兩種模擬條件下透水瀝青混合料的滲透特性與凈化能力

祁妍娟，康愛紅，盧志萍，寇長江，徐雪玲

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 前 言

當(dāng)前，我國城市化建設(shè)取得顯著效益的同時，人口膨脹、交通擁堵、地表鋪面硬質(zhì)化等引起的大氣污染、水環(huán)境惡化、城市熱島效應(yīng)等“城市病”也在不斷增多[1-2]，城市生態(tài)環(huán)境和水環(huán)境受到?jīng)_擊。為改變這一現(xiàn)狀，我國提出了海綿城市“滲、滯、蓄、凈、用、排”的建設(shè)方針，降低硬質(zhì)墊面的比例，目前國內(nèi)各大城市正在大力推廣透水鋪裝[3]。

其中，透水瀝青混凝土作為一種大空隙新興道路材料，由于其良好的排水降噪性能、抗滑性能和凈水性能[4]，可有效補(bǔ)給地下水，減緩城市積水現(xiàn)象[5-7]，成為海綿城市中生態(tài)道路建設(shè)的“主力軍”。目前國內(nèi)外對透水瀝青混凝土的一系列特性，包括級配優(yōu)化[8-9]、滲透系數(shù)[10-12]及污染物去除能力[13-14]等進(jìn)行了較為深入的研究，但局限于“以點(diǎn)論點(diǎn)”，對滲透特性和凈化能力的演變關(guān)系研究較少，而由于透水瀝青混合料的易堵特性，開展這一方面的研究就極為重要。

此外，晴天風(fēng)干效應(yīng)對多孔材料堵塞的影響已經(jīng)為某些學(xué)者所重視，但尚未見相關(guān)試驗研究。目前已有學(xué)者建立了干沉降的通量計算模型[15-16]、分析出其時空分布變化[17]及提高路面污染物濃度的特性[18]，但尚未有學(xué)者對比分析干沉降對路面滲透系數(shù)與污染物凈化率的影響。因此本研究以“海綿城市”建設(shè)為背景，以雨水儲滲、凈化為目標(biāo)，對透水瀝青混凝土進(jìn)行設(shè)計，通過室內(nèi)凈化模擬試驗，研究透水瀝青混凝土在風(fēng)干與未風(fēng)干兩種模擬條件下，其滲透系數(shù)與污染物凈化率的演變規(guī)律研究，為透水性瀝青路面的生態(tài)化發(fā)展提供依據(jù)，推動我國海綿城市的進(jìn)程。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1原材料

2.1.1.1高粘度改性瀝青 試驗所用的高粘度改性瀝青由SBS改性瀝青與HVA改性劑按質(zhì)量比92∶8制備而成，其中SBS改性瀝青由江蘇寶利瀝青有限公司提供，其性能指標(biāo)如表1所示，均符合規(guī)范要求。

表1 高粘度改性瀝青的性能指標(biāo)及試驗結(jié)果Table 1 Performance indexes and test results of high viscosity modified asphalt

2.1.1.2集料 由于透水瀝青混合料的大孔隙結(jié)構(gòu)對粗集料間接觸強(qiáng)度的要求較高，粗集料和細(xì)集料均采用抗磨耗能力較強(qiáng)的硬質(zhì)鎮(zhèn)江茅迪玄武巖。集料基本密度參數(shù)如表2所示，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表2 玄武巖基本密度參數(shù)/(g·cm-3)Table 2 Basic density parameters of basalt/(g·cm-3)

2.1.1.3礦粉 經(jīng)對比后，選用鎮(zhèn)江高資石灰?guī)r磨細(xì)粉作為最終礦粉用料，其性能試驗結(jié)果如表3所示，滿足規(guī)范要求。

表3 石灰?guī)r性能試驗結(jié)果Table 3 Test results of performance of limestone

2.1.2徑流雨水配制原材料 試驗選取代表性路面徑流污染物，包括SS(懸浮物)、COD(化學(xué)需氧量)、TN(總氮)、TP(總磷)、Pb(鉛)、Zn(鋅)作為分析指標(biāo)。鑒于實地采集雨水困難，故本試驗采用室內(nèi)配制雨水的方案。將揚(yáng)州市次降雨徑流污染物平均濃度值作為配置室內(nèi)徑流水樣的參考濃度，按照表4的化學(xué)試劑比例進(jìn)行配制。

2.2 試驗方法

2.2.1透水瀝青混凝土的制備 試驗以SBS改性瀝青和HVA改性劑為原材料制備高粘改性瀝青，以保證大孔隙透水瀝青混合料具有良好的耐久性能，尤其是抗剝落性和抗水損壞性。

根據(jù)規(guī)范給定的空隙率范圍，確定五個目標(biāo)空隙率分別為18%、19%、20%、22%和23%，進(jìn)行級配設(shè)計及路用性能測試，制備五種不同級配的PAC-13透水瀝青混凝土，并采用體積法測定透水瀝青混凝土的空隙率與連通孔隙率，具體測試結(jié)果如表5所示。

表4 各化學(xué)試劑的比例Table 4 Ratio of chemical reagents

表5 PAC-13空隙率測試結(jié)果Table 5 Test results of PAC-13 void fraction

2.2.2試驗裝置與凈化模擬試驗 采用改進(jìn)的滲透系數(shù)測試儀(組成如圖1所示)，以實現(xiàn)滲透系數(shù)與凈化能力的同步測定。該裝置采用上、下拼接式套筒，上部套筒設(shè)置了溢流口并安裝了多個高度的排水閥門，用以不同水頭差的測定試驗；下部套筒底部用以放置待測試的透水瀝青混凝土。并用一組法蘭片進(jìn)行上、下部連接，隨后置于盛水容器中，盛水容器底部安裝了取樣閥門，以供凈化試驗進(jìn)行水樣采集。同時準(zhǔn)備好高壓水槍、噴頭、風(fēng)干機(jī)等清洗用具。

凈化模擬試驗方案：

圖1 滲透系數(shù)測試裝置(1-套筒；2-溢流水；3-盛水容器；4-材料容器；5-凈化材料；6-出水口；7-量筒)Fig. 1 Test device

(1)進(jìn)行試件安裝與設(shè)備調(diào)試，依次將不同空隙率的透水瀝青混凝土置于模具中，使用環(huán)氧樹脂涂抹于透水瀝青混凝土邊緣一圈，以保證密封性，并放置好廢液桶，以供定時取樣。

(2)采用干法均勻撒布沉積土于透水瀝青混凝土表面，利用濕法化學(xué)試劑法投放化學(xué)試劑至桶中。隨后開啟污水泵、攪拌器，當(dāng)COD測試濃度離差小于5%時(濃度已均勻)可開始供水。

(3)在一年的模擬周期后，采集經(jīng)過透水瀝青混凝土的徑流水樣，測試其中各污染物的含量(各污染物具體測試方法見表6)。隨后改用普通清水供水測定透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)。

(4)用風(fēng)干機(jī)對試樣表面進(jìn)行風(fēng)干處理后，進(jìn)入下一個模擬周期試驗，共進(jìn)行10個模擬周期(十年)。

表6 路面徑流水樣檢測方法Table 6 Test method of road runoff water sample

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 單周期凈化模擬試驗結(jié)果分析

單個周期的室內(nèi)凈化模擬試驗研究結(jié)果如表7所示。

對透水瀝青混凝土的物理性能之間的關(guān)系進(jìn)行探究，其連通孔隙率、滲透系數(shù)與污染物去除率關(guān)系如圖2所示。

在連通孔隙率增大的過程中，透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)基本呈現(xiàn)上升走向，六種污染物去除率呈現(xiàn)下降走向，其中SS最為明顯，其余污染物去除率下降幅度均較大。透水路面的透水能力主要由道路的連通孔隙所決定，當(dāng)連通孔隙增大時，滲透系數(shù)隨連通孔隙率增大而有所提高；透水路面主要通過物理截留、吸附作用去除污染物，而隨著連通孔隙的增大，污染物與空隙內(nèi)壁的接觸時間較短，對其去除效果明顯變?nèi)酰绕涫菍S的物理截留、化學(xué)吸附作用顯著削減，而附著于顆粒物上的懸浮態(tài)COD、TN、TP、Pb、Zn的去除率均隨之降低，故污染物去除率隨連通孔隙率增大而逐漸減小，且SS去除率下降最明顯。

表7 單周期凈化模擬試驗結(jié)果Table 7 Test results of single cycle purification simulation

圖2 連通孔隙率、滲透系數(shù)與污染物去除率三者關(guān)系 (a) 懸浮物; (b) 化學(xué)需氧量; (c) 總氮; (d) 總磷; (e) 鉛; (f) 鋅Fig. 2 Relationship among connected porosity, permeability coefficient and removal rate of pollutant (a) SS;(b) COD; (c) TN;(d) TP; (e) Pb; (f) Zn

分析連通孔隙率、滲透系數(shù)與污染物去除率三者之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連通孔隙率分別在16.97%、15.02%、16.09%、15.88%、15.21%、15.83%時，SS、COD、TN、TP、Pb、Zn對應(yīng)的去除率與透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)相交，即在這六個點(diǎn)，去除率與滲透系數(shù)達(dá)到了相對平衡狀態(tài)，可見合理控制空隙率，可確保透水瀝青混凝土的透水性能和凈化能力達(dá)到相對平衡。

3.2 長周期凈化模擬試驗分析

3.2.1風(fēng)干效應(yīng)對透水瀝青混凝土滲透系數(shù)衰變速率的影響 風(fēng)干效應(yīng)是指某個降雨事件發(fā)生前，空氣中懸浮的顆粒物發(fā)生干沉降進(jìn)入道路后，晴天效應(yīng)對道路中所容納污染物的風(fēng)干作用。風(fēng)干效應(yīng)會促進(jìn)道路中沉降物、原有的顆粒態(tài)污染物的凝聚、結(jié)團(tuán)、沉積，同時還會促進(jìn)懸浮態(tài)污染物向顆粒態(tài)污染物附著。為探究出在風(fēng)干效應(yīng)后，路面沉積物對透水瀝青混凝土滲透能力衰變速率的影響，在每次模擬期后，利用風(fēng)干機(jī)對透水瀝青混凝土表面進(jìn)行處理，隨后測定其滲透系數(shù)，并將測試結(jié)果與未經(jīng)處理狀態(tài)下的透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)進(jìn)行對比。

初步試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)透水瀝青混凝土的連通孔隙率大于17%時，淋濾-風(fēng)干循環(huán)后試件表面沉積土的殘留、累積量極少，故僅對連通孔隙率為13.15%、14.72%、16.81%的透水瀝青混凝土進(jìn)行長模擬周期下的試驗，利用改進(jìn)的裝置測定其滲透系數(shù)與污染物去除率，深入探究兩者之間的變化規(guī)律。

圖3為不同連通孔隙率透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)衰變曲線，從圖可見，風(fēng)干效應(yīng)明顯加速了滲透系數(shù)的衰減。當(dāng)透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)衰減至初值的1/2時，若考慮風(fēng)干效應(yīng)，三種空隙率的透水瀝青混凝土分別經(jīng)歷了2.4、3.5及4.6年，若不考慮風(fēng)干效應(yīng)，三種空隙率的透水瀝青混凝土分別經(jīng)歷了4.2、6.3及7.8年，分別加快了1.8、2.8及3.2年；而當(dāng)透水瀝青混凝土完全堵塞時(即滲透系數(shù)為0時)，若考慮風(fēng)干效應(yīng)，三種空隙率的透水瀝青混凝土分別經(jīng)歷了5、6及8年，若不考慮風(fēng)干效應(yīng)，只有最小空隙率在模擬期的第8年發(fā)生了堵塞，其他兩個空隙率未發(fā)生堵塞。

圖3 不同空隙率透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)衰變曲線 (a) 13.5%; (b)14.72%; (c)16.81%Fig. 3 Decay curve of permeability coefficient of permeable asphalt concrete with different voids (a)13.15%; (b)14.72%; (c) 16.81%

由此可見，當(dāng)透水瀝青混凝土的空隙率較小時，風(fēng)干效應(yīng)在模擬初期會加快滲透系數(shù)的衰變，而在模擬后期對透水瀝青混凝土滲透系數(shù)衰減的加速效果降低；當(dāng)透水瀝青混凝土的空隙率較大時，風(fēng)干效應(yīng)對滲透系數(shù)較大的透水瀝青混凝土的作用效果較好，間接反映了透水瀝青混凝土路面及時清理的必要性。

3.2.2透水瀝青混凝土滲透系數(shù)與污染物去除率同步演變規(guī)律 由于在連通孔隙率為15%～17%時，透水性能與凈水性能可以保持相對平衡，故選取了連通孔隙率為16.81%的透水瀝青混凝土，對其滲透系數(shù)與污染物去除率隨模擬期變化的演變關(guān)系進(jìn)行探索。

圖4 透水瀝青混凝土(連通孔隙率為16.81%)滲透系數(shù)與污染物去除率的關(guān)系曲線(a) 懸浮物; (b) 化學(xué)需氧量; (c) 總氮; (d) 總磷; (e) 鉛; (f) 鋅Fig. 4 Relationship between permeability coefficient and removal rate of pollutant of permeable asphalt concrete (16.81% connected porosity) (a) SS; (b) COD; (c) TN; (d) TP; (e) Pb; (f) Zn

透水瀝青混凝土(連通孔隙率為16.81%)滲透系數(shù)與六種污染物(SS、COD、TN、TP、Pb、Zn)的去除率演變關(guān)系如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，滲透系數(shù)逐漸衰減，但此時各種污染物的去除率整體呈上升趨勢，可見滲透系數(shù)與污染物去除率兩者基本呈負(fù)相關(guān)。滲透系數(shù)的衰減，主要是由于道路中積存的污染物隨模擬期的增長而逐漸增多，致使道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙減小，進(jìn)一步影響到透水瀝青混凝土的滲水能力，故滲透系數(shù)逐漸衰減。

進(jìn)一步觀測圖中透水瀝青混凝土滲透系數(shù)與污染去除率同步關(guān)系曲線交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)對于連通孔隙率為16.81%的透水瀝青混凝土，交點(diǎn)分別發(fā)生在3.8年、5.7年、5.1年、5.2年、5.6年、5.2年。對比可知，在當(dāng)前污染作用下，較為適宜的清理時間節(jié)點(diǎn)為3～6年，且在此期間，其滲水能力仍然保持在120～190 mm/min范圍內(nèi)。

匯總圖4中污染物去除率的初始值和末期值至表8，對比分析兩者之間的關(guān)系，找出污染物去除率增大的原因。

表8 初始污染物去除率、模擬末期污染物去除率統(tǒng)計信息Table 8 Statistical information on initial and final removal rate of pollutant

分析上表發(fā)現(xiàn)，模擬期末期SS、COD、TN、TP、Pb、Zn的去除率均提高了超過0.6倍以上，而其中最高的是對TP的去除率，已達(dá)到1.59倍。可見，對懸浮態(tài)污染物的物理截留，使得透水瀝青混凝土內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)慢慢豐富，懸浮態(tài)污染物、原有的顆粒態(tài)污染物組成的新空隙結(jié)構(gòu)相較于最初狀態(tài)而言，比表面積增大(即與其他污染物的接觸面積增大)，提供了更多有效的接觸范圍；且伴隨著透水瀝青混凝土空隙率的減小，其滲透系數(shù)漸漸變小(即水流的流淌速度變慢)，間接增加了透水瀝青混凝土空隙內(nèi)壁與徑流雨水的接觸時間，透水瀝青混凝土對徑流雨水中污染物的去除作用得到充分發(fā)揮。綜上，滲透系數(shù)的衰變即象征著污染物去除率的提高，原空隙內(nèi)壁和截留顆粒組成的新空隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了透水瀝青混凝土對各種污染物的凈化能力。

4 結(jié) 論

1．在連通孔隙率增大的過程中，透水瀝青混凝土的滲透系數(shù)基本上升，六種污染物去除率大致下降。合理控制空隙率，可確保透水瀝青混凝土的透水性能和凈化能力。

2．對于連通孔隙率為16.81%透水瀝青混凝土，在當(dāng)前污染作用下，較為合理的清理時間節(jié)點(diǎn)為3～6年。

3．滲透系數(shù)的衰變象征著污染物去除率的提高，原空隙內(nèi)壁和截留顆粒組成的新空隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了透水瀝青混凝土對各種污染物的凈化能力。