新型沥青路面技术综述

宋代学

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037)

道路交通行业是我国社会进步、经济发展的基础，路面技术的更新迭代速度也随着科学技术的发展而加速，在道路科研人员的不懈努力下，研发出一大批新的路面技术，横跨材料科学、计算机科学、通信科学、电气电力科学等多个学科。赋予传统道路交通行业新的方向与功能。该文对近几年路面工程研究工作的进展情况进行梳理和总结,遴选出具有代表性的研究热点与研究前沿进行介绍。

1 尾气自消除路面技术

尾气自消除路面是指在铺筑路面的过程中采用掺加了催化剂，能够自动消解汽车尾气的路面。尾气自消除路面能够在自然环境下利用混合料中的催化剂在光照作用或氧化作用下，通过气-固反应将汽车尾气转化为无机盐，从而达到消除汽车尾气的目的[1]。尾气自消除路面技术能够实现路域内汽车尾气的自我净化，缓解路网交通对沿线带来的环境污染。尾气自消除路面技术中选用的催化剂一般具有害物质催化分解性、压电性、热释电性、导电性、负离子释放性等性能。常用的光催化材料有二氧化钛(TiO2)、石墨类材料、氧化锌(ZnO)等，常用的氧化催化材料是电气石粉。TiO2因其具有更好的光催化活性、更优良的化学稳定性以及可回收性等优势，在众多光催化剂中被首推使用。TiO2配合薄层罩面技术或微表处技术使用能够最大限度地提高尾气分解效率[2]。将纳米状态的TiO2材料加入到沥青混合料中在显著提高尾气分解效率的同时还可以提高沥青混合料的和易性以及沥青混合料的耐久性，并且若在此基础上与铈、铁、铜离子复配可以进一步提升催化活性以及提高沥青混合料的耐老化性能[3]。除TiO2外，g-C3N4（石墨相氮化碳）是近年来出现的一种非金属半导体材料，将g-C3N4与TiO2结合使用，可开发出活性更高的复合光催化材料[4]。除上述两种材料之外，氧化锌ZnO二氧化锆(ZrO2)和硫化镉(CdS)同样也可以被当作汽车尾气分解光催化剂。汽车尾气消除技术除了光催化法外,氧化催化技术也被用于汽车尾气自消除路面。催化氧化技术中主要使用电气石粉作为氧化催化剂。电气石粉对特定的气体分子（NOx）具优异有氧化活化作用。并且电气石粉能够改善沥青混合料的高温稳定性，使沥青混合料具有阻燃、耐高温、抑烟的功能。

2 透水降噪路面技术

透水降噪路面是指采用大空隙的路面材料铺筑的路面[5]。大空隙率可以迅速将路面积水排除，减小地面径流面积，缓解雨季城市内涝。同时大空隙率使轮胎与路面接触时产生的噪音在路面内部发生传递和干涉，消耗能量，减弱了噪声源强度，从而实现了降低噪声的目的[6]。透水降噪路面透水性好、降噪，能够有效地缓解城市热岛效应，是城市道路建设新的发展方向。透水降噪路面修筑时采用的大空隙沥青混合料的强度主要由沥青胶结料提供。这种强度形成模式下对沥青胶结料的选用和沥青混合料的配合比提出了更高的要求。沥青需采用高粘沥青，沥青用量较常规沥青混合料偏大。混合料中需掺配橡胶粉或纤维或石灰粉等[7]。骨料需采用玄武岩或者辉绿岩用以保证混合料强度并且需要严格控制针片状含量。排水降噪路面具有良好的高温稳定性和抗水损害性能，但是低温抗裂性和抗疲劳性能较普通混凝土偏低。聚氨酯、水性环氧材料的加入能够改善排水降噪路面的低温抗裂性和抗疲劳性能[8]。排水降噪路面的排水性和降噪性与铺筑材料的连通空隙率、集料的公称最大粒径相关。空隙率相近时，公称最大粒径越小降噪效果更优；公称粒径相近时，空隙率越大排水效果越好。所以铺筑双层排水降噪路面能够同时满足排水、降噪的需求。排水降噪路面存在一定的寿命周期，为了维持路面功能需要定期对路面进行高压水冲洗或真空抽排清理空隙。

3 温度自调节路面技术

温度自调节路面是指能够利用路面铺筑材料的特殊材性，对路域环境的热量进行吸收、储存、反射的路面。温度自调节路面能够调节路表温度、降低极端气候温度对道路带来的损伤以及缓解热岛效应[9]。目前温度自调节路面技术分为热反射技术、相变材料调温技术、热阻技术。

（1）热反射技术是指采用具有高粘、不眩光、耐磨耗的树脂类材料与SiO2材料制作的反射层混合涂料将路域环境内的热能反射或吸收的技术。热反射技术能够达到降低路表温度的目的。树脂类材料作为反射涂料的基材一般用硅丙乳液、丙烯酸树脂、不饱和树脂及环氧树脂。TiO2、空心微珠、SiO2、消光粉等作为功能填料[10]。

（2）相变材料调温技术顾名思义是相变材料随温度变化而改变形态，提供潜热的物质从而改变路表温度的技术。有机相变材料（醇类、烷烃、石蜡）以其良好的储热、环保优势被加入到沥青混合料当中用于温度调节路面[11]。温度调节路面中使用相变材料需要辅助封装技术以防止材料泄露。

（3）热阻技术是指在沥青混合料中采用陶粒、蛭石、铝矾土等代替传统石料作为骨料拌制沥青混合料用以降低路面的导热系数的技术。阻热骨料强度低于传统骨料，能够导致路面强度降低并且水稳定性变差。采用此种路面是需要统筹考虑路面强度、路用性能与阻热功能之间的相互协调。

4 智能路面技术

智慧交通是当代交通领域发展的重要方向，智能路面是智慧交通的基础。智能路面技术是具有主动感知、自动辨析、自主适应调节、持续供能及动态指示等服务能力的路面技术[12]。智能路面能够使道路作为基础设施更安全、更智能、更便捷。智能路面获取道路信息数据的方式之一是运用各种感知元件实现交通信息的感知与辨析，实现交通情况的适应与调节[13]。例如，智能温度传感器能够自动获取路面结构温度。通过建立温度预测神经网络模型可以精准预测路面温度，进而提出干预措施。湿度监测传感器、应力监测传感器、应变监测传感器、自供能传感器等多种智能传感器均在智能路面建设中发挥重要作用。智能路面获取道路信息数据的另一种方式是在铺筑路面的混合料中使用智能骨料[14]。智能骨料一般是采用压电技术制备的陶瓷材料骨料，在满足强度的同时具有一定的电磁信号传输功能感应功能，用于感知传导路面的病害信息。智能路面技术作为新兴技术目前还处于研究起步阶段，该技术糅合了多学科，且相互关联发展。目前，还需要统筹安排解决感知元件在路面材料和结构中的耐久性问题、智能集料等与传统路面材料的融合问题。

5 能源再利用路面技术

路域中蕴藏着巨大的能量，包括车辆行驶带来的机械振动能、道路结构温差带来的温度势能以及路域内的太阳能等[15]。将路域内的能量进行回收、转化、储存、再利用就能够实现清洁能源再利用，并且此技术的研发与智能路面技术的发展相辅相成。目前，路域能源再利用技术分为压电能量利用技术、热电能量利用技术和光伏路面能量利用技术。

（1）压电能量利用技术是通过压电材料的正压电效应将车辆行驶过程中产生的机械振动能转化为电能的技术。路域内车辆行驶产生的机械振动能的特点是低频、能量输出不连续、不规则[16]。针对这一特点，研究开展的方向主要是针对压电能的转换、储存、采集电路开发、铺装。关于压电能的转换与储存，研究集中在压电换能器与压电封装装置设计方面。压电换能器目前多采用堆叠式、悬臂式配合并联的压电封装装置共同使用[17]。然而目前尚需进一步提高封装装置的发电量级、功率密度和道路兼容性；在压电能量采集电路开发方面，目前主要采用整流电路、滤波电路和开关控制电路组合而成的新型能量采集电路；在现场铺设测试方面，目前测试场地多选用高速公路常规路段、收费站、地下车库减速带等具有代表性交通的地段。

（2）热电能量利用技术是利用热电材料的塞贝克（Seebeck）效应将道路内部的温度梯度差在回路中产生的电势使热能转变为电能的技术。热电能量利用技术在利用能量的同时还可以降低道路结构内部的温度，减少温度应力，延长道路的使用寿命[18]。热电能量回收技术的关键是提高热能转换效率。所以目前研究的主要方向是提高热电材料转换效率、提高热电发电机的换能效率及提高导热板的传递效率[19]。目前来讲，现有材料均不能满足使用要求，转换效率不理想，需要结合高效率热电材料研发。

（3）光伏路面能量利用技术是利用埋置在道路结构内的光伏电池板将照射到路面的太阳能转化为电能并储存的技术。光伏路面能量利用技术的关键点是光伏面板结构的耐久性、光伏面板材料的耐久性、光伏面板电路的耐久性、趋光面板角度调节灵活性。目前主要采用高性能混凝土预制空心板底座、设计导光混凝土空心板保护层等方式提高光伏面板的耐久性和灵活性，但效果并不理想。

能量再利用路面技术尚处于起步阶段，仍存在大量的关键性技术难题没有得到解决，但是作为清洁性能源技术具有非常重大的意义，仍值得继续研究。

7 结语

本文主要介绍了相对比较前沿的五种新型路面技术，涵盖了环保、智能化、清洁能源利用等方向。这五种新型路面技术的特点是针对目前道路工程及相关领域的痛点，多学科交叉，多领域相互促进，更符合未来科学技术的发展趋势。新型路面的研究与推广也是我国实行“交通强国”的必然结果。很多新型道路技术的研究仍处于起步阶段，需要继续大投入精力研发。