細觀空隙特征對透水瀝青面層去除徑流中Pb2+的影響機制研究

趙 曜，佟 蕾，朱亞婷，魏 洋

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

隨著現(xiàn)代公路交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，由道路交通導(dǎo)致的非點源污染日益嚴重。作為非點源污染的重要組成部分，路面徑流因其中的固體懸浮物(suspended solids，SS)和重金屬(例如，Pb、Zn、Cu、Cd)[1-2]等污染物含量高，未經(jīng)處理排入受納水體，對路域環(huán)境造成持久危害。趙劍強等[3]的研究表明，道路沿線的河水水質(zhì)受道路交通活動影響顯著，路面徑流污染負荷高是造成河水水質(zhì)劣化的重要原因。晴天時，河水水質(zhì)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水質(zhì)要求；但在降雨期間，河水中SS濃度為晴天時的4倍多，大大超過Ⅲ類水質(zhì)標準限值。另外，路面徑流對河水中重金屬的貢獻率極高，而路面徑流中的Pb主要來源于機動車尾氣排放、輪胎磨耗、燃料和潤滑油滴漏以及制動器磨耗[4]。由于Pb在環(huán)境中不易被降解且能在生物體內(nèi)累積，通過食物鏈最終對人類健康造成損害。因此，加強對路面徑流Pb污染的控制顯得尤為緊迫和必要。

B. MAESTRI等[5]的研究表明采用透水瀝青路面技術(shù)，可大大降低路面徑流中多種污染物的濃度。透水瀝青路面由于各結(jié)構(gòu)層均呈多孔構(gòu)造，路面徑流在下滲過程中，通過空隙結(jié)構(gòu)的過濾、吸附和截留等作用，起到減少徑流中的有機物、SS和重金屬等污染物數(shù)量[6]，是一種生態(tài)環(huán)保型鋪裝結(jié)構(gòu)。一份來自美國德克薩斯州和北卡羅來納州的試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)表明[7]，透水瀝青面層與傳統(tǒng)密實面層相比，可減少徑流中90%以上的SS，同時有效減少Pb、Zn、Cu等重金屬。M. LEGRET等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，被透水瀝青路面截留的重金屬(Pb、Zn、Cu、Cd)主要累積在路面結(jié)構(gòu)上部，這說明透水瀝青路面面層對重金屬的去除起主要作用。此外，透水瀝青路面還具有吸聲降噪、蒸發(fā)降溫、補給地下水等優(yōu)勢，很好地體現(xiàn)了“與環(huán)境和諧共生”的理念，在國內(nèi)外得到較好應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對透水瀝青路面的研究主要集中在設(shè)計方法、降噪性能、透水性能等方面，較少涉及路面徑流污染控制效能方面。且已有的相關(guān)研究并未考慮路面宏觀材料組成對細觀空隙結(jié)構(gòu)的影響及對路面徑流污染控制效能的影響。為此，筆者基于多孔瀝青混合料的空隙結(jié)構(gòu)特點，以南京地區(qū)降雨特征為例，深入研究透水瀝青路面面層空隙結(jié)構(gòu)對路面徑流中Pb2+的控制效能及控制機制，為南京地區(qū)處理路面污染徑流提供參考，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1 空隙結(jié)構(gòu)特征

1.1.1 試件成型

據(jù)解曉光等[9]推薦的基于有效控制地表徑流量的多孔瀝青混合料的目標空隙率(不小于15%)，筆者按照CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》[10]規(guī)定方法設(shè)計目標空隙率分別為16%、20%的2種 PAC-16多孔瀝青混合料，如表1。采用SBS高黏度改性瀝青，用擊實法(雙面各50次)成型馬歇爾試件。

表1 研究采用的大空隙瀝青混合料級配Table 1 Gradations of the open-graded mixture used in this study

1.1.2 CT掃描和圖像處理

采用德國Yxlon公司生產(chǎn)的Precisionll型二級工業(yè)CT掃描儀，獲取多孔瀝青混合料試件沿高度方向的圓截面圖像，相鄰兩張圖像的間距為0.1 mm。由于相鄰兩張圖像中空隙的所在位置、大小和邊界無明顯變化，故研究時按等間距(1.8 mm)選取36張掃描圖像作為分析對象。

采用VGStudio MAX2.2和MATLAB軟件對獲取的CT圖像進行處理和分析。首先，用VGStudio MAX2.2軟件進行圖像處理，得到等效直徑、空隙數(shù)量、面空隙率、單位比表面積等特征參數(shù)的參數(shù)值；然后，用MATLAB軟件進行分析、計算，得到分形維數(shù)的參數(shù)值。

1.1.3 特征參數(shù)選取

筆者采用等效直徑、空隙數(shù)量、面空隙率、單位比表面積和分形維數(shù)作為描述空隙特征的特征參數(shù)。

1)面空隙率(VV)：瀝青混合料馬歇爾試件每0.1 mm厚度內(nèi)空隙體積占混合料總體積的百分率，%，如式(1)：

(1)

式中：V1為0.1 mm厚度內(nèi)空隙總體積，mm3；V0為瀝青混合料總體積，mm3。

2)等效直徑(D)：指與形狀不規(guī)則的空隙體積相等的相應(yīng)球體的直徑，如式(2)所示，其大小受空隙體積和空隙數(shù)量共同影響。

(2)

式中：V1為0.1 mm厚度試件中空隙總體積，mm3；N為圓截面空隙數(shù)量，個。

3)單位比表面積(δ)：單位體積空隙具有的總表面積，即空隙總表面積A與總體積V1之比，如式(3)。

(3)

式中：A為0.1 mm厚度試件中空隙總表面積，mm2；V1為0.1 mm厚度試件中空隙總體積，mm3。

4)分形維數(shù)(Dc)：分形維數(shù)是分形的定量表征，是定量描述瀝青混合料空隙復(fù)雜程度與空間填充能力的基本參數(shù)，通常用分數(shù)或小數(shù)表示如式(4)。引入分形維數(shù)主要用于定量描述多孔瀝青混合料空隙表面的復(fù)雜程度和空間可填充能力。

(4)

式中：r為方格邊長；N(r)為被測圖形的方格個數(shù)。

5)空隙數(shù)量(N)：指多孔瀝青混合料試件每張圓截面圖像中的空隙數(shù)量，引入此參數(shù)用以研究空隙數(shù)量沿試件高度方向的變化規(guī)律。

1.2 試驗裝置及方法

1.2.1 試驗裝置設(shè)計

研究使用自行開發(fā)的人工模擬降雨系統(tǒng)在室內(nèi)模擬一次自然降雨過程。如圖1，人工模擬降雨系統(tǒng)主要由模擬降雨器、水箱、控制系統(tǒng)和路面結(jié)構(gòu)面層試驗箱等4部分組成。

圖1 人工模擬降雨系統(tǒng)示意Fig. 1 Schematic of artificially simulated rainfall system

1.2.2 人工合成雨水制備

為研究具有不同空隙結(jié)構(gòu)的多孔瀝青混合料對徑流中Pb2+的控制效能，試驗使用人工合成雨水，其優(yōu)點是：水質(zhì)穩(wěn)定且易于配制，適合進行水質(zhì)分析，并能保證試驗結(jié)果的可靠性。

在B. MYERS和B. DAVIS等[11-13]配制人工合成雨水方法的基礎(chǔ)上，查閱2005—2015年南京市降雨歷史數(shù)據(jù)及南京范圍內(nèi)路面徑流污染物成分和濃度的相關(guān)文獻[14-15]，以此作為配制人工合成雨水的依據(jù)，在實驗室配制雨水。據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16]，原子吸收分光光譜法測定鉛的濃度適用范圍是0.2～10 mg/L，筆者選取文獻濃度的最大值作為配制人工合成雨水的濃度。具體配制方法及目標物濃度如表2。

表2 人工合成雨水的配制及目標污染物濃度Table 2 Preparation of synthetic rainwater and concentration oftarget pollutants

1.2.3 降雨模擬

1)雨量設(shè)計

根據(jù)南京市近10年降雨特點，選用設(shè)計降雨重現(xiàn)期5 a，設(shè)計降雨歷時2 h(120 min)，由《南京市暴雨強度公式(修訂)差算表》查得設(shè)計降雨強度i=0.631 mm/min。

2)雨型設(shè)計

采用芝加哥暴雨過程線模型對設(shè)計降雨進行時程分配。按照時間順序，芝加哥暴雨過程線模擬的峰前時間序列i(tb)和峰后時間序列i(ta)分別為

(5)

(6)

式中:i(tb)為芝加哥暴雨過程線模型的峰前瞬間降雨強度，mm/min；i(ta)為芝加哥暴雨過程線模型的峰后瞬間降雨強度，mm/min；a為芝加哥暴雨過程線模型參數(shù)；r為雨峰系數(shù)，一般取0.35～0.45。

設(shè)計降雨重現(xiàn)期為5 a時，芝加哥降雨模型中的參數(shù)為

a(5)=64.300+53.800×lg 5=101.904 6

取雨峰系數(shù)r=0.4，同時將上述參數(shù)分別帶入式(5)和式(6)，計算得到采用芝加哥降雨過程線模型構(gòu)建的南京市5年一遇降雨強度、降雨歷時為120 min的降雨情景，如圖2。

圖2 典型降雨過程Fig. 2 Typical rainfall process

3)降雨模擬

將配制好的人工合成雨水按照設(shè)計雨型進行模擬降雨，取每個試件的滲透出流進行水質(zhì)分析，與原水樣進行比較，以確定多孔瀝青混合料對路面徑流中Pb2+的控制效能。

1.3 測定方法

采用原子吸收光譜法(atomic absorption spectroscopy，AAS)測定水樣中的Pb2+含量。

2 試驗結(jié)果

2.1 空隙沿試件高度方向的分布特征

不同目標空隙率下，各特征參數(shù)沿試件高度方向的變化規(guī)律如圖3。

圖3 各特征參數(shù)沿試件高度方向的變化規(guī)律Fig. 3 Variation rules of characteristic parameters changing with the height direction of specimen

2.2 滲透出流中Pb2+含量

采用前述方法，進行室內(nèi)人工模擬降雨試驗，用原子吸收光譜法測定多孔瀝青混合料試件的滲透出流中Pb2+含量，結(jié)果如圖4。

圖4 Pb2+濃度隨降雨時間的變化Fig. 4 Variation of Pb2+ changing with rainfall time

3 結(jié)果分析

由圖4可知，在降雨開始后35～55 min內(nèi)，目標空隙率為20%試件的滲透出流Pb2+濃度大于16%試件；55～75 min內(nèi)，兩種試件滲透出流中Pb2+濃度相差不大；但在0～35 min、75～120 min內(nèi)，目標空隙率16%試件的滲透雨水中Pb2+濃度大于20%試件；兩種試件滲透出流中Pb2+濃度的最小值均出現(xiàn)在降雨歷時65 min附近，分別為0.328 2 mg/L(16%)和0.327 6 mg/L(20%)；

從整個降雨過程看，降雨0～65 min內(nèi)，滲透出流中Pb2+濃度隨降雨時間的延長顯著降低；65～120 min內(nèi)，隨降雨時間的延長有緩慢回升的趨勢，但回升速度不及前半段雨程，因此總體而言，透水瀝青路面對路面徑流中Pb2+的去除效果較好。

根據(jù)圖4所得數(shù)據(jù)，計算不同目標空隙率試件對Pb2+的去除率，計算公式如式(7)：

(7)

式中：w為滲透出流中的Pb2+濃度，mg/L。

計算結(jié)果如圖5。

由圖5可知，從整個降雨過程看，目標空隙率為20%的試件對徑流中Pb2+的去除能力較16%試件強。16%試件對Pb2+的去除率為29.76%～34.36%，20%為30.4%～34.48%，此結(jié)果與宋秋霞[17]的研究結(jié)果相符：去除率最大值也出現(xiàn)在降雨歷時65 min處，與降雨過程中滲透出流雨水測得的Pb2+濃度分布趨勢相反，在降雨前0～65 min時間段內(nèi)，試件對Pb2+的去除能力隨時間的延長不斷增強，在65～120 min的時間段內(nèi)，隨時間的延長不斷降低，但與前半段雨程相比，降低速度較為緩慢。

圖5 Pb2+去除率隨降雨歷時的變化Fig. 5 Variation of Pb2+ removal rate changing with rainfall time

由上述分析可知，在降雨0～65 min內(nèi)，多孔瀝青混合料對徑流中Pb2+的去除能力隨降雨的進行不斷增強，65～120 min內(nèi)，對Pb2+的去除能力則有所降低，這說明多孔瀝青混合料對初期徑流中Pb2+的去除效果更好，且隨降雨的進行，多孔瀝青混合料的空隙結(jié)構(gòu)對Pb2+的吸附-解吸的能力是呈先增強后減弱的趨勢。

對比圖3與圖5，分析不同目標空隙率下，面空隙率、等效直徑、比表面積、分形維數(shù)、空隙數(shù)量和空隙體積等特征參數(shù)對混合料試件去除徑流中Pb2+能力的影響機制，結(jié)果如表3。

表3 空隙結(jié)構(gòu)各特征參數(shù)對多孔瀝青混合料去除Pb2+效果的影響分析Table 3 Influence of various characteristic parameters of void structure on Pb2+ removal effect of porous asphalt mixture

由表3可知：

1)整個降雨過程中，20%試件去除徑流Pb2+能力較16%試件強，且20%試件的面空隙率、比表面積、分形維數(shù)、空隙體積等參數(shù)值均大于16%試件，因此認為，以上參數(shù)值越大、多孔瀝青混合料試件對路面徑流中Pb2+的去除效果越好。

2)20%試件的空隙等效直徑小于16%試件，但去除Pb2+的效果較16%試件強，即認為，空隙等效直徑越大、多孔瀝青混合料試件對Pb2+的去除效果越差。

3)兩種目標空隙率的試件空隙數(shù)量相差不大，故認為空隙數(shù)量對多孔瀝青混合料試件去除Pb2+效果的影響不明顯。

綜上所述，面空隙率、比表面積、空隙體積、分形維數(shù)等特征參數(shù)與多孔瀝青混合料去除Pb2+效果呈正相關(guān)關(guān)系，即參數(shù)值越大、對Pb2+的去除效果越好；空隙等效直徑與多孔瀝青混合料去除Pb2+效果呈負相關(guān)關(guān)系，即參數(shù)值越大、去除效果越差；空隙數(shù)量對多孔瀝青混合料去除Pb2+效果影響不明顯，認為無明顯線性關(guān)系。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述分析，得到如下結(jié)論：

1)面空隙率、比表面積、空隙體積、分形維數(shù)等空隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與多孔瀝青混合料去除Pb2+的效果呈正相關(guān)關(guān)系，即參數(shù)值越大、多孔瀝青混合料對路面徑流中Pb2+的去除效果越好；

2)空隙等效直徑與多孔瀝青混合料去除Pb2+的效果呈負相關(guān)關(guān)系，即參數(shù)值越大、多孔瀝青混合料對徑流中Pb2+的去除效果越差；

3)空隙數(shù)量對多孔瀝青混合料去除徑流中Pb2+的效果無明顯影響。

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