瀝青混合料對水環(huán)境的影響

陳 俊，張倩倩，黃曉明，吳建濤，劉 云

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

在日常生活中，瀝青類材料與水的接觸主要存在以下幾種方式：（1）瀝青類材料作為水池或水道管線的防水、防銹材料與水接觸；（2）房屋屋頂和建筑物地下工程的防水常使用瀝青類材料；（3）降雨條件下，城市道路、高速公路的瀝青路面與水接觸.上述3種方式中，最后一種方式由于受到車輛荷載與水引起的動水壓力影響，使水與瀝青路面的作用較前2 種方式更為顯著，相互影響程度也更劇烈.

正是基于上述原因，降水條件下雨水與瀝青路面的相互作用長期以來都是道路工作者研究的熱點.但以往的研究主要分析瀝青混合料受到水作用后的強度降低、集料與瀝青黏附性的減弱等路面水損害問題［1－2］，而關(guān)于瀝青路面或者瀝青混合料對雨水性質(zhì)的影響目前還未得到深入和系統(tǒng)的研究.另一方面，近年來隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對自然環(huán)境越發(fā)關(guān)注，其中瀝青類材料對人體的危害正逐漸受到人們的重視［3－4］.目前，已知瀝青及其煙氣對皮膚黏膜具有刺激性，有一定的光毒作用和致腫瘤作用，而關(guān)于水與瀝青混合料接觸后水質(zhì)的變化尚未有系統(tǒng)研究.

為此，本文以水為研究對象，研究瀝青混合料對水質(zhì)的影響.首先，在實驗室內(nèi)成型瀝青混合料的馬歇爾試件，成型試件時考慮了瀝青標號、空隙率大小、抗剝落劑是否添加等因素；然后制備具有不同pH 值的水樣；最后把試件浸泡在水樣中，在真空飽水一定時間后，測試水樣的各項指標，分析瀝青混合料對水質(zhì)的影響.

1 試樣制備

1.1 瀝青混合料的馬歇爾試件

瀝青：殼牌70＃和90?；|(zhì)瀝青；集料：石灰?guī)r；馬歇爾試件采用AC－13和AC－16兩種級配.為了考察瀝青混合料空隙率對水質(zhì)的影響，馬歇爾試件的空隙率φP1）文中所涉及的空隙率為體積分數(shù)；油石比等均為質(zhì)量分數(shù).擬定為6%和10%，所對應(yīng)的油石比如表1所示.

表1 AC－13和AC－16級配Table 1 Gradations used for AC－13and AC－16

使用抗剝落劑可以有效增強集料與瀝青之間的黏附性.為了研究添加抗剝落劑后的瀝青混合料對水質(zhì)的影響，本文選擇消石灰填料（以1.5%的消石灰作為填料等質(zhì)量替代礦粉）作為抗剝落劑.在綜合考慮瀝青混合料級配、空隙率、瀝青標號和抗剝落劑的影響后，本文設(shè)計了如表2所示的10組瀝青混合料試件.

表2 10組瀝青混合料試件Table 2 Ten groups of asphalt mixture samples

1.2 水樣的制備與檢測

用于試驗的水樣分為2組：（1）生活用自來水的1＃水樣；（2）考慮到酸雨在中國多數(shù)工業(yè)發(fā)達城市比較普遍，且多以硫酸雨為主，而一般酸雨的pH 值在5.6以下［5－6］，因此本文在生活用自來水中添加硫酸鹽，配制成pH 值為5.0的2＃水樣.此外，水樣的溫度統(tǒng)一為20℃.

考慮到集料多為堿性、瀝青為酸性且含有重金屬元素的特點，并參照國外關(guān)于瀝青防水涂層對水質(zhì)的影響分析［7－10］，以及GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的水質(zhì)常規(guī)指標，本文選擇了pH值、耗氧量、總硬度、硒含量和砷含量這5個指標用于水質(zhì)分析.委托某疾病預(yù)防控制中心對1＃水樣進行了測試，結(jié)果見表3.需要說明的是，由于后續(xù)測試的水樣都是在水與瀝青混合料相互作用后提取的，故為保證橫向比較的準確性，對1＃水樣的水質(zhì)進行測試前先將其倒入瀝青混合料與水相互接觸的容器后再行提取，因此水可能受到容器壁的污染，導(dǎo)致其耗氧量高于GB 5749—2006 規(guī)定的限值.另外，表2所示的每組瀝青混合料均包括2個試件，每組水樣也包括2份，1個試件在1份水樣中浸泡后再測試水質(zhì)，由此可以得到2個測試值，結(jié)果取其均值.

表3 1＃水樣測試結(jié)果Table 3 Results of 1＃ water sample

2 瀝青混合料對水質(zhì)的影響

降水條件下，水與瀝青混合料的相互作用過程可以認為是：雨水通過路表或空隙與瀝青混合料相接觸；在接觸或浸泡一段時間后，瀝青混合料的力學(xué)性能出現(xiàn)劣化，其中各類物質(zhì)或成分遷移至水中，造成可能的水污染.為了模擬上述相互作用的過程，本文首先成型表2所示的10組瀝青混合料馬歇爾試件，其中摻加消石灰試件的成型工藝為：先將消石灰摻加在集料中攪拌均勻→加瀝青攪拌→加礦粉攪拌→擊實成型；然后把各試件放入1＃和2＃水樣中，對浸泡試件的容器抽真空，參照JTG E70—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中飽水率試驗相關(guān)規(guī)定，在真空度97.5kPa條件下飽水24h；最后取出瀝青混合料試件，測試被試件浸泡24h之后的水質(zhì).

實際情況下，水與路面瀝青混合料的接觸會受到車輛荷載引起的動水壓力作用，選擇真空飽水方式可使水與瀝青混合料充分接觸和作用，而真空飽水的時間選擇24h，主要是考慮到一些城市路段中，雨水降落到路表后并不能順暢排出，路表積水1d是比較常見的現(xiàn)象.

以下按照pH 值、耗氧量、總硬度、硒和砷含量，對被瀝青混合料浸泡24h 之后的水質(zhì)變化進行分析.

（1）pH 值圖1為被10組試件浸泡24h之后，1＃及2＃水樣的pH 值，其中縱坐標原點為1＃水樣原液的pH 值.由圖1可見，1＃水樣被各組試件浸泡后，其pH 值都高于8.3；2＃水樣被各組試件浸泡后，其pH 值都高于5.0，這說明浸泡瀝青混合料后水的堿性有較大幅度的提高.原因可能是本文試驗采用的礦料和填料為堿性的石灰?guī)r，瀝青混合料在拌和過程中可能有部分礦料和礦粉的部分表面沒有完全被瀝青裹覆，這些未完全裹覆瀝青的堿性集料在真空飽水24h后會引起水樣pH 值的升高.

圖1 浸泡瀝青混合料24h后的水樣pH 值Fig.1 pH values of water samples after immersing asphalt mixture for 24h

另一方面，被不同試件浸泡后，水樣的pH 值有較大差異，表現(xiàn)為：（a）與空隙率大的試件相比，被空隙率小的試件浸泡24h 后，水樣的pH 值增幅較小.這可能是由于本文試件的空隙率是由瀝青用量來控制的，空隙率越小、裹覆集料的瀝青用量越多，則集料堿性對水的影響越小，故其pH 值增幅越小.（b）在試件空隙率相同時，級配對浸泡后水樣pH 值的影響不大.（c）被使用抗剝落劑的E和J試件浸泡后，水樣的pH 值增幅較小，表明使用抗剝落劑可降低瀝青混合料對水質(zhì)的不良影響.原因是消石灰有效增強了集料與瀝青之間的黏附性，降低了瀝青在真空飽水條件下因剝落引起集料裸露的可能性.需要說明的是，由于瀝青混合料拌和過程中消石灰和集料先與瀝青攪拌，然后再添加礦粉攪拌，可以認為消石灰被瀝青裹覆的程度要好于礦粉.這也是盡管作為抗剝落劑的消石灰具有很強的堿性，但被E 和J試件浸泡后的水樣pH 值增幅較小的主要原因.從這個意義上來說，若為了降低瀝青混合料對水質(zhì)pH 值的影響而使用消石灰作為抗剝落劑的話，則消石灰在瀝青混合料拌和時要先于礦粉添加.（d）被各組試件浸泡24h后，酸性的2＃水樣pH 值略小于1＃水樣，考慮到1＃和2＃水樣原液的pH 值分別為8.3和5.0，則因浸泡瀝青混合料而導(dǎo)致2＃水樣pH值增大的幅度要大于1＃水樣pH 值增大的幅度，即從pH 值變化幅度看，酸性水質(zhì)受瀝青混合料的影響更大.

（2）化學(xué)耗氧量 瀝青是有機物的一種，瀝青混合料對水體的污染不僅表現(xiàn)在pH 值的變化上，還可能表現(xiàn)為水體中有機物含量的提高，導(dǎo)致水體出現(xiàn)有機物污染.化學(xué)耗氧量是評價有機物污染程度常用的指標之一.本文按照GB 5749—2006 的規(guī)定，采用堿性高錳酸鉀法測定了2種水樣真空浸泡瀝青混合料24h 后的化學(xué)耗氧量，結(jié)果如圖2 所示，其中縱坐標值4.6mg／L為1＃水樣和2＃水樣未接觸瀝青混合料時的化學(xué)耗氧量.

圖2 浸泡瀝青混合料24h后的水樣耗氧量Fig.2 Oxygen demand of water samples after immersing asphalt mixture for 24h

由圖2不難看出，被瀝青混合料浸泡后的水樣化學(xué)耗氧量高出水樣原液化學(xué)耗氧量的3～4倍，說明水中有機物含量在浸泡瀝青混合料24h之后顯著增大.另一方面，被瀝青混合料浸泡之后的2種水樣耗氧量略有差異，2＃水樣的耗氧量稍高于1＃水樣，原因可能是相對于中性的1＃水樣，瀝青中有機物更容易遷移到偏酸性的2＃水樣中.另外還可看出，與空隙率為10%的其他試件相比，被空隙率為6%的A，C，F(xiàn)，H 試件浸泡后的水樣耗氧量略小.這是由于試件空隙率越小，與水樣接觸的瀝青表面積越小，瀝青中有機物向水樣遷移的數(shù)量就越少.這說明提高水樣的pH 值至中性和降低瀝青混合料的空隙率這2種措施都可以在一定程度上降低有機物從瀝青遷移到水樣中的數(shù)量.

綜上所述，瀝青結(jié)合料是導(dǎo)致水樣中化學(xué)耗氧量增大的主要原因；集料級配和使用消石灰作為抗剝落劑對水樣耗氧量的影響不明顯.通過降低混合料空隙率、適當提高水樣的pH 值至中性、縮短瀝青與水樣的浸泡時間等方式，可以降低水樣中有機物含量.

（3）總硬度 總硬度是評價水質(zhì)的一個重要指標，它主要通過鈣離子含量來描述.通過監(jiān)測總硬度，可以知道所用的水是否可以用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活，如硬度高的水可使洗滌劑的效用大大降低；燒鍋爐時易堵塞管道，引起鍋爐爆炸事故；高硬度的水難喝、有苦澀味，飲用后甚至影響胃腸功能等.由于瀝青混合料中的礦料主要成分為碳酸鈣，與水接觸后其中的鈣離子很可能遷移到水中，因此本文對水樣的總硬度也進行了測試.圖3為被瀝青混合料浸泡24h之后，2種水樣中的總硬度.

圖3 浸泡瀝青混合料24h后的水樣總硬度Fig.3 Total hardness of water samples after immersing asphalt mixture for 24h

由圖3可見，被10組瀝青混合料浸泡24h后，2種水樣的總硬度都大于1 000 mg／L，高于GB 5749—2006規(guī)定的小于450mg／L 的標準.考慮到2 種水樣在浸泡瀝青混合料之前的總硬度均為330mg／L，這就說明在真空飽水條件下，礦料中的許多鈣離子已經(jīng)遷移到水樣中.另一方面，被摻加消石灰作為抗剝落劑的E和J試件浸泡24h后，水樣總硬度總體上略小于被其余試件浸泡24h后的水樣總硬度，這說明抗剝落劑的使用能夠在一定程度上減小礦料中鈣離子的遷移.此外，考慮到浸泡瀝青混合料后的水樣pH 值和總硬度的增大都是由于礦料對水的作用所致，為此本文考察了被各組試件浸泡24h之后，水樣的pH 值增大倍數(shù)與總硬度增長倍數(shù)之間的關(guān)系，如圖4所示.其中，Ith為被瀝青混合料浸泡后的水樣總硬度與水樣原液總硬度的比值，IpH為被瀝青混合料浸泡后的水樣pH 值與水樣原液pH 值的比值.

圖4 水樣pH 值的增大倍數(shù)和總硬度增長倍數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between increased times of pH values and total hardness

由圖4可知，被瀝青混合料浸泡24h之后，2＃水樣的pH 值增長倍數(shù)在0.7以上，1＃水樣的pH值增長倍數(shù)在0.4之內(nèi)，說明瀝青混合料對酸性水樣pH 值的影響更大；無論是pH 值為5.0的2＃水樣，還是pH 值為8.3的1＃水樣，在浸泡瀝青混合料后其總硬度的增大倍數(shù)都為2.3～3.5，差異不大，由此說明瀝青混合料對水樣總硬度的作用不受水樣原液pH 值的影響；水樣pH 值的增大幅度與總硬度的增長幅度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，pH 值增大幅度越大，總硬度增長幅度越大.

綜上所述，導(dǎo)致水樣總硬度增大的主要因素為瀝青混合料中的礦料；水樣pH 值的變化與總硬度的變化具有線性相關(guān)性；抑制pH 值增長幅度的技術(shù)措施如摻加抗剝落劑，對抑制水樣總硬度的增大同樣有效.

（4）硒和砷含量 硒和砷是中國生活飲用水必須檢測的2項毒理指標.圖5為被瀝青混合料浸泡24h后的水樣砷含量.由圖5可見，水樣砷含量出現(xiàn)大幅度提高，且被A，C，E，F(xiàn)，H 試件浸泡后的水樣砷含量略小于被其他試件浸泡后的水樣砷含量，并滿足中國規(guī)范要求.由于A，C，F(xiàn)，H 試件的空隙率都為6%，說明采用較小的空隙率有利于降低水樣的砷含量.

圖5 浸泡瀝青混合料24h后的水樣砷含量Fig.5 Content of arsenic in water samples after immersing asphalt mixture for 24h

圖6為被各組試件浸泡后的水樣硒含量.由圖6可見，被瀝青混合料浸泡24h之后，水中硒含量有較大幅度的增長，且普遍高于GB 5749—2006中關(guān)于硒含量0.01mg／L 的限值.圖6只發(fā)現(xiàn)了浸泡瀝青混合料后水樣的硒含量大幅提高這一現(xiàn)象，難以得出水樣pH 值、消石灰、礦料級配、混合料空隙率等對硒含量影響的規(guī)律性，原因可能是硒既可能來源于瀝青結(jié)合料，也可能來自于礦料.因為瀝青同石油一樣，是復(fù)雜的有機混合物，沒有固定的化學(xué)成分，上述試驗所用瀝青可能含有硒元素；硒元素本身就是來自于礦石，上述試驗采用的石灰?guī)r也可能含有砷、硒這2種元素.可見，硒元素來源的復(fù)雜性導(dǎo)致了很難根據(jù)現(xiàn)有試驗結(jié)果，從瀝青混合料組成角度提出減緩水中硒含量增長的技術(shù)措施.

圖6 浸泡瀝青混合料24h后的水樣硒含量Fig.6 Content of selenium in water samples after immersing asphalt mixture for 24h

需要說明的是，通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)瀝青混合料對水質(zhì)的影響較大，但這與其在路面上的應(yīng)用并不矛盾，主要原因有：（a）為了模擬動水壓力作用，本文試驗采取了真空飽水24h的方式，而實際路面中，水與瀝青的接觸不可能出現(xiàn)24h真空的惡劣條件，即本文試驗結(jié)果是在瀝青與水相互作用十分劇烈的極端惡劣條件下取得的，實際情形要相對緩慢；（b）本文試驗只采用70＃和90＃兩種基質(zhì)瀝青，而路面實際采用的瀝青品種很多，混合料的結(jié)構(gòu)形式也較多；（c）調(diào)整瀝青混合料的空隙率、摻加消石灰等可以降低瀝青混合料對水樣的影響程度，是否具有其他技術(shù)措施可用于瀝青混合料設(shè)計、路面施工中，以減緩瀝青混合料對水環(huán)境的影響有待進一步研究.由此說明，水與瀝青混合料的不同接觸條件、改性瀝青混合料、混合料結(jié)構(gòu)形式等對水質(zhì)的影響，值得進一步研究.

3 結(jié)論

（1）被瀝青混合料浸泡24h之后，水質(zhì)出現(xiàn)了不同程度的污染，表現(xiàn)為水質(zhì)的pH 值增大，水的耗氧量和總硬度提高，水中硒和砷元素含量增大，多數(shù)指標都不符合國家關(guān)于生活用水的規(guī)定.

（2）被瀝青混合料浸泡24h之后，中性水樣pH值增大0～0.4 倍，pH 值為5.0的酸性水樣其pH值則增大0.7～1.3倍.添加消石灰和降低瀝青混合料的空隙率可以有效降低水樣pH 值的增大幅度.

（3）被瀝青混合料浸泡24h之后，水樣的化學(xué)耗氧量增大3～4倍.通過降低瀝青混合料空隙率、適當提高水樣pH 值至中性等方式，可以降低水樣中有機物的含量.

（4）被瀝青混合料浸泡24h之后，水樣的總硬度增大3～4倍；pH 值增大幅度與總硬度增大幅度呈線性關(guān)系.在瀝青混合料中添加消石灰能在一定程度上降低水樣總硬度的增長幅度.

（5）被瀝青混合料浸泡24h之后，水中硒和砷含量有較大幅度的增長，尤其是硒含量普遍高于國家標準.采用空隙率較小的瀝青混合料有助于減小水樣中砷含量的增大幅度.

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