瀝青路面材料浸出特性及其對路表徑流水質(zhì)的影響

華 夏

(江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，南京 210000)

隨著我國高速路網(wǎng)越來越密集，通車?yán)锍淘絹碓介L，路表降水徑流對環(huán)境的影響逐漸成為交通環(huán)境研究者關(guān)注的問題。歐美國家對徑流的研究始于上世紀(jì)70年代，作為20世紀(jì)公路運(yùn)輸最發(fā)達(dá)的國家，美國在1987年將地表徑流納入《水污染法案》，以加強(qiáng)對路面徑流環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)的控制[1-2]。此后，美國進(jìn)一步實(shí)施《新清潔水法》[3]，對公路路域排出水的質(zhì)量指標(biāo)提出了明確的要求。我國對路面徑流環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)的研究主要體現(xiàn)在降雨沖刷規(guī)律、重金屬含量以及處治措施等方面[4-6]，對于污染組分來源，尤其是路面材料本身的研究較少。

瀝青路面以較好的韌性、無接縫、行車舒適、耐磨、抗滑及施工周期短等特點(diǎn)成為高速公路建設(shè)的主流[7]，而瀝青作為原油的蒸餾殘留物主要成分包含了原油中80%的雜原子和少量的苯、萘、菲等揮發(fā)性物質(zhì)，容易對環(huán)境產(chǎn)生潛在的危害[8]。瀝青路面參與徑流污染的主要方式為通過降水沖刷路表，致使路面材料本身的某些組分浸出，并隨著徑流轉(zhuǎn)移到路域環(huán)境中去。而目前瀝青對環(huán)境的影響性研究主要集中在瀝青揮發(fā)性物質(zhì)對大氣的污染上[9-11]，對路面徑流水質(zhì)影響的研究相對比較薄弱。

為了分析瀝青中組分對環(huán)境的影響，本文通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、酸性溶劑和有機(jī)溶劑等環(huán)境條件，對SMA-13、UPAVE-10、AC-13三種瀝青試件進(jìn)行了浸出試驗(yàn)，并通過對浸出水體的水質(zhì)指標(biāo)檢測，研究了瀝青混合料在不同環(huán)境條件下的浸出特性及其對徑流水質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)方法

按照SMA 5.6%、UPAVE 5.4%、AC 6%的油石比制作3種瀝青混合料試件，試件直徑101.6 mm、高63.5 mm，分別設(shè)置標(biāo)簽，如圖1所示。

圖1 瀝青混合料試件

1.1 靜態(tài)浸出試驗(yàn)

將SMA-13、UPAVE-10、AC-13三種馬歇爾試件按照圖2方法分別置于200 mL去離子水塑料水桶中封存。保持試件完全浸沒于液體72 h及120 h，然后分3次提取30 mL水樣，每次10 mL，離心振蕩后取上層清液進(jìn)行水質(zhì)檢測。

圖2 靜態(tài)浸出試驗(yàn)樣品

1.2 動(dòng)態(tài)浸出試驗(yàn)

1) 車轍試驗(yàn)。通過輪碾成型法制作車轍試驗(yàn)試塊，將試件連同試模移置于車轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)輪在試件的中央部位，其行走方向須與行車方向一致，如圖3所示。開動(dòng)車轍變形自動(dòng)記錄儀，同時(shí)緩慢灑水，使試驗(yàn)輪往返行走，累計(jì)加載次數(shù)達(dá)到5 000次。車轍試驗(yàn)在溫度為60 ℃、荷載為0.7 MPa、速率為42次/min標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行。最后將試件浸入200 mL去離子水中放置72 h，離心振蕩后取上層清液進(jìn)行水質(zhì)檢測。

圖3 模擬車輪在路面行駛狀態(tài)

2) 飛散試驗(yàn)?？纤ぴ嚰凑振R歇爾試件標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法制作，試件的直徑為101.6 mm，高63.5 mm。將試件放入溫度為20 ℃±5 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生20 h。從恒溫水槽中取出試件，用毛巾擦去試件表面水，并稱取其試件的質(zhì)量。將一個(gè)試件放入洛杉磯試驗(yàn)機(jī)，如圖4所示，不加鋼球，開動(dòng)洛杉磯試驗(yàn)機(jī)，以30 r/min～33 r/min的速度旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)。將肯塔堡飛散試驗(yàn)后的瀝青混合料殘留物收集，將其置入裝有200 mL去離子水的塑料桶中浸沒72 h，離心振蕩后取上層清液進(jìn)行水質(zhì)檢測。

圖4 肯塔堡飛散試驗(yàn)

1.3 酸雨浸出試驗(yàn)

為了模擬酸雨，將SO2氣體通過注射器注入裝有水溶液的U型管，并振蕩加速溶解，直至溶液pH值降到4。隨后將pH值為4的酸性液體倒入事先放入1 g瀝青的60 mL燒杯中攪拌5 h，取上層清液10 mL離心振蕩后進(jìn)行水質(zhì)檢測。

1.4 三氯乙烯浸出試驗(yàn)

在125 mL的紙杯中稱1 g的瀝青樣品，精確到1 mg，加入50 mL的三氯乙烯攪拌5 h。取上層清液10 mL，離心振蕩后進(jìn)行水質(zhì)檢測。同時(shí)對同等濃度的三氯乙烯進(jìn)行水質(zhì)檢測，排除溶液中COD及NH3-N的干擾。

2 徑流水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)檢測指標(biāo)選取參照GB 3838—2002《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類中的SS(總懸浮物)、COD(化學(xué)需氧量)、TN(總氮)、TP(總磷)與NH3-N(氨氮)，各組分檢測方法如表1所示。

表1 水質(zhì)檢測指標(biāo)及方法 mg/L

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)浸出試驗(yàn)

表2 瀝青試件72 h靜態(tài)試驗(yàn)水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

除此之外，72 h靜態(tài)浸出試驗(yàn)中UPAVE-水體系中檢出少量的SS與COD，這可能是因?yàn)閁PAVE試件的油石比較低，瀝青對顆粒物的包覆穩(wěn)定性較差，在長時(shí)間的液相環(huán)境中有顆粒物脫落從而導(dǎo)致檢出少量SS[13]。同時(shí)，脫落的顆粒物表面并沒有接觸過空氣氧化形成瀝青質(zhì)，導(dǎo)致部分烴類分子擴(kuò)散到液相體系中，從而使檢測結(jié)果中出現(xiàn)COD指標(biāo)。由此可知，瀝青混合料的粘結(jié)強(qiáng)度對靜態(tài)液相體系中SS與COD的含量有一定影響。

當(dāng)靜態(tài)浸出試驗(yàn)延長至120 h，檢測水樣中檢出指標(biāo)與此前72 h時(shí)的結(jié)果相比更為明顯，如表3所示。3種瀝青試件液相體系中均檢出不同程度的SS、COD、TN與NH3-N，NH3-N濃度順序與72 h結(jié)果相同，即AC>SMA>UPAVE。而隨著時(shí)間的增加，AC與SMA體系中也檢出SS與COD，雖然低于UPAVE體系中的濃度，仍反映試件表面發(fā)生少量的顆粒物分離。值得注意的是，120 h后AC-水體系中的TN與NH3-N指標(biāo)已超出地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，說明瀝青混合料在長時(shí)間的靜態(tài)環(huán)境下對水體中的TN與NH3-N指標(biāo)影響明顯。

3.2 動(dòng)態(tài)浸出試驗(yàn)

為更好地研究實(shí)際條件下行車荷載對瀝青路面浸出的影響，采用車轍試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)來模擬在有車輛行駛的狀態(tài)下，瀝青路面的磨耗以及路表瀝青集料的脫落對徑流水質(zhì)的影響。

瀝青混合料車轍試驗(yàn)后的水質(zhì)檢測結(jié)果如表4所示。與靜態(tài)浸水試驗(yàn)結(jié)果相比，除TP外，其余指標(biāo)濃度都大幅提升。這是因?yàn)檐囕唩砘啬雺涸嚰缕浔砻姹荒p消耗，而磨損消耗產(chǎn)生的顆粒物被去離子水沖刷后懸浮分散在液相體系中，成為SS與COD濃度上升的主要貢獻(xiàn)來源。同時(shí)，由于磨耗產(chǎn)生的顆粒物粒徑較小，使顆粒物具有較大的比表面積，加快了粘結(jié)混合料瀝青的分解速率。而TP未檢出則說明瀝青路面材料中磷的含量極少，甚至不存在。路面徑流中的磷主要來源于其它因素，如輪胎磨耗散落的顆粒物或車輛攜帶的其它污染源[14]?？傮w來看，除了AC試件的SS濃度與UPAVE試件的NH3-N濃度，其它各項(xiàng)指標(biāo)均不同程度超過國家地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

表3 瀝青試件120 h靜態(tài)試驗(yàn)水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

肯塔堡飛散試驗(yàn)的結(jié)果如表5所示。由表5可知，污染物濃度要明顯低于車轍試驗(yàn)，3種瀝青混合料試件的SS濃度均未超標(biāo)，油石比較低的SMA與UPAVE試件中的NH3-N也符合環(huán)境要求，TP同樣未檢出。飛散試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)相比更側(cè)重于測試路面材料抗分散掉粒與耐久性，更低的SS濃度和NH3-N濃度說明試件的整體粘結(jié)強(qiáng)度較好，掉?，F(xiàn)象較少，且飛散試驗(yàn)產(chǎn)生的顆粒物在粒徑上要遠(yuǎn)小于車轍試驗(yàn)中磨損產(chǎn)生的顆粒物，比表面積較小會(huì)減緩瀝青在液相體系中的分解速率。

綜上分析，動(dòng)態(tài)浸出試驗(yàn)說明路表徑流中的SS、COD、TN和NH3-N濃度均受瀝青路面材料本身的影響。值得注意的是，實(shí)際降水情況下，降水會(huì)對路表的磨耗顆粒物產(chǎn)生沖擊，使顆粒物更容易脫離路表，且徑流形成后顆粒物隨水體不斷移動(dòng)的過程中在液相體系中的分布更為均勻。因此，實(shí)際情況下的污染物濃度可能會(huì)高于動(dòng)態(tài)浸出試驗(yàn)結(jié)果。

表4 車轍試驗(yàn)水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

表5 肯塔堡飛散試驗(yàn)檢測結(jié)果 mg/L

3.3 酸性浸出試驗(yàn)

酸雨會(huì)對徑流pH以及主要污染物濃度產(chǎn)生很大影響，通過模擬酸雨條件下的徑流，對瀝青材料在酸雨徑流中的浸出特性進(jìn)行了測試，從而研究瀝青路面混合料在酸性條件下對徑流水質(zhì)的影響，酸性浸出試驗(yàn)的結(jié)果如表6所示。從表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，酸性環(huán)境會(huì)加劇瀝青污染物的浸出，污染物濃度明顯高于靜態(tài)浸出試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)浸出試驗(yàn)的檢測數(shù)據(jù)。其中，SS濃度是Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的3倍以上，COD濃度是Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的9倍，TN濃度是Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的18倍，NH3-N濃度接近Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的4倍，均遠(yuǎn)超過地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)闉r青中的烯烴會(huì)與酸發(fā)生酯化反應(yīng)從而生成飽和度更高的異構(gòu)烷烴[15]，從而降低了瀝青的粘度和延度，導(dǎo)致瀝青對集料的包覆性能降低，SS濃度大幅提高。而SS濃度和體系中其它污染物均有較好的正相關(guān)性，從而引起了COD、TN、NH3-N濃度大幅提高。在實(shí)際情況中，集料的裸露會(huì)導(dǎo)致SS濃度進(jìn)一步提高，同時(shí)影響其它污染指標(biāo)的濃度。

表6 酸性環(huán)境水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

此外，當(dāng)路面存在裂縫等表面或結(jié)構(gòu)病害時(shí)，降水不可避免地進(jìn)入瀝青路面空隙，如果是酸雨則會(huì)與瀝青混合料中的礦料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成礦料中Ca2+、K+、Na+、Mg2+、Fe3+等離子流失，形成易于溶解于水的硫酸鈣、硝酸鈣、硫酸鉀(鈉)等鹽類[16]。這種情況下礦料表面和瀝青之間會(huì)出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致瀝青粘附性能進(jìn)一步下降，加速路面材料在輪胎摩擦作用下的剝離和飛散；同時(shí)水體酸堿性的變化會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物在水中的溶解度發(fā)生改變，這就需要進(jìn)一步研究酸雨徑流對有機(jī)物濃度的影響。

3.4 三氯乙烯浸出試驗(yàn)

在公路運(yùn)輸中，車輛自身攜帶或泄漏的柴油、汽油、潤滑油等對瀝青均有較強(qiáng)的溶解作用[17]。為了探明瀝青溶解對于徑流水質(zhì)的影響，本文采用對瀝青溶解能力與汽油相當(dāng)?shù)娜纫蚁﹣頊y試瀝青溶解后產(chǎn)生的水質(zhì)指標(biāo)?？紤]到三氯乙烯本身可能含有TN、TP、NH3-N等污染物，因此分別對三氯乙烯本身和三氯乙烯溶解后的瀝青開展水質(zhì)檢測對比，從而得到瀝青本身的污染物濃度，結(jié)果如表7所示。從表7可知，瀝青用三氯乙烯溶解后釋放出超高濃度的SS、TN與NH3-N，排除三氯乙烯溶劑自身的影響，瀝青在溶解過程中釋放的SS、TN與NH3-N分別為1 862 mg/L、61.74 mg/L與10.25 mg/L，超過排放標(biāo)準(zhǔn)最高達(dá)60倍以上。當(dāng)融化的瀝青被雨水沖刷進(jìn)入道路兩邊的土壤或水體，其中所含的高濃度氮化物會(huì)對植物及水生生物產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，破壞生態(tài)平衡。由于液態(tài)瀝青不溶于水，會(huì)在環(huán)境當(dāng)中存在很長時(shí)間，引起區(qū)域環(huán)境內(nèi)的各項(xiàng)污染指標(biāo)不斷累積攀升，最終超過區(qū)域的環(huán)境容量，造成不可逆的環(huán)境影響。因此，當(dāng)路面有車輛行駛殘留的柴油、汽油與潤滑油等有機(jī)溶劑時(shí)，瀝青路面材料本身會(huì)對徑流水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

表7 三氯乙烯體系水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

4 結(jié)論

通過研究瀝青路面材料在靜止、行車、酸雨、有機(jī)溶劑等不同條件下本身的浸出特性，結(jié)合瀝青路表徑流主要水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 瀝青路面材料本身在徑流浸泡的過程中不會(huì)對水質(zhì)產(chǎn)生影響。

2) 酸性環(huán)境會(huì)導(dǎo)致瀝青加速分解，同時(shí)使路面材料穩(wěn)定性下降，增加徑流中污染物的濃度。因此，酸雨地區(qū)的瀝青路面材料在降水過程中對徑流水質(zhì)有直接影響。

3) 當(dāng)路面存在汽車行駛殘留的柴油、汽油、潤滑油等有機(jī)溶劑時(shí)，瀝青會(huì)發(fā)生溶解釋放出污染物，對區(qū)域環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

4) 未來瀝青路面在徑流污染防治的研究方向應(yīng)主要針對酸雨地區(qū)、交通量較大以及交通組成中?；愤\(yùn)輸車輛占比大的路段。