速增加， 在促进经济和技术发展的同 时，汽车排放的 CO、HC、N0 x污染物日益严重。这些汽车排放的污染物，是导致酸雨、光化学烟雾、 臭氧层破坏和危害人类健康的大气污染物的主要污染源。在我国大城市，汽车排放的 co 和 HC 等污染 物已占污染物总量的 6070，NOx也占 30，已对城市居民的健康造成严重的威胁。尽管国家和 地方车辆管理部门制定了严格的排放法规，采取强制装配尾气净化装置、加强排放性能检测等措施，但 因受到燃油质量、汽车性能、经济状况的限制，其收效并不明显。 近年来。随着亚洲人口的增加、城市化扩展、车辆的增加和能源的消耗，空气污染程度越来越大。 在中国，这个世界上第三大经济发展国家，在未来 30 年问，汽车和多用途运载车的数量将达到 1.9 亿 辆。相对应的，空气中二氧化碳的含量将上升 3.4 倍。污染每年导致 50 多万人过早死亡。世界卫生组 织的专家迈可说，根据预计，全球因为环境污染引起的早逝人数已经上升到大约 75 万，其中大约有 53 万人在亚洲。按照世界卫生组织规定，可吸入颗粒污染物应该为 20mg/m3。但在亚洲很多城市，已达 到 70mg/m3，甚至更多。城市污染水平相当于欧美的 3 倍以上。在大城市及其周边地域，汽车排放的 Co、HC、NOx等污染物以及工业废气造成的后果日益严重，尤其在道路拥挤处，众多车辆行驶缓慢， 一路冒着浓浓的黑烟，再加上扬起的尘土，空气质量变得异常恶劣。迄今为止，关于汽车尾气中高浓度 co、HC、NOx的问题，已成为当今世界备受瞩目的问题。为解决此问题，急需研发不需要耗能即可净 化排放在大气中的有害气体的材料与技术可除污功能性路面， 以路面材料为载体， 负载净化材料组 分，实现对汽车尾气的二次净化，吸收汽车尾气中严重污染环境的氮氧化合物，以便及时有效地遏制巨 大的尾气污染源，保护人类自身及大气环境。它可广泛地应用在道路交叉口前的刹车部位、公共汽车总 站、公交车站、高速公路收费站、隧道内、地下停车场等处，用以净化汽车、工厂排放到大气中的 Co、 HC、NOx等污染气体，对于大大降低汽车尾气中的废气、净化空气、提高国民身心健康具有深远意义。 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 16 - 3 3 关于功能性路面的机理分析关于功能性路面的机理分析 随着科学技术的发展，在对大气污染治理的过程中，发明了吸收法、吸附法、催化转化技术，这些 技术已广泛地应用于汽车尾气的治理中。 汽车在怠速时排出大量尾气， 含有大量的一氧化碳和氮氧化物。 现在科学家针对汽车尾气的排放，采用安装催化器的方法，使尾气从气缸中排出后，排入催化反应器。 在催化剂作用下，使一氧化碳和碳氧化合物被氧化为二氧化碳、水和氮气，净化了尾气中的污染成分。 一些发达国家对汽车尾气提出更高的排放标准， 迫使汽车制造商不但采用一段净化， 还发明了二段 净化尾气的方法。二段净化是在一段中一氧化碳把氮氧化物还原成氮，再排入二段催化器。在二段催化 器中，再把一氧化碳和碳氢化合物氧化成二氧化碳和水，以减少氮氧化物的排放，达到尾气排放标准。 而本项目的技术是利用碳素类物质以及多孔性无机材料的复合物，制成可降低汽车排放的 CO、HC、 NOx污染物及工业废气的材料，力图在改善环境问题的同时，减少建设投资费用。 除污路面的机理： 该道路材料是由碳素化合物和无机材料复合形成一种多孔性硅基聚合物， 用以吸 附汽车所排放的 CO、HC、NOx和工业废气等污染物，在常温下将 CO、HC、NOx等转化为无害的二氧 化碳、水和氮气，达到净化环境、改善空气品质的效果。 我国每年约有农作物秸秆5亿t， 吉林省每年就白白烧掉0.12亿t左右。 其燃烧值约为标准煤的50%， 每生产 1t 玉米可产 2t 秸秆，2t 玉米秸秆就可以生产出 0.63 t 秸秆生物质炭。秸秆生物质炭进一步处理 为活性炭，可以应用于铺设道路，吸附汽车尾气及空气中的废气。 我国农村有着丰富的农作物秸秆资源， 大量的农作物秸秆被废弃于田间直接燃烧， 既造成大量的生 物质能浪费， 也给大气带来严重污染。 而开发农作物秸秆生物质炭不仅具有资源再生、 技术可靠的特点， 而且还具有对环境无害、经济可行、利国利农的发展优势。 秸秆生物质炭应用于道路吸附汽车尾气及大气中废气技术， 属国内首创。 原料以我国北方地区资源 广大的玉米秸秆、棉花秸秆和小麦秸秆等为原料，物美价廉，环保安全，在市场上具有极强的竞争力。 4 4 在沥青混凝土路面的应用在沥青混凝土路面的应用 4.14.1 高模量抗车辙沥青混凝土高模量抗车辙沥青混凝土 日本的高速公路，使用寿命在 20 年以上的占 34%，10 到 20 年的占 32%，10 年以下的占 34%。而 我国使用寿命在 10 年以上的只有 4%左右，96%在十年以下，其中主要病害是车辙。 据国际上统计，在沥青路面的维修养护中，80%是因为车辙变形。与开裂、水损相比，车辙的危害 最大，直接威胁到交通安全。同时，车辙损坏的维修也最为困难，因为它不仅发生在表层，还危及到中 面层和下面层。所以，世界各国都把防治车辙放在防治沥青路面损坏的第一位。 1.车辙的产生及其预防措施 车辙是沥青路面结构层在高温、重载、纵坡和渠化交通等因素作用下而产生的永久变形。为了解决 沥青路面的车辙问题， 国内外的许多学者提出各种各样的解决措施， 其中有一种方法就是通过提高沥青 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 17 - 混凝土的模量来提高路面的抗车辙能力。研究表明，如果混凝土具有较强的劲度模量，则具有优越的高 温抗变形能力，这种高模量沥青混凝土（HMAC）就称为高模量抗车辙沥青混凝土，提高混凝土的模量 是解决车辙难题的有效手段之一。 提高沥青混凝土模量的方法有多种， 根据沥青混合料的强度理论， 除了级配类型和石料性质的合理 选用之外，更多的是使用粘度高的硬质沥青，或采用向混合料中添加沥青质、聚烯烃类添加剂的方法来 提高混凝土的模量。其中，以添加聚烯烃类添加剂（俗称为抗车辙剂）的方法对混合料模量的贡献最为 突出。 2.抗车辙剂的功能特性 抗车辙剂具有突出的抗车辙功能，优异的性价比，方便的使用模式等多重特性。 3.Radspunrie 抗车辙剂沥青混凝土路面的工程应用 鉴于 Radspunrie 抗车辙剂优越的性价比和灵活简便的施工工艺，已广为高等级公路、市政道路、 机场、运煤专线等项目所接受和认可。到目前为止，Radspunrie 抗车辙剂已在国内 30 多个工程中得到 了应用。 4 4.2.2 多空排水降噪沥青混凝土多空排水降噪沥青混凝土 传统沥青混凝土多为悬浮密实型结构（如 AC 沥青混凝土），混合料为连续密级配所组成，设计空 隙率一般在 3%到 5%，这种结构的沥青混凝土路面是不透水的。排水降噪沥青混凝土路面为骨架空隙 结构，混合料为开级配甚至间断级配组成，设计空隙率一般在 17%到 25%。 多孔排水降噪沥青混凝土路面的功能与特点： 多孔排水降噪沥青混凝土路面具有排水功能，安全功能和降噪功能等多种特点。 1)保证混凝土透水的功能性 混凝土路面的空隙率愈大，排水、抗滑性能愈好，降噪效果也就愈好。为了充分实现多孔沥青混凝 土的功能性，必须保证混凝土的高孔隙率。为此，配合比设计中将孔隙率作为控制指标。根据研究和经 验通常要求孔隙率大于 17%,考虑到使用过程中的行车压密和灰尘堵塞，初始设计孔隙率可以取 20%， 甚至更大。 2)保证混凝土强度的耐久性 作为一种铺面材料， 多孔沥青混凝土必须具备能够承受车轮荷载反复作用的强度。 多孔沥青混凝土 主要由粗集料组成， 细集料少， 粗颗粒之间是点接触， 结构的力学强度和稳定性不仅取决于合理的级配， 更依赖于骨料及结合料的性质。 另一方面， 与传统的密级配沥青混凝土相比， 透水性沥青混凝土的大空隙特征使其更容易受到日光、 空气及水的侵蚀， 导致混凝土出现透水功能的丧失以及耐久性的降低等问题。 为保证透水性沥青路面的 功能和强度的持续性，必须选择优质骨料及高粘性的沥青结合料。 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 18 - 4 4.3.3 阻燃沥青混凝土阻燃沥青混凝土 沥青混凝土路面由于具有噪音低、抗滑性好、易维修、行车舒适等优点，近年来被越来越多地应用 于公路隧道铺面。然而，沥青是一种复杂的碳氢化合物，具有易燃的特点，用于隧道铺面时，一旦发生 火灾，后果不堪设想。 为了解决公路隧道的防火问题， 世界各国的相关研究人员都在致力于各种沥青阻燃剂的研究。 采用 阻燃性能高、抗滑性好、噪音小、行车舒适的阻燃沥青混凝土作为隧道铺面，已成为当今的发展趋势。 1.阻燃沥青混凝土的两种制备模式与比较 目前工程上对阻燃沥青混凝土的制备模式通常有两种： 1)先制备阻燃沥青传统的沥青改性模式 就是采用在沥青中添加阻燃剂、抑烟剂经搅拌剪切形成所谓的阻燃沥青。然而，由于性质和密度相 差悬殊，大多数阻燃剂与沥青并不相容，沥青对各种阻燃剂存在一定的选择性，从而导致所形成的阻燃 沥青往往发生性质劣化、离析等问题，严重制约了阻燃沥青在工程上的应用。 2)直接制备阻燃沥青混合料FRMAX 制备模式 为了克服以上种种弊端， 实现阻燃沥青混合料的规模化生产和应用， 深圳海川工程科技有限公司另 辟蹊径，成功开发出能够直接加入到沥青混合料中制备阻燃沥青混合料的 FRMAX 系列阻燃改性剂。 该产品可直接对沥青混合料进行阻燃改性， 在不降低或改善原沥青混合料路用性能的前提下显著提高了 沥青混合料的阻燃性能，从而从工程实用角度解决了隧道阻燃沥青铺面的规模化施工问题。 3)FRMAX 阻燃改性剂的作用机理 干拌过程中掺加的阻燃改性剂熔化并黏附于石料表面； 在湿拌过程中熔化了的阻燃改性剂又与沥青相融； 随着混合料拌制过程的进行，阻燃改性剂随混合料的沥青得以均匀分散和融合； 受火时，沥青混凝土中的阻燃改性剂受热分解，通过阻隔热量/气相阻燃/凝固相阻燃/抑制链反应的 单独或协同效应，发挥阻燃作用，从而实现了阻燃效应。 FRMAX 阻燃沥青混凝土的特点： a)在保证或改善沥青混凝土路用性能基础上显著提高了沥青混凝土的阻燃性； b)规避了制备阻燃沥青时沥青性质劣化、离析和有害气体的二次排放等问题； c)使用更方便，易于实现规模化生产和推广应用。 5 5 新型功能性路面展望新型功能性路面展望 路面按其结构受力特点一般可分为柔性路面和刚性路面，其中柔性路面具有代表性的是沥青路面。 为了适应现代交通运输的发展， 在我国普遍采用较多的路面是半刚性基层路面， 这种路面一般都具有较 强的承受荷载的能力， 能满足交通增长的需求。 但随着人们生活水平的提高， 对路面的要求也越来越高， 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 19 - 路面除了满足足够的耐久性外， 还需要满足功能性的需求。 所谓功能性就是指在铺装本身具有的基本功 能之上加以其他功能的多用途路面。本文主要介绍国内外功能性铺装新技术的发展趋势。 5 5.1.1 排水性路面排水性路面 排水性路面是公路路面向多功能化发展的产物， 其初期形式用于城市人行道， 停车场等特殊地点的 透水路面， 主要目的是在于还雨水于土壤， 以保持水土， 减轻城市下水道负担和改善行人步行的舒适性， 后来发展到公路行车道上。其主要功能有：(1)可以防止溅水，能满足汽车雨天高速行驶的要求，(2)可 以降低汽车行驶的噪音，保护居民的生活环境。 排水路面表层一般由空隙率为 15%20%的间断级配所组成。 要求沥青必须使用高粘度的沥青或改 性沥青，以防止石料的脱落，飞散。该路面在日本，新加坡，欧洲的多数国家均有大面积的使用，我国 今年在西安机场高速公路大面积使用该路面。 5 5.2.2 半柔性路面半柔性路面 半柔性路面(见图 2)是将特殊级配的水泥胶浆灌入多孔的开级配沥青混合料的空隙之中而形成的路 面。它通过沥青混合料骨料之间的嵌挤作用和灌入的水泥浆共同形成强度。具有以下优点： 具有与水泥混凝土路面相似的刚性，还具有柔性，刚柔共济； 与沥青路面比较起来，具有较高的耐高温流动性能和耐油蚀性； 路表面具有较强的耐磨耗性，不易起尘； 胀缩量很小，不需要设伸缩缝； 具有白色路面的明色性，而且可以着色； 对静载有较强的承受能力半柔性路面最早的应用是在 1954 年法国科涅雅克（Cognac）航空港喷气 式飞机用的跑道上，作为耐热用的路面，并以此申请了专利，称为“Salviacim”施工法。1961 年，继 法国之后，日本以“半柔性路面和半柔性路面施工法”为名申请了专利。之后，此种半柔性路面在日本 迅速发展起来。 日本大林道路株式会社、 鹿岛道路株式会社以及日本铺道株式会社等多家施工企业在获 得此项施工方法的专利权后，各自独立地继续对此种半柔性路面进行了多项研究。现阶段在日本，许多 高速公路的收费站、停车场、加油站、爬坡路段以及集装箱码头和公共汽车专用线等场所，都进行了相 当规模的半柔性铺装。现在日本每年都有 20 多万平方米的施工面积。另外，英国、西德、法国和俄罗 斯等国家，也都有类似的路面，我国对该路面的使用则很少。作者主持的国家自然科学基金课题对半柔 性路面的微观结构、 配合比以及水泥胶浆的配比和胶浆流动度的测定方法， 半柔性路面路用性能和施工 质量控制等方面进行了系统地研究，结果表明半柔性路面具有优良的高温稳定性，耐疲劳和耐油蚀性， 同时具有良好的低温稳定性和抗水害性。 开发出的水泥胶浆流动度测定方法简单实用， 可以用来控制胶 浆的稠度。针对普通水泥胶浆性能差的特点，提出采用聚合物胶乳来改善其性能的方法，为该路面在我 国的推广应用开辟了新的思路。该项目的研究为我国推广半柔性路面奠定了基础。 四川大学锦城学院本科毕业设计文献综述 - 20 - 5 5.3.3 抑制冻结铺装技术抑制冻结铺装技术 对于冬季气候寒冷的地区，道路都要经受冰雪的危害，这时常需要大量的人力、机械来清除冰雪， 这不仅会造成交通拥挤，而且也影响人的正常生活。 现在日本开发出一种抑制冻结铺装技术(图 3 和 4)，其目的是从本质上减缓路面的冰冻。从机理上 大致分为 2 类，一类是在沥青混合料中添加氯化钠和氯化钙等盐化物，用盐化物来降低冰点，从而达到 防冻，盐分的添加有 4 种方式：（1）以粉体形式置换混合料中的石粉，添加量约 7%；（2）以颗粒形 式表面裹油后置换混合料中的细集料，添加量约 5%；（3）盐分以水泥固化成粒状物质，置换混合料 中的粗、细集料，添加量约 8%。具体方法包括：(1) 采用橡胶颗粒填充混合料，即将一定规格的废橡 胶颗粒加入到混合料中，以增加面层的柔性，(2) 在铺筑的沥青混凝土表面按一定间距开一直径 50 毫 米，深 25 毫米的小洞，然后压入同样尺寸的橡胶小圆柱体，并同时用纤维添隙料填充。在结冰后只要 行车一碾压，由于橡胶的弹性，冰层就会自动破裂。 5 5.4.4 协调景观和辨识性铺装协调景观和辨识性铺装 彩色路面技术在欧美，日本普遍应用于交通工程的安全管理，如在停车场，事故多发点，自行车道 等地铺筑彩色路面，可以使交通的管理科学化，直观化。此外彩色路面还广泛应用于生活环境区，体育 设施的装饰，美化，商业街区。旅游观光点等。现在彩色路面铺筑材料已由初期的黑色沥青材料，发展 到现在的浅色树脂类材料，路面的铺筑方式也由初期的涂布方法，发展到现在的薄层混凝土铺装方法。 彩色沥青一般有 2 种生产方法，一种是采用聚合物合成，得到浅色的结合料，然后再用来替代沥青；另 一是经特殊工艺将沥青脱色，从而得到浅色沥青，但这种工艺难度较大。 近几年国内对彩色沥青铺装都做了不少研究，而且已逐渐被应用于路面，在北京、厦门、成都等地 都铺筑了这种路面。 荧光路面是把发光的素材散布在路面材料中， 从而增加驾驶员的夜间行驶识别效果， 还可协调景观。 根据所用素材的不同有以下几类： 一类是荧光材料， 在铺装材料中加入树脂凝固后形