非透水性沥青路面由于具有良好的行车舒适性和使用性能，已成为我国公路和城市道路主要的路面结构型式。但伴随着我国城市化进程的加快，城市热岛效应、路面径流污染已成为日益严重的环境问题。而硬化路面，尤其是具有较高太阳辐射吸收率的非透水性沥青路面是造成城市热岛效应、车辙和路面径流污染的主要原因之一^{[1, 2]}。在解决上述问题的措施中，降低沥青路面温度是缓解热岛效应和车辙病害的最有效方式，而透水性铺装可以有效地控制路面径流污染^{[3, 4]}。沥青路面可以通过选用导热系数小的沥青混合料，使得路面内部温度升高速度降低，从而达到降低路面内部温度的目的；而透水路面通过孔隙结构的过滤、吸附和截留径流水质中的有机污染物和固体悬浮物，从而达到净化水体的功效^[3]。德克萨斯和北卡近几年的观测结果表明，透水性磨耗层与传统密实面层相比，可以减少径流水质中固体悬浮物90%以上，同时减少重金属(铅、锌、铜)的含量^[5]。由此表明多孔沥青混合料不仅可以控制路面径流污染物，而且多孔沥青混合料随着空隙率的增加，其导热系数降低，可以达到降低路面温度的作用。鉴于多孔沥青混合料的生态效能，本文重点研究不同空隙结构沥青混合料的热阻和去除径流污染的效能，并对不同空隙结构沥青混合料的力学性能进行了验证，从而明确了不同空隙结构沥青混合料的热阻、去污效能和使用性能。 1 原材料性能 1.1 集料

集料采用的是石灰岩，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)的相关规定，其各项技术指标如表 1所示，各项指标均满足规范的要求。

沥青采用的是道路石油沥青A-90，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)的规定，沥青各项指标如表 2所示，各项指标均满足规范的要求。

为比较不同空隙结构沥青混合料的热阻和去污效能，本文按照体积设计法设计出不同目标空隙率的沥青混合料，并确定出相应的最佳油石比，具体结果如表 3所示。

对多孔沥青混合料而言，由于粗集料含量较多，空隙率较大，建议采用直径为150 mm的试件尺寸，并采用振动成型方法。沥青混合料由于空隙率较大，担忧其永久变形，因此确定最佳油石比时以振动成型后试件的空隙率和动载压入试验^[6]测得的各应力下的累积永久变形值为评价指标。本文以多孔沥青混合料PA3为例，振动压实制作ø150 mm×100 mm的试件，油石比分别选为2.5%，3.0%，3.5%和4.0%，通过综合考虑设计空隙率和各应力下的最小永久变形值确定出了最佳油石比。具体试验结果见表 4和图 1所示。

图 1 不同油石比下沥青混合料性能对比Fig. 1 Comparison of performance of asphalt mixtures in different asphalt-aggregate ratios

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从图 1中可以看出，当油石比为3.5%时，沥青混合料在各级应力荷载作用下的累积永久变形最小，而且此时空隙率接近设计空隙率的要求。因此，确定PA3的最佳油石比为3.5%。按照相同的试验方法，确定了其他多孔沥青混合料的最佳油石比，为了与多孔沥青混合料进行对比，同时也设计了密实型沥青混合料(PA1)，并按规范的马歇尔方法确定了最佳油石比，结果见表 5。

材料的热物参数主要指导热系数、导温系数和比热容，而材料的导热系数对路面结构温度场的影响最大^[7]，因此，本文采用导热系数和室内模拟太阳辐射试验来表征材料的热阻效能。导热系数表征的是材料传热能力，导热系数越小，材料的热阻性能就越好；室内模拟太阳辐射试验通过测试试件上下表面的温度差，直观地反映出材料的隔热效果。 3.1 导热系数

沥青混合料导热系数的测试是采用基于非稳态测试法的常功率平面热源法，是一种常用的测试建筑和隔热材料的非稳态测试方法^{[8, 9]}，其原理是根据恒定的热流边界下，半无限大物体内部的温度场的变化规律来测定材料的热物参数。该测试方法范可分为3个主要部分。第1部分为试样部分，试样为3块。150 mm×150 mm×50 mm的试样2块，150 mm×150 mm×15 mm的试样1块，试样放置次序依次为1块150 mm×150 mm×50 mm的试样，上面放置加热片，之后再在加热片的中心位置放置热电偶1，再放置尺寸为150 mm×150 mm×15 mm的试样1块，再放置热电偶2，再放置尺寸为150 mm×150 mm×50 mm的试样1块。第2部分数据采集系统，温度采集系统是由2个热电偶、1个冰水混合物和1个温度数据采集仪。同时应配以秒表。第3部分为热流加热以及采集系统，是由电压表和电流表量测热流大小，用电源开关控制热流的供给。试验平台如图 2所示。

图 2 试验平台Fig. 2 Test platform

图选项

假设物体初始温度为t₀，从0时刻开始以常热流q加热，通过试验测出τ₁时刻的表面温度θ_(0,τ1)以及τ₂时刻离表面δ₁距离处的温度θ_(δ1,τ2)，代入式ierfc中，可求得之值，再由误差函数表查出的数值，从而可以得到导温系数α=，进而通过公式λ=计算出导热系数，计算结果如图 3所示。

图 3 试验平台Fig. 3 Test platform

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从图 3可以看出，随着空隙率的增加，沥青混合料的导热系数逐渐降低，说明沥青混合料的热阻能力逐渐增强。其中，沥青混合料从密实状态逐渐向排水状态过渡时，导热系数降低明显。当空隙达到排水状态时，空隙率变化对导热系数影响不大，即空隙率从5%增加到10%时，导热系数降低36.7%，空隙率增加到15%时，导热系数降低51.0%；而当空隙率由25%增大到30%时，导热系数仅降低10.5%。由此可知，沥青混合料导热系数受空隙率的影响较大，尤其是在空隙率为5%~15%之间。 3.2 室内模拟太阳辐射试验

采用室内模拟太阳辐射试验系统^[7]测试了不同空隙结构沥青混合料的隔热效果，试验系统见图 4。光源为碘钨灯，辐射强度为788 W/m²，辐射时间7 h，试件是采用轮碾成型的尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件。分别测试了试件以及涂层后试件上、下面的温度，结果见图 5。

图 4 室内模拟太阳辐射试验Fig. 4 Indoor simulation test of solar radiation

图选项

图 5 不同空隙结构沥青混合料室内辐射试验数据分析Fig. 5 Indoor test data of solar radiation on asphalt mixtures with different porosities

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从不同空隙结构沥青混合料应用热反射涂层前后的室内热辐射试验结果可以看出：

(1)不同空隙结构的沥青混合料经过相同时间的辐射后，随着材料空隙率的增加，试件上表面的温度逐渐升高，但温度相差不大，均波动在65 ℃左右，波动幅度最大为3.1 ℃。这与理论上计算的路面材料的导热系数对路面温度的影响规律一致，即导热系数越小，路表面的温度越高。而试件底面(距表面5 cm处)的温度变化比较明显，波动幅度约为6.0 ℃，最低温度为55.4 ℃(图 5)。这是因为随着空隙率的增大，沥青混合料导热系数随之降低，使得多孔沥青混合料传递热量的能力降低，减缓了材料内部的温度上升速度。在试验结果中表现为空隙率大的试件内部温度较空隙率小的试件内部温度低。但与理论分析不同的是，随着空隙率的增加，底面的温度出现了波动变化，在空隙率为20%时出现温度的最低值。这是因为对于多孔沥青混合料而言，当空隙率大于某一值时，就会出现材料内部的对流换热。而在理论计算时，忽略了这部分对路面结构温度场的影响。以上测试结果表明，改变沥青混合料的空隙率，能够降低沥青路面内部的温度。从总体降温效果来看，空隙率为15%~20%的多孔沥青混合料降温效果最佳。

(2)根据不同空隙结构沥青混合料的热物特性及降温效果可以看出：对于沥青混合料，一种方式可以通过调整沥青混合料的组成结构，使其空隙率在20%左右，从而达到降低路面结构内部的温度，其5 cm深处温度比表面层温度降低了大约10 ℃，可以有效缓解车辙病害的发生。

(3)沥青混合料的导热系数虽然随着空隙率的增大逐渐减小，但路面内部的温度变化不是单纯随着空隙率的增大而降低。这与不同空隙率时材料之间的热传递形式有关。从试验数据可以看出，空隙率在15%~20%的多孔沥青混合料自身降温效果良好，因此从路面内部降温效果考虑，推荐采用空隙率为15%~20%的多孔沥青混合料。 4 不同空隙结构沥青混合料的去污效能 4.1 评价指标

公路径流中的污染物有悬浮固体SS、有机污染物COD、重金属、P、N营养物、氯化物、油和脂、农药和PAHs等。其中COD，SS是公路路面径流中最主要的污染物，其主要来源于轮胎磨损颗粒、筑路材料磨损颗粒、运输物品的泄露、刹车连接装置产生的颗粒及其他与车辆运行有关的颗粒物、大气降尘及除冰剂等^[10]。因此本文确定路面径流污染的评价指标为COD和SS。 4.2 水样制备

试验的水样来源是根据已有研究成果确定的路面径流污染物成分和数量^[11]，在实验室自行调配的水样。 4.3 试验研究

对污染物的控制主要是通过沥青混合料内部多孔结构的吸附和截留作用达到的，因此，本文主要对多孔沥青混合料的不同空隙结构进行了研究，具体级配走向见表 3，沥青混合料采用振动压实法分别成型尺寸为ø150 mm×100 mm的试件^[6]，使室内调配的径流水质通过试件，从而得到经过不同空隙结构沥青混合料试件过滤的水样，在此基础上分别测定原水和过滤后水样的COD值和SS值，具体结果如表 6和图 6所示。

图 6 不同空隙结构沥青混合料去污效果Fig. 6 Pollutants removal efficiency of asphalt mixtures with different air void structures

图选项

由图 6可以看出，随着多孔沥青混合料空隙率的降低，COD去除率随之升高。空隙率由28.5%下降至25.6%时，COD去除率可提高87.7%；当空隙率由25.6%下降至19.9%时，COD去除率可提高67.5%；当空隙率达到20%左右再下降时，COD去除率变化不大。由此可以说明，沥青混合料空隙率越大，对有机物去除效果越差，当空隙率达到20%左右时，COD去除效果趋于稳定。因此，从COD去除率角度而言，沥青混合料有效空隙率为20%左右。

由图 6还可以看出，随着多孔沥青混合料空隙率的降低，SS去除率随之升高。随着空隙率的下降(由28.5%下降至25.6%)，SS去除率随之增大(由25.0%增加至51.5%)，并随着空隙率的继续下降，SS去除率继续增大。这主要是由于COD和SS的去除效果依靠混合料内部微观孔隙结构的吸附和截留作用，因此试件内部孔隙结构分布是关键。空隙大，SS截留的少，其固体悬浮物的去除率就会较低，相应的一些有机污染物附着在固体小颗粒上，当SS截留的少，相应的COD的值也会小。这就是图 6表现的总体规律，即随着空隙率的降低，COD和SS去除率随之增大，只是不同阶段增长幅度不同。

兼顾透水性和COD、SS去除效果，确定多孔沥青混合料有效空隙率应为20%左右。

同时不同空隙结构沥青混合料的力学性能对比分析表明^[12]，从满足承载能力、高温抗变形能力、水稳定性等角度出发，普通道路石油沥青混合料的空隙率应≤20%，而高黏度改性沥青混合料的空隙率可放宽至25%。 5 结论

综合以上研究，得出以下结论：

(1)沥青混合料随着空隙率的增大，导热系数随之降低，说明沥青混合料的热阻能力逐渐增强。尤以沥青混合料从密实状态逐渐向排水状态过渡时，导热系数降低明显。当空隙完全达到排水状态时，空隙率变化对导热系数影响不大。对沥青混合料导热系数影响较大的空隙范围为5%~15%。

(2)通过室内模拟太阳辐射试验结果可以看出，随着空隙率的增大，沥青混合料的导热系数降低，表现为沥青路面表面层温度升高，但其内部温度得到较大幅度地降低，降低幅度随空隙结构的不同而有较大差别。从总体降温效果而言，空隙率为15%~20%的多孔沥青混合料降温效果较好。因此，可以通过调整沥青混合料的组成结构，设计适宜的空隙范围，从而达到降低路面温度的目的。

(3)具有不同空隙结构的多孔沥青混合料对路表径流均具有一定的有机污染物和固体悬浮物的去除效果。随着空隙率的降低，多孔沥青混合料对COD去除率和SS去除率明显提高。从透水和去污效果两方面考虑，沥青混合料的有效空隙率应在20%左右。

(4)与密实沥青混合料相比，多孔沥青混合料具有良好的热阻效能和控制径流污染效能，对径流污染的去除效果主要是通过内部空隙结构的渗透、截留、吸附作用达到的。空隙结构太大，导致污染物随着水体流走，达不到净化的作用，空隙结构小，起不到渗透和截留作用。因此，从透水、承载、耐久和生态效能综合考虑，建议多孔沥青混合料的有效空隙率应为15%~20%。