摘要
面向海绵城市与绿色基础设施建设需求，本研究创新性地开发了兼具承载功能与水文生态效益的石灰基多孔生态道路材料。通过精确设计集料级配、控制石灰胶结方式与掺量，制备出高连通孔隙率（15-25%）的透水基层/底基层材料。系统研究了其力学性能、透水性能、净水能力与碳汇效应的协同机制，评估了其在削减地表径流、补充地下水、净化雨水及缓解热岛效应等方面的综合环境效益，并完成了示范工程应用与长期性能监测。
一、多孔生态道路材料的功能集成设计理念
- 设计目标与性能平衡
结构性能：具备足够的抗压强度（基层≥5MPa，底基层≥3MPa）和荷载扩散能力。
水文性能：高透水系数（≥0.1 cm/s），有效孔隙率高且连通性好。
生态性能：具备一定的污染物吸附/降解能力，可为微生物附着提供界面。
环境性能：材料自身低碳，且在使用过程中通过碳化作用实现碳封存。
- 石灰在多孔体系中的特殊作用
选择性胶结：通过控制石灰浆体粘度与掺量，使其主要在集料接触点处胶结，形成“点接触”结构，最大限度保留孔隙。
碱激发协同：石灰激发粉煤灰、矿渣等掺合料活性，生成胶凝物质增强节点强度，同时其产物具有一定吸附性。
碳化增韧：暴露于大气中的多孔结构更易碳化，生成的碳酸钙可进一步提高节点强度和材料耐久性。
二、材料组成设计与制备工艺
- 骨架-孔隙-胶结协同设计
骨架集料：采用单一级配或窄级配的碎石（如5-10mm或10-15mm），确保形成稳定的大孔隙骨架。严格控制针片状颗粒含量。
胶结材料体系：石灰-偏高岭土-少量水泥复合体系。石灰（3-5%）提供碱性与早期胶结，偏高岭土（5-8%）提供活性硅铝源，生成地质聚合物凝胶，少量水泥（2-3%）调节凝结时间。
孔隙调控：通过调整振动压实能量和胶结浆体用量，精确控制目标孔隙率。引入适量引气剂或预制孔隙模板（如可降解纤维），优化孔隙连通性。
- 制备工艺关键
裹浆工艺：采用先干拌集料与胶凝材料，再喷洒适量水分进行“半干法”拌和，使胶凝材料均匀裹覆在集料表面，而非填充孔隙。
低能量压实：使用轻量压路机或控制压实遍数，达到85-90%的压实度即可，以避免过度压实导致孔隙结构破坏。
养护制度：早期覆盖保水养护（3-7天）后，揭开覆盖物，使其暴露于空气中促进碳化。
三、力学与水力性能的耦合关系
- 强度-孔隙率模型
建立适用于该材料的经验模型：
σ_c = K * (1 - n)^m * ρ_d^p
其中，σ_c为抗压强度，n为孔隙率，ρ_d为干密度，K, m, p为与材料组成相关的常数。研究表明，在孔隙率15-25%范围内，强度仍能满足低等级道路基层要求。 - 渗透性能及其衰减规律
初始渗透系数：可达0.2-0.5 cm/s，远高于传统致密材料。
淤堵模拟与衰减：通过室内模拟道路扬尘、有机物沉积等淤堵过程，研究渗透系数随时间/淤堵物质加载量的衰减曲线。发现材料内部较大的孔隙和石灰基胶凝物的微碱性表面，有助于延缓物理淤堵，并对重金属离子有一定化学固定作用。
自清洁潜能：在降雨强度较大时，孔隙内流速增加，可冲刷掉部分沉积物，实现部分自恢复。
- 持水与蒸发冷却效应
有效持水率：材料可保持约10-15%体积的水分。这些水分在日间蒸发，吸收大量热量，有效降低材料表面及近地表空气温度。
缓解热岛效应量化：现场实测表明，在夏季午后，多孔生态基层上方的沥青路面温度可比传统密实基层上的路面低3-5℃。
四、水质净化功能与碳汇效应
- 雨水净化机理
物理过滤与吸附：多孔结构可有效截留悬浮固体（SS）。
化学沉淀与吸附：石灰水化产物及碳化产物（CaCO₃）表面，可通过共沉淀、离子交换等作用去除水中的部分磷酸盐、重金属离子（如Pb、Zn、Cu）。
微生物降解：多孔表面附着的微生物膜，可降解雨水中的有机污染物（如COD、油类）。研究表明，对典型城市地表径流，该材料对SS、TP和部分重金属的去除率可达60%-80%。
- 碳化碳汇定量评估
碳化条件优化：多孔结构为CO₂扩散提供了良好通道。研究不同湿度、CO₂浓度下的碳化动力学。
碳汇量核算：通过热重分析（TGA）定量测定不同深度样品的碳化程度。计算表明，每立方米该材料在其生命周期内可通过自然碳化封存约20-40 kg CO₂，若采用主动碳化养护技术，封存量可翻倍。
五、结构-水文-生态一体化设计方法
- 设计流程
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确定工程地点与水文目标 → 地质与水文地质勘察 →
一体化材料性能目标设定（强度、透水、净化） →
多孔生态基层材料配合比设计 →
路面结构组合设计（透水面层、多孔基层、土工布、砂砾反滤层等） →
排水系统衔接设计 →
长期监测与维护方案设计
2. 典型路面结构组合
表面层：透水沥青混凝土或透水水泥混凝土。
基层：石灰基多孔生态材料（厚度15-20cm）。
过滤层：无纺土工布，防止下部土颗粒上升淤堵。
底基层/储水层：级配碎石层（厚度10-15cm），临时储存下渗雨水。
土基：压实路基，渗透性过差时需设置排水盲管。
六、工程示范、长期监测与维护
- 示范工程（某生态新城主干路）
工程概况：全长1.2公里，双向四车道。
实施方案：全线采用上述多孔生态基层。
监测系统布设：埋设水分传感器、温度传感器、渗流监测井，并设置径流监测断面。
初期效果（2年）：
水文效益：在中小降雨事件中，可实现100%雨水就地消纳，无地表径流产生。
结构性能：弯沉检测值稳定，路面状况良好。
水质改善：监测井出水水质主要指标达到地表水Ⅳ类标准。
- 长期维护策略
预防性维护：定期（如每年一次）采用高压水枪或真空吸尘设备进行孔隙清洗，恢复透水率。
性能监测：将渗透系数检测纳入常规路况检测指标。
功能性再生：当净化能力显著下降时，可考虑灌注功能性微生物菌剂或矿物涂层进行再生。
七、综合效益评估与推广前景
- 全生命周期成本-效益分析
增量成本：材料生产成本略高，施工要求更精细。
综合效益：
直接经济效益：减少或取消部分传统的雨水管网和调蓄设施建设，节约灰色基础设施投资。
环境效益：补充地下水、削减面源污染、缓解热岛效应、固定二氧化碳。
社会效益：提升城市防洪排涝能力，改善人居环境。
结论：从全生命周期和全社会角度评价，具有显著的正面效益。
- 推广前景与挑战
适用场景：城市广场、停车场、非重载交通道路、公园道路等。
标准与规范：亟待编制相应的材料、设计、施工与验收标准。
公众认知：需加强宣传，提高对海绵城市设施和其效益的理解与接受度。
八、结论与展望
本研究成功开发并验证了一种集承载、透水、净水、碳汇与降温等多功能于一体的石灰基多孔生态道路材料，实现了道路工程从单一交通功能向生态基础设施的转型。其核心在于利用石灰的特性，协同其他材料，在保证结构性能的前提下，精心构筑了有利于水文循环和生态过程的内部空间。未来，应进一步研究其在严寒地区抗冻融、对复杂污染物净化效能提升以及智能化运维管理等方面的关键技术，推动该技术体系的完善与大规模应用，为建设可持续、韧性的城市道路系统提供重要解决方案。
