基于減少路表徑流污染的多孔瀝青混合料設(shè)計

解曉光，王 龍

（哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱150090）

多孔瀝青混合料作為瀝青路面面層材料，具有良好的吸聲降噪、提高雨天交通安全、減小地表徑流量及蒸發(fā)降溫、緩解城市熱島效應(yīng)的特點，作為透水路面的面層材料同時具有補給城市地下水的優(yōu)點.此外，研究表明［1］透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)可以有效地降低路面徑流中污染物的濃度，達到凈化水體的作用.但目前國內(nèi)外控制路面徑流污染的有效技術(shù)措施主要是因地制宜地采用滲坑、人工濕地和沉淀池等工程輔助方法，并未從多孔瀝青路面材料角度研究其控制徑流污染的功效和行為規(guī)律.因此，本文主要從基于減少路表徑流污染的角度研究多孔瀝青混合料的組成設(shè)計，明確多孔瀝青混合料不同孔隙結(jié)構(gòu)對其路用性能及徑流污染控制效能的影響規(guī)律，從而為多功能透水路面材料設(shè)計提供依據(jù).

1 研究方法

1.1 徑流污染的評價指標

已有研究成果表明［2－4］，公路徑流中的污染物有懸浮固體（SS）和有機污染物（COD）、重金屬、P和N營養(yǎng)物、氯化物、油和脂、農(nóng)藥和多環(huán)芳烴（PAHs）等，其中COD，SS是公路路面徑流最主要的污染物，其主要來源于輪胎磨損顆粒、筑路材料磨損顆粒、運輸物品的泄露、剎車連接裝置產(chǎn)生的顆粒及其他與車輛運行有關(guān)的顆粒物、大氣降塵及除冰劑等.因此本文確定路面徑流污染的評價指標為COD去除率和SS去除率，去除率越大表征去除水中有機污染物和懸浮固體的能力越強.

1.2 水樣的制備

影響降雨徑流污染物濃度的主要因素有降雨量、降雨強度、降雨歷時等，研究表明［3］，初期降雨徑流中污染物濃度較高，隨降雨歷時增加，徑流污染物濃度降低并趨于穩(wěn)定.本文為了區(qū)分不同孔隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料的去污效能，采用的是徑流初期的污染物濃度，根據(jù)已有研究成果確定了相應(yīng)的路面徑流污染物成分和數(shù)量［5－6］，在實驗室自行調(diào)配水樣.

1.3 成型方法

碾壓成型是形成瀝青混合料強度的關(guān)鍵步驟之一.研究表明，對于粗集料質(zhì)量分數(shù)大于60%的混合料，馬歇爾壓實標準偏低，振動壓實可明顯提高壓實標準［7］，同時考慮到試件成型應(yīng)反映現(xiàn)代機械裝備與工藝水平，因此本文采用振動成型方法，由自行設(shè)計的頻率、振幅與激振力等振動碾壓三要素可調(diào)的上置式振動壓實設(shè)備實現(xiàn)［8］.采用的最佳振動參數(shù)為：激振力7kN、頻率30Hz、振幅0.957mm、振動時間2.5min.試件尺寸為152mm×100mm.

2 可減少路表徑流量的目標空隙率

為了控制透水性瀝青路面地表徑流的產(chǎn)生，就要使透水性瀝青路面獲得最大的滲水和儲存雨水的能力.即

式中：Q′max為透水性瀝青路面獲得最大滲水和儲存雨水量，m3；Qj為路面地表徑流量，m3·s－1；t為降雨歷時，min.

對長度為L、單向車道寬度為B的透水性瀝青路面而言，有

式中：Qs為實際滲透量；tm為降雨持續(xù)最長時間；q′為單位時間透過試件截面流量，cm3·s－1；Ks為試件實際滲透系數(shù)，cm·s－1；J為透水性瀝青路面的合成坡度；F為透水性瀝青路面面積，m2，F(xiàn)＝LB.

因此，為了控制透水性瀝青路面地表徑流的產(chǎn)生，要求滿足下式：

即

式中，V為透水性瀝青混合料控制地表徑流產(chǎn)生的目標空隙率.

式中：Qj＝qψF，q為設(shè)計暴雨強度，m3·s－1·km－2，q＝16.7i；ψ為徑流系數(shù)，對于透水性瀝青路面，ψ＝0.7；i為設(shè)計重現(xiàn)期和降雨歷時內(nèi)的平均降雨強度，mm·min－1，i＝cpctq5，10［9］，在東北地區(qū)，按5年重現(xiàn)期降雨歷時30min計算，查得cp＝1.0，ct＝0.55，q5，10＝2.0，計算得i＝1.1.當Kb＝0.20V－2.76時，

由此，根據(jù)東北地區(qū)降雨特點，計算得到可控制地表徑流量的透水路面瀝青混合料的目標空隙率不小于15%.

3 基于減少徑流污染的瀝青混合料設(shè)計

瀝青路面要達到透水功能、控制路表徑流量，瀝青混合料的空隙率應(yīng)不小于15%，而空隙率大于30%時，瀝青混合料很難滿足行車條件下的力學指標要求.因此，本文考慮滿足控制路面徑流量以及路用性能的要求，初步確定瀝青混合料的空隙率范圍為15%～30%，并研究此空隙范圍內(nèi)瀝青混合料控制路面徑流污染的效能和力學性能.

3.1 材料組成

試驗采用的是石灰?guī)r集料，主要技術(shù)指標見表1，滿足高等級公路表面層對集料的要求.瀝青為普通瀝青西太AH－90和日本高粘度改性瀝青TPS.瀝青混合料級配設(shè)計采用的是體積設(shè)計法，主要考慮了3個影響因素［10］，即粗集料分布（骨架4）、細集料分布（泰波指數(shù)n＝0.65）、不同的填充系數(shù)（0.1，0.4，0.7和0.9），所得瀝青分別記為4－0.65－0.1，4－0.65－0.4，4－0.65－0.7和4－0.65－0.9，以設(shè)計出目標空隙率分別為15%，20%，25%和30%的瀝青混合料.具體級配如表2所示.

表1 集料技術(shù)指標Tab.1 Aggregate properties

表2 不同空隙瀝青混合料的級配Tab.2 Gradation of asphalt mixes with different voids

3.2 去污效能

對不同空隙結(jié)構(gòu)的普通瀝青混合料成型試件，使室內(nèi)調(diào)配的水樣通過試件，可以得到經(jīng)過不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料試件過濾的水樣.在此基礎(chǔ)上分別測定原水和過濾后水樣的COD值和SS質(zhì)量濃度，可得到COD和SS去除率，具體結(jié)果如圖1.

圖1 不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料去污效果Fig.1 The removal rate of asphalt mix with different void structures

由圖1可見，隨著瀝青混合料空隙率降低，COD和SS去除率升高.空隙率由28.5%下降至25.6%時，COD去除率提高87.7%，SS去除率可提高106.0%；當空隙率由25.6%下降至19.9%時，COD去除率可提高67.5%，SS去除率可提高21.4%；當空隙率達到20%左右再下降時，COD去除率變化不大.由此可見，隨著空隙率的減小，COD和SS去除率逐漸增大.這主要是由于COD和SS的去除效果依靠混合料內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)的吸附和截留作用，因此試件內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)分布是關(guān)鍵，空隙大，則固體懸浮物截留得少，而一些有機污染物附著在固體懸浮物上，相應(yīng)的有機污染物去除就少.隨著空隙率減小，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)截留固體懸浮物和有機污染物相應(yīng)增多，表現(xiàn)為COD和SS去除率隨之增大，只是不同階段增長幅度不同.由此，兼顧透水性和COD，SS去除效果確定瀝青混合料有效空隙率約為20%.

3.3 去污耐久性

為了了解不同空隙瀝青混合料有效的去污耐久性，室內(nèi)模擬年降雨量（根據(jù)調(diào)查資料可知哈爾濱地區(qū)年平均降雨量為500mm），對不同空隙結(jié)構(gòu)、不同瀝青類型的多孔瀝青混合料進行不同年數(shù)降雨量滲透，分析透水后雨水成分的變化，明確其去除有機物COD的效能，從而了解不同類型瀝青混合料的去污壽命.室內(nèi)分別模擬了1年、2年、3年和5年的降雨量，由此測得的試驗結(jié)果如表3和圖2所示.其中滲透時間指試件通過400ml水所用的時間.

由圖2可知，不同空隙結(jié)構(gòu)普通瀝青混合料和改性瀝青混合料經(jīng)過不同年限的降雨沖刷后其滲透性呈相似性變化.總體規(guī)律是：瀝青類型對滲透性影響不大，關(guān)鍵是級配類型和降雨總量的影響.隨著空隙率的降低，滲透性隨之降低，表現(xiàn)為滲透時間的延長.無論是什么樣的級配類型，其變化規(guī)律均是前3年降雨量后的滲透性沒有明顯變化，隨著降雨量模擬到5年時，試件的透水性明顯減弱，表現(xiàn)出滲透時間明顯增長.

表3 瀝青混合料經(jīng)過不同年限降雨量后的COD去除效果Tab.3 COD removal rate of aspalt mix after different________rainfal________________________________________lyears

圖2 瀝青混合料不同降雨年限的滲水情況Fig.2 Permeability of asphalt mixes after different rainfall years

這種規(guī)律同樣表現(xiàn)在COD去除率上（表3）.對COD去除效果而言，不同瀝青類型有差別，但沒有級配類型和降雨總量影響的顯著.對COD的去除率，關(guān)鍵還是空隙的微觀結(jié)構(gòu)起主要作用.其總體規(guī)律是：2年內(nèi)不同級配類型普通瀝青混合料的去除效果相當，COD去除率為40%～45%；改性瀝青的去除效果差別大些，為30%～47%.當試件經(jīng)過3年降雨量的滲透后，COD去除率差別較大，大小差別可達40%左右.但當降雨總量達到5年時，不論是何種瀝青和級配類型的混合料，其COD去除率均不大于17%，甚至有50%的混合料其去除率低于10%.從表3可以看出，試驗數(shù)據(jù)比較離散，這主要與瀝青混合料的空隙大小以及內(nèi)部空隙微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為瀝青混合料對COD的去除率主要是依靠內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)對污染物的截留作用而實現(xiàn)的.從表3中可見，空隙率相對小些的4－0.65－0.7和4－0.65－0.9在2年后COD去除率開始下降，是因為空隙率經(jīng)過2年的過濾作用后進一步減小了.而空隙率相對較大的4－0.65－0.4和4－0.65－0.1，由于本身空隙率較大，因此能夠承受更多年的過濾作用，表現(xiàn)為3年后COD去除率開始下降.表3變異性還跟每個試件內(nèi)部的微觀空隙分布有關(guān)，但總體上能夠看出來，不論是何種多孔瀝青混合料，5年時的COD去除效果明顯降低，幾乎不發(fā)揮作用了.

綜上所述，當降雨量達到5年時，各種級配類型瀝青混合料無論是滲透時間還是COD去除效果均有大幅度的降低，因此可初步得知，透水性瀝青混合料滲透和去除有機污染物的有效壽命為3年.

4 多孔瀝青混合料的力學性能

多孔瀝青混合料由于空隙增大，力學性能必然減小.為了在保證多孔瀝青混合料空隙結(jié)構(gòu)去污效能的同時提高其力學性能，進行了AH－90和TPS多孔瀝青混合料力學指標的對比研究.

4.1 抗壓強度和回彈模量

無側(cè)限抗壓強度在一定程度上能夠反映材料的承載力，回彈模量能夠反映材料的剛度，結(jié)果如圖3.

由圖3可知，無論是普通瀝青混合料還是高粘度改性瀝青混合料，其抗壓強度和回彈模量均隨著空隙率的增大而降低，當空隙率大于20%時，降幅明顯.對普通瀝青混合料而言，空隙率不大于20%時抗壓強度較大；大于20%時抗壓強度明顯降低，不能滿足道路承載的需要，因此普通道路瀝青混合料應(yīng)控制其空隙率不大于20%.高粘度改性瀝青可以明顯提高瀝青混合料的抗壓強度，各空隙結(jié)構(gòu)下抗壓強度提高幅度均大于30%，而且空隙率為25%時抗壓強度仍大于1.5MPa，能滿足基層承載的要求.但高粘度改性瀝青對回彈模量的提高貢獻不大.因此，從滿足承載角度來看，無論采用高粘度改性瀝青還是普通瀝青，瀝青混合料的空隙率應(yīng)控制在20%以內(nèi).

圖3 2種瀝青混合料的抗壓強度與回彈模量對比Fig.3 The contrast on compressive strength and elastic modulus between asphalt and high viscosity asphalt mixes

4.2 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗的動穩(wěn)定度指標能夠反映材料在高溫狀態(tài)下抵抗永久變形的能力，結(jié)果如圖4.

圖4 2種瀝青混合料的動穩(wěn)定度對比Fig.4 The comparison on dynamic stability between asphalt and high viscosity asphalt mix

從圖4可以看出，無論是普通瀝青還是高粘度改性瀝青混合料，動穩(wěn)定度總體變化規(guī)律均是隨著空隙率的增大而降低，但普通瀝青與高粘度改性瀝青混合料降低幅度有所差別.普通瀝青混合料4種空隙結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度值均大于800次·mm－1，說明骨架嵌擠發(fā)揮主要作用.采用高粘度改性瀝青，動穩(wěn)定度得到明顯提高，而且提高幅度很大，有的甚至超過200%，由此可見，高粘度改性瀝青抗車轍能力得到較大幅度的提高.從滿足抗車轍指標來看，4種空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料均能達到設(shè)計標準的要求.

4.3 水穩(wěn)定性

對4種不同空隙結(jié)構(gòu)的普通瀝青混合料進行了5次凍融循環(huán)的抗壓強度試驗（－20℃凍16h，20℃融8h為1個凍融循環(huán)），結(jié)果如圖5.

圖5 普通瀝青混合料殘留抗壓強度比Fig.5 The residual compressive strength of asphalt mixes

由圖5可見，多孔瀝青混合料隨著空隙率的增加凍融前后的無側(cè)限抗壓強度減少，而且這種減少程度隨空隙增加的變化較均勻.凍融后的抗壓強度總體略低于凍融前，但降低幅度不大，表現(xiàn)為殘留強度比較高，均大于90%.主要是因為多孔瀝青混合料具有較大且連通的空隙，水分進入后可以及時流出，空隙中保留的水分較少，使材料受凍脹的影響較小，表現(xiàn)為在凍融循環(huán)作用下抗壓強度損失較小.

5 結(jié)語

（1）根據(jù)東北地區(qū)降雨特點，計算得到可控制地表徑流量的透水路面瀝青混合料的目標空隙率應(yīng)該不小于15%.

（2）瀝青混合料隨著空隙率增大，COD和SS去除率降低.多孔瀝青混合料對徑流污染的去除效果主要是通過內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)的滲透、截留、吸附作用達到的.空隙太大，導致污染物隨著水體流走，達不到凈化的作用.因此適宜的空隙率為20%左右.

（3）通過模擬年降雨量試驗可知，不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料的滲透時間隨著年份的增加而延長，超過3年時，明顯延長.而COD去除率隨著年份的增加而降低，超過3年時，降低幅度顯著.因此多孔瀝青混合料滲透和控制徑流污染的有效壽命為3年.

（4）從滿足承載能力、高溫抗變形能力、水穩(wěn)定性等角度出發(fā)，多孔瀝青混合料的空隙率應(yīng)不大于20%.

（5）多孔瀝青混合料主要是依靠混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)達到控制徑流污染的功效，因此采用何種瀝青（普通瀝青或高粘度改性瀝青）對其控制徑流污染性能影響不大，而對力學性能影響較大.

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