透水沥青路面综述
透水半刚性基层配合比设计及路用性能研究
开题报告
一.论文研究的目的、意义
根据《国家环境保护“十一五”规划》的精神，树立科学发展观，走可持续发展道路，建设资源节约型，环境友好型生态城市。本论文研究可应用于城市道路生态沥青路面的透水半刚性基层材料组成设计及相关试验研究。城市道路生态沥青路面是指满足中等及以上交通荷载作用的，路面各层均具有较大的空隙率，雨水可通过沥青面层、基层、直致土基的路面。
水资源状况和利用水平已成为评价一个国家或一个地区经济能否持续发展的重要指标。我国是一个水资源相对贫乏的国家，年均降水量为630 mm，低于全球陆面和亚洲陆面的降水量；年平均淡水资源总量为2.8万亿m3，人均占有水量仅2300 m3，只相当于世界人均水平的1/4，居世界第109位，是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一[1]。据统计在英国地区每平方米透水沥青路面每年可提供1.1吨的地下水[2]。2006年，长沙市人均城区道路面积10.46m2,人口150万，如果采用生态沥青路面，每年可提供地下水10.46*1500000×1.1=1725.9万吨,人均11.5吨.这将为保持城市地下水位，减少江河污水和维持自然与经济的可持续发展做出巨大贡献。
经大量交通事故凋查，路面平滑而使车水漂是造成雨大交通事故上升的另一重要原因。当碰到障碍物或者由于不测事态必须紧急刹车时，抗滑力不足会造成许多交通事故。根据英、美等国在过去30年中交通事故的凋查，路面淋湿时的事故约占总数的25 %。调查结果分析表明，这些事故是直接由于路滑而发生的。北京地区某路段自1988年建成通车至1990年7月，共发生交通事故71次，其中由于雨天道路滑溜为27次，占28%之多[3]。如果全国范围内城市道路采用生态沥青路面将直接减少由抗滑力不足和雨天对行车安全性产生不利影响所带来的经济损失。
据研究表明[4,5,6]对于中小型汽车，随着行驶速度的提高，轮胎噪声在汽车产生噪声中的比例越来越大，因此修筑降噪路面对于控制交通噪声具有重要的实际意义。生态沥青路面与普通沥青混凝土路面相比可降低噪声3～8dB。在此可比较其他措施减低噪声量：减少一半的交通量，减少噪声3～5dB；行车速度减少10km/h，噪声减少2～3dB；重型车辆每减少10％，噪声减少1～2 dB。采用专门设计的声屏障，噪声减少5～20dB；采用绿化带隔离噪声，一般减少噪声2～5
dB。在40dB～50dB.噪声作用下，会干扰正常的睡眠。当连续噪声级达到70dB 时，会对的人睡眠产生影响。当噪声为90dB以上时，差错率大大增加，甚至造成工伤事故。据研究测算，中国每年因道路交通噪声污染导致的经济损失约合人民币216亿元。美国由于工业噪声导致的经济损失高达40亿美元，而受交通噪声影响区域内，为搬迁居民就耗资27亿美元。从以上数字可看出，声环境质量的改善是国民经济持续发展的必备条件。
城市道路生态沥青路面能适应中等及以上交通荷载作用，满足城市交通量的要求。生态沥青路面[7,8,9]因其具有良好的渗透性，降水可以透过透水沥青路面层和透水基层抵达土路基，自由水可通过土壤回归到地下水系统从而补充城市地下水资源。据统计在英国地区每平方米透水沥青路面每年可提供1.1吨的地下水[2]。2006年，长沙市人均城区道路面积10.46m2,人口150万，如果采用生态沥青路面，每年可提供地下水10.46*1500000×1.1=1725.9万吨,人均11.5吨.这将为保持城市地下水位，减少江河污水和维持自然与经济的可持续发展做出巨大贡献。生态沥青路面因其良好的透水性使得路面不积水再加上透水沥青路面本身所具有的较大的构造深度，提高了路面的摩擦力有效降低行车噪声污染，提高了行车的安全性；生态沥青路面在天气升高时，路面结构内部的水转化为水蒸汽排出路面表层并带走路面一部分热能，让路面冬暖夏凉降低路面的热岛效应，同时也让在炎热天气下行车增加了安全性；生态沥青路面还减少了城市地表径流和城市污水排放减轻暴雨过后污水处理厂的压力；通透"地气",使地面冬暖夏凉，雨季透水，冬季化雪"不结冰"，有效缩短积雪融化时间。另外，它还使地下水位回升，起到涵养地下水资源的作用；归纳起来生态沥青路面的概念是强调适应交通荷载，且安全、安静、美观、用户满意与环境和谐。本论文因其属因此本研究具有较强的应用价值和科学意义。
开展城市道路生态沥青路面的研究需要解决路面强度和路面耐久性（寿命）的矛盾，提出新的结构组合，以及材料的试验参数，
二.国内外研究现状及发展动态分析
目前，我国和国外很多发达国家都已经开展了对排水沥青路面和透水沥青路面的研究。排水路面是面层透水基层不透水的路面，这类路面能有效减低噪声，优良的抗滑性保证了行车的安全；全断面透水沥青路面也就是生态沥青路面的概念来源，它具有排水沥青路面的功能性，并强调能适应城市交通荷载作用，对城市暴雨的管理和补充地下水资源的重要作用。
2.1 排水性路面
2.1.1 实体工程概况
在欧洲国家从20世纪70年代开始研究，在原有面层上使用能提升行车安全性及舒适性的开级配磨耗层，研究使用高百分比粗粒料，使空隙率高达20～25％的磨耗层，将水能快速排除。因其高空隙率，表面粗糙，摩擦阻力大，故又称之为多孔性磨耗层或多孔性防滑层；再者多孔隙沥青路面由于具有连通的空隙网，具有降低噪音的功能，也将之称为低噪音沥青路面。欧洲国家对多孔隙排水性沥青混凝土铺面设计比美国更重视最小空隙率的设定[10,11]。
比利时[12]于1979年在高速公路上开始铺筑32700m2多孔隙沥青混凝土面层，在应用多孔隙沥青混合料铺筑路面的十多年历史，所用粗粒料高达83％，为提高铺筑路面的耐久性及稳定性，在沥青混合料中多添加纤维稳定剂。
法国[13]约有10％以上公路使用多孔隙沥青混凝土铺面，最常见的40毫米厚的粒径为0 /10毫米的组合，结合料采用标号为 50/70的普通沥青。至目前总计已铺筑24万平方公尺。但自1990年起，多孔隙沥青路面铺筑有较少趋势，主要原因在于铺筑面层空隙易造成阻塞及冬季养护的困难性。英国[14]自1992年起，允许有限度使用排水沥青路面应用于主干道路和高速公路。荷兰的排水沥青铺面是在八十年代初引进，并于1987年决定大规模应用多孔沥青面层，于3年以后开始计划将排水沥青面层应用到整个公路网。对重交通的道路大多是粒径采用0/16毫米，厚度为50毫米的的排水沥青铺面。
德国、瑞典、西班牙等国家对排水性沥青路面都进行研究和开发，并召开多次国际会议，广泛交流研究成果与经验。
日本对排水性沥青混凝土的技术性研究与开发仍从1980年前后组团赴德国考察后，积极进行新技术的开发，1987年于东京都环道7号率先采用排水性沥青混凝土铺筑。呈现排水迅速、改善雨天视线、增加抗滑性，降低行车噪音及确保行车安全的功效。近十年来已在日本各级道路广泛应用，尤其在多雨地区被列为首要选择。1993年建设省道路局进行道路技术五年计划在铺筑技术主题下，排水性沥青混凝土被列为开发的主要课题。1996年11月日本道路协会编辑发表《排水性铺筑技术指针》作为其设计施工的规范蓝本。日本政策宣示自1997年起，日本高速公路路面不论新设或维修均采用排水性铺面为原则。至2002年40%以上的日本公路铺设排水沥青铺装。据EAPA 2003年显示，日本大约铺筑了152000000米2排沥青铺装[15,16]。
美国[17]为增进高速公路行车时路面有良好抗滑性在1970年开始检讨原先采用的封层处理的缺陷，研究开发开级配磨耗层，大量使用粗粒料级配，一般其空隙率约达15％左右。1973年推广开级配沥青磨耗层（OGFC）的使用，据1982年调查，全国铺筑里程以达一万五千公里，且多铺筑在交通量大的州际公路，铺筑厚度大多为19mm。在机场上也广泛使用OGFC以减少雨天产生水漂现象，其铺
筑厚度一般为19～25mm。Watson等报告了组合设计研究基于坎塔夫罗测试OGFC，并建议最低空隙率为18%。
排水路面在我国的陕西、江苏、香港、台湾等地都有试验路和实体工程[8,14,18]。
2.1.2 材料组成和配合比设计和性能研究现状
排水沥青混合料路面在许多国家正日益受到重视，并在矿料级配、配合比设计和透水性能等基础方面的研究取得了许多成果与经验。美国沥青技术研究中心（NCAT）,2001年提出了新一代OGFC的级配和设计方法。美国Mallick,Kandhal,Cooley,and Watson等提出了OGFC的设计、施工和验收指南[11,19].日本山下弘美，韩国多麟技术有限公司[20,21]在也出版了排水路面设计指南，提供了排水沥青混合料的设计和施工方法。我国徐皓，倪富健，刘清泉等[22]对排水性沥青混合料渗透系数进行了测试研究，黄文通，王端宜，王绍怀等[23]对排水性沥青混合料设计与透水性能进行了评价。李闯民[24]对OGFC的级配和设计方法进行了研究。台湾祝锡智，刘明仁，高金盛等[6]进行了高速公路多孔隙排水面层试铺及绩效评估研究，林志栋，陈世仿，苏育民[14]提出了排水性沥青混凝土配比设计。排水沥青混合料试件空隙率大，连通空隙多的特点，现在的表干法，蜡封法是不能测量其毛体积相对密度的，现在美国、日本、中国、韩国均采用体积法测量毛体积相对密度。排水沥青混合料的排水机能，耐久性均与混合料的空隙率密切相关。因此，准确测出排水沥青混合料试件的空隙率显得非常关键。为了探讨排水沥青混合料试件不同空隙率测量方法的关系，张鹏飞、朱立国[25]对大孔隙沥青混合料试件及芯样孔隙率测定方法进行了探讨。李闯民等[26]首次用真空密封法测量排水沥青混合料试件空隙率。为选择准确测量排水沥青混合料试件的空隙率的测量方法提供了试验依据。
排水沥青路面的设计、施工技术都已经有了长足的发展，实体工程的成功修筑，排水沥青混合料的材料组成和设计方法为城市道路生态沥青路面提供了很好的借鉴。排水路面是雨水通过路面内部空隙迅速排出路外而不进入中下面层的路面。减少了路面雨水的积水，减低了路面的噪音，提高了路面的防滑安全性。因为中下面层和基层均为普通密实型的，具有较高的路面承载能力，已经成功应用于各等级公路。透水沥青面层的基础研究和应用是比较成熟的。但存在水资源的二次污染和没有让雨水回归土基的问题，已经不适应建设资源节约型，环境友好型生态城市的要求。
2.2透水性路面
2.2.1 透水路面工程概况
美国目前较多的应用了透水沥青路面,目前最大的透水路面应用案例是2006
年底的完工的俄勒冈州波特兰面积将近14.6公顷的6号码头汽车仓储中心停车场，考虑到该项目地处毗邻哥伦比亚河，表面覆盖约2米冲积土壤渗透能力相当于（2.4米到3米细砂），由Cahill Associates等勘测并设计了该项目铺面：7.5cm开级配沥青铺面＋5cm过滤层（AASHTO57＃单粒径碎石）＋25cm（AASHTO 3＃单粒径碎石）储水层＋无纺土工布＋未经压实土基。同时该项目还利用21公顷的生态绿化低地对暴雨径流进行分流和蒸发[27]。
在肯塔基州Eaton公司在2004年应用透水沥青路面于停车场建设。路面结构形式如下：10cmOGDC（开级配沥青排水层）＋15cm公称最大粒径为13.2的开级配碎石＋60cm公称最大粒径为53cm的开级配碎石层＋无纺土工布＋未经压实土基。美国MSOE停车场也采用透水沥青路面铺装，其中2/3是透水沥青路面，1/3是透水水泥混凝土路面。其中透水沥青混凝土路面结构如下：10cmOGFC＋5cm 过滤层37.5+15cm碎石储水层＋无纺土工布。美国透水沥青路面主要应用在轻交通和非机动车道。近年在机场道面也开始尝试透水沥青路面铺装，比如美国米歇尔机场硬路肩建设7.5米×90米。结构设计如下：15cmOGDC13＋15cm开级配碎石过滤层＋30cm开级配碎石储水层＋15cm开级配滤层＋15cm碎石＋渗沟＋无纺土工布[28]。
透水基层目前美国不少州已规定并且试验在路面面层下设水泥混凝土透水基层以便迅速排水。加利福尼业、伊利诺斯、俄克拉何马和威斯康星州都提出了有关普通水泥混凝土透水基层的标准技术规范[7,29]。其材料组成为普通水泥、水、粗集料和少量作为细集料的砂。主要作为水泥混凝土路面的基层使用，对基层的缓裂性能没有考虑。
日本普遍采用排水沥青铺面技术，而透水沥青路面应用于人行步道和停车场等轻交通路面[16]。
在韩国，Yoon-Ho Cho教授等人提出了一种沥青路面，他称为“4S”路面，“4S”的概念就是：Safety（安全）, Silence（安静）, aeSthetic（美观）, and user Satisfaction guaranteed（用户满意）。对透水路面和排水路面的适应性进行了分类和研究[30,31]。韩国黄盖鹤先生发明透水混凝土、排水混凝土和透水性高压预制板块三大类新技术。
国外对透水性路面己研究多年，我国对此研究尚处于起步阶段。据有关资料显示[32]，目前在透水性路面材料方面有较多的研究和开发，如国家863计划分配任务上海交大和东南大学都在进行中；清华大学在前几年就研究出透水混凝土材料及透水性路面材料，尚处于起步阶段，没有解决透水性材料的强度问题。施工单位在这方面开发应用的就更少了。经调查上海市黄浦江大桥工程建设处和上海市市政工程研究院在透水性沥青混合料方面有应用，天津计划梅江生态居住区雨
洪水利用4.5万平方米透水路面工程建设。为了解决“水浸街”这一老大难问题，广州市首次在旧城区进行透水性路面材料应用研究。北京市政工程管理处总工程师任明星等多位专家一致认为，为提高雨水给地下水的补给，使用透水性路面砖很重要。据了解，北京用水70%来自地下水，每年平均超采地下水约1亿立方米，过度的开采造成北京地下水储存量巨减，并以每年3米的速度下降，以至于目前形成5大地面沉降区。在沈阳市地方标准中有透水路面应用技术规定。2007年深圳正在推广《彩色环保透水透气混凝土和透水透气沥青路面（地坪）新技术》，广泛应用于：市政工程、园林景观、住宅社区、公共设施建设，如：城市广场、人行道、轻型车道、停车场、公园内道路等。由南京市政公用局和一家彩石建材公司研制的一种“透水路面”，已在南京秦淮河风光带、幕府山市政配套、无锡十八湾景区等工程中使用。正在改造的珠江路中山路至太平北路段，两侧人行道也全部采用透水路面。2007年哈市首条生态透水人行景观路面现身。由于透水路面基层的强度和耐久性问题，透水路面局限应用在轻交通或非机动车道和广场等场合。
2.2.2 材料组成和配合比设计和性能研究现状
为了获得能运用于轻交通量并具有良好透水性能的混凝土路面，重庆交通学院郑建明在大量的试验基础上,进行了系统进行了透水混凝土在路面中的应用研究[33]。为解决香港地区雨季沥青路面大量积水而导致路面早期破损严重的问题，邱欣等[34]进行了透水性沥青混合料力学性能及路用性能的试验研究。安徽公路科研所对膨胀土地区透水路面研究、透水砖不同分类方法、技术要求、净水性能、透水路面排水体系等进行了研究；研究编制出的《透水路面设计与施工指南》及配套《透水路面设计图集》等成果。谢洪斌，姚祖康等[19]对沥青稳定碎石排水层材料的透水能力进行了研究，沥青稳定碎石排水层主要做水泥路面透水基层使用。美国NAPA IS-131出版了透水路面的设计、施工和铺筑指南,提出了轻交通透水路面的基层和面层材料组成和设计方法[29]。WAPA(2004)对透水路面的性能进行了介绍[7]。
在透水路面基础研究和应用方面，主要集中于水泥混凝土和混凝土块方面。由于透水沥青路面透水基层材料强度问题和抗反射裂缝问题没有解决，透水沥青路面适应范围局限于市政工程、园林景观、住宅社区、公共设施建设，如：城市广场、人行道、轻型车道、停车场、公园内道路等。对于城市道路行车道则鲜有应用。随着我国经济的发展，居民素质的提高，城市环境的改善，生态城市的建设，为城市道路生态沥青路面的使用提供了良好的条件。更新路面设计理念，研究满足交通荷载强度要求的缓裂透水基层新材料，提供透水路面的承载能力，应用到中等及以上交通作用路面，是透水沥青路面的发展方向。
三.本文主要研究内容
参考文献
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