上路的历史与​​未来

如今的街道比其祖先更加艰难。它们不再依靠双脚、马蹄和木轮，而是依靠半挂车和 SUV。随着我们开发出新的快速行驶方式，我们也改变了我们行驶路线的构成，将碎石路改造成沥青高速公路。极端天气和碳排放等挑战意味着我们的高速公路必须进一步发展，因此工程师们正在转向未来主义的解决方案以保持交通畅通。以下是这段漫长而曲折的旅程背后的故事——以及它接下来将走向何方。

过去：回顾过去

1. 岩石和砖块

人类砍伐树木、焚烧灌木来运输食物和攻击敌人的历史已有 10,000 多年，但美索不达米亚人在公元前 3000 年左右发明了一些最早的铺砌道路，使城市交通更加便利。工人们塑造了数千块相同的粘土砖，将它们烘干，然后像瓷砖一样排列起来。为了防止道路在每次被牛踢时碎裂，他们用沥青将砖块粘合在一起，沥青是一种天然存在的半粘性石油，我们今天仍将其用作沥青的粘合剂。但这个古老的民族只在具有宗教意义或军事价值高的街道上才使用这种劳动密集型的方法。

虽然并非所有道路技术都能追溯到罗马，但罗马帝国确实修建了一些古代世界上最长、最耐用的道路。建造者将岩石和砾石层嵌入地面以保持稳定性。在靠近城市和其他显眼的地方，铺路工人在这些层上铺上坚硬的石头，以创造更光滑的外观。

在公元 100 年左右的鼎盛时期，帝国拥有总计 50,000 英里的公路，士兵和商人可以借此迅速往返于欧洲和小亚细亚各地。其中一些古老的通道至今仍在使用。阿皮亚大道从罗马向东南延伸 350 英里，一直延伸到意大利东海岸，部分路段支持汽车通行——尽管在过去的两千年里，这条路需要进行多次大修。

2. 倾斜泥土

随着 18 世纪英国工业革命的兴起，地方政府修建了更长的碎石公路网络，依靠收费来资助新路线的建设。这些所谓的收费公路遍布乡村，从伦敦延伸到英格兰和苏格兰的城市。但大多数道路都是用小石头堆在泥土上铺成的，这意味着只要有一点点雨水洒下来，这些岩石小路就会变成一堆堆令人恶心、危险的泥浆。

一位名叫约翰·梅特卡夫的土木工程师想出了一个让道路平坦的计划。他的施工队会将每条新街道的路面稍微倾斜，并在两边挖深沟。这提供了适当的排水，以防止道路因过多的水分而塌陷，从而防止出现坑洼。

众所周知，梅特卡夫不遗余力地倡导这些设计变革。他从小就失明，曾向一位上校挑战，要他和他赛跑去伦敦。由于地形崎岖，梅特卡夫步行到达伦敦的速度比军人坐马车快得多。

3. 碎石和沥青路面

19 世纪的苏格兰工程师约翰·麦克亚当 (John McAdam) 发现，即使是英国最好的道路也崎岖不平，因此他采取了一种新方法：他将松散的圆形石头替换为压碎成小块的石头，然后将其沿路铺开，然后碾压使其变硬。这些“碎石路”更耐用、更耐候，对马车车轮也更友好，但它们仍然很松散。

因此，在 19 世纪 70 年代，美国工程师开始申请沥青混合物（称为“粘合剂”）的专利，这种混合物将油性物质与砾石或沙子结合在一起，使路面更加光滑。从那时起，道路或高速公路的基本横截面并没有发生太大变化：施工人员挖一条沟渠，铺上一层压实的土壤，铺上一层碎石，然后在上面铺上一层光滑的 6 英寸厚的沥青或混凝土层。州际公路等重型道路有时会在地基上再加一层岩石层。

4. 更多的沥青

20 世纪初，美国开始铺设我们现在所熟知的道路，用坚固的混凝土取代土路。但长途路线——比如 1923 年连接纽约和旧金山的林肯公路——有时并不比乡间泥泞的沟渠好。1919 年，陆军中校德怀特·艾森豪威尔与陆军车队一起乘坐林肯公路时，他有了一个想法：如果这样更好，而且到处都有这样的公路会怎样？艾森豪威尔当选总统后，策划了州际公路系统，该系统耗时 30 年铺设了 45,000 多英里的路面。

现在：我们的车轮下有什么

1. 坚实的基础

种族隔离时期的南非受到制裁，并在经济上被许多其他国家孤立，这使得购买一条高速公路所需的沥青成本高得令人望而却步。因此，该国的工程师想出了一个非传统的解决方案，它不仅更便宜，而且与传统方法一样有效。南非设计师没有铺设薄薄的砾石基层，而是依靠一层约一英尺厚的石头（注入水泥）作为道路的基础，然后在上面铺设一条 2 英寸厚的沥青条。20 世纪 90 年代种族隔离结束后，贸易开放了，但没有人竞相重新铺设该地区的道路：这些独特的高速公路被证明与其他国家的高速公路一样坚固和有弹性。这种聪明而有效的解决方法成为世界各地交通官员着迷的话题。

2. 低摩擦沥青路面

真正设计精良的道路不仅能经受住雨水、阳光和轮胎磨损的考验，还能让过往车辆驾驶起来更加轻松、清洁。在丹麦，政府研究人员将测试 30 多英里的高速公路，这些高速公路采用环保沥青铺设，可最大程度减少与轮胎的摩擦。为了降低所谓的“滚动阻力”，设计师在沥青上层嵌入了异常小的石子（有时直径不到四分之一英寸），使路面更加光滑。汽车可以滑行更长时间，因此驾驶员需要减少油门频率以保持稳定的速度。踩油门的次数越少，油耗就越低，有助于减少排放。丹麦在这些街道上每投资 100 万美元，驾驶员就可以节省约 4000 万美元的燃油成本。

3. 石灰石基地

德国拥有完善的无速度限制高速公路网络，堪称世界一流。其秘诀就是：钱。该国每条 8,000 多英里的高速公路每年都要花费联邦政府近 100 万美元进行维护。正如人们所说：花钱是为了省钱，而德国的道路建设预算意味着更好的材料，从长远来看，这些问题会更少。

这些公路不仅比美国普通公路厚两倍，而且其两侧的沟渠都是坚固的石灰岩，而不是土壤或沙子等更常见的材料。（二战期间，政府计划将几段公路兼作飞机跑道，因此有些路段实际上足够厚实和坚固，可以承受飞机降落时产生的冲击力。）每条高速公路的顶部都铺有高品质混凝土。

由于其韧性强，这些道路更安全、更安静、更适合汽车通行，而且比美国路面平均使用寿命长 20 年。尽管德国的国土面积不如美国，但其高速公路网络却十分密集——如果将所有高速公路首尾相连，其长度将达到地球总长度的三分之一。

4. 冰路/盐路

特别寒冷或干燥的地方可以拥有由非常规材料制成的林荫大道。在智利等干旱国家，政府有时会跳过沥青路面，而用一种名为水氯镁石的盐化合物覆盖道路，这种盐化合物天然存在于阿塔卡马沙漠中。它不会像沙路那样产生尘土飞扬，而且罕见的降雨有助于这种可溶物质留在原地。在较冷的北方气候中，从 1 月到 4 月，冰冻的河流成为连接原本孤立的城镇的通道。但随着气温升高，它们每年融化得更早。

5. 新兴沥青替代品

橡皮

节省油性沥青最简单的方法之一就是将填埋场的轮胎和其他弹性材料碾碎，然后将其混合到柏油路面中。橡胶公路的使用寿命几乎是传统公路的两倍，而且噪音也降低了 50%。此外，橡胶在极端高温下不会开裂，因为与硬沥青不同，橡胶可以膨胀和收缩。加利福尼亚、西班牙和德国都使用橡胶路面，而日本现在约五分之一的国家公路都使用这种弹性材料。

塑料

2015 年，印度政府要求各城市用融化的塑料垃圾填补路面坑洼。这项技术启发了苏格兰工程师托比·麦卡特尼 (Toby McCartney) 创立塑料道路初创公司 MacRebur Ltd.，该公司旨在利用堵塞垃圾填埋场的材料修建小路。通过将数千个汽水瓶磨成颗粒，并将其与标准沥青混合，麦卡特尼将通常的铺路材料成本降低了 25%，同时还减少了浪费。

食物残渣

一些研究人员正在研究更诱人的石油替代品。大豆、食用油甚至用过的咖啡渣等烹饪垃圾都可以提高沥青的粘合力；这些材料的有机性质使它们能够以与沥青相同的方式氧化。这种做法还应减少新建筑的总体碳足迹。但不要指望很快就能在出口处闻到咖啡的香味：可食用的剩菜可能只会取代一条全功能道路所需的一小部分粘性沥青。

6. 碎石回归

由于美国各地的小城镇都面临严重的预算短缺，一些城镇发现自己没有足够的资金来修路。至少有 27 个州的地方政府采取了一种粗暴的解决方案。他们没有重新铺设受损的道路，而是直接拆除路面——剥去所有沥青，留下一大片松散的岩石。

虽然鹅卵石路面会产生堵塞喉咙的灰尘，而且在雨中会变得有点脏乱，但它们在交通不繁忙的道路上还是不错的。虽然担心尖锐的小石头会磨损你的固特异轮胎是正确的，但一些专家认为，破损沥青路面上的超大坑洞对驾驶员的危险性要比普通的碎石路面大得多。任何形成的凹坑都更容易修复，也更便宜：你只需要再找一些石头把坑填上。

未来：前进的道路

1. 自我修复

温度和湿度的变化意味着裂缝总是在形成，我们往往不知道它们在哪里，直到它们真的变得很危险。但如果高速公路可以自我修复会怎么样？科学家们正在试验各种修补裂缝的路面。在荷兰，代尔夫特理工大学的研究员埃里克·施兰根在一段沥青路面上铺上钢丝绒纤维基质，使路面变成一个巨大的导体。当裂缝开始形成时，政府会用一辆卡车将一块巨大的磁铁经过，这会使金属收缩，从而填补裂缝。

荷兰已经在十几条道路上使用了 Schlangen 的钢丝网，但更激进的解决方案也在酝酿中。中国天津职业技术学院的苏俊峰曾与 Schlangen 合作过，他曾在几条天津街道上试验散布一种名为“再生剂”的膨胀化学聚合物小胶囊。每当裂缝开始形成时，胶囊就会膨胀填补裂缝。这种修补工作可以阻止道路腐烂，同时使老化的路面不那么脆——这意味着它以后不太可能再次开裂。

2. 适应气候变化的创作

全球变暖导致的极端高温是美国各地司机面临的最大威胁之一。高温会导致沥青更快开裂，这意味着炎热地区的路面腐烂速度比政府修复的速度要快。虽然西南部将经历最炎热的日子，但中西部的道路也可能受到影响——它们根本不耐高温。

一些城市，例如洛杉矶，已经开始将沥青路面漆成浅色，以减少阳光的吸收。但要防止未来出现裂缝，可能需要新材料。

随着暴风雨和海平面上升引发越来越大、越来越频繁的洪水，从格鲁吉亚到柬埔寨的沿海地区传统排水系统不堪重负。迈阿密是世界上最容易受海平面上升影响的城市之一，它已经开始采取预防措施，比如将道路抬高，建造数十座防洪泵站。但像伯利兹这样的低洼国家可能不得不翻新现有的大部分基础设施。英国初创公司 Topmix 正在试验可吸收数千加仑雨水的透水路面；他们的混合物省去了通常的细碎石层，让水分渗入下面的泥土中。

3. 专业机器人设计

虽然早期车型可能还存在一些容易发生碰撞的隐患，但无人驾驶汽车即将问世。它们最终将改变我们的街道。例如，一旦车道不再需要适应颤抖的人手，车道就会变得更窄。道路也必须变得“智能”，通过嵌入式传感器而不是更传统的视觉提示传达指令。无线电发射器可以取代红绿灯的通行权规定，卫星信号可以代替路标标记绕行路线。工程师还必须找到新方法来管理高速公路沿线的施工区——汽车摄像头很难知道哪些信息（从锥形物到手势信号再到路障）比其他信息更重要。一些初创公司，如诞生于加州大学伯克利分校的 Hyperlane，已经为高速公路升级制定了新颖的提案，例如无人驾驶专用车道。时间不多了：据估计，机器人出租车和公交车队可能会在未来十年内涌现。

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4.太阳能电池板

随着时间的推移，人类对能源的需求越来越大：到 2050 年，全球能源消耗可能会增长约 25%，相当于每年近 1500 亿桶石油。所有这些能源都需要从某个地方获取——因此，一些工程师想知道，为什么不从我们的街道上获取呢？开放的道路往往会吸收大量阳光，如果你曾经赤脚踩在柏油路上，你肯定知道这一点。这些温暖的阳光可以为你的洗碗机提供动力。2017 年，中国开通了一段长达一英里的“太阳能高速公路”，即一堆太阳能板，固定在一种类似塑料的聚合物下面，其厚度足以承受一辆汽车的重量。阵列中产生的能量可以传输到上方的路灯或附近的房屋。爱达荷州的初创公司 Solar Roadways 已经测试了类似的技术，但两个原型都面临着严重的财务障碍：一平方米的成本是相同宽度普通沥青的 90 多倍。