凈化路面徑流用大孔隙瀝青混合料長(zhǎng)期性能研究

甘文霞,羅子彪,程 剛,胡小弟,潘 攀

(1.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué) 郵電與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市不透水路面面積日益增大，由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益突出[1]。其中，不透水路面上的徑流污染物因其濃度高、負(fù)荷大已成為環(huán)境污染的重要問(wèn)題之一[2]。因此路面雨水徑流污染物的控制和凈化，是亟待解決的問(wèn)題。

透水性瀝青路面因其豐富的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，路面雨水徑流在其下滲的過(guò)程中通過(guò)各結(jié)構(gòu)層和吸附材料的過(guò)濾、吸附、截留等作用，起到了凈化路面徑流污染物的作用[3]。已有研究表明[4]，在瀝青混合料中摻入一定量的活性炭，可以提高大孔隙瀝青混合料對(duì)徑流污染物的凈化效果。進(jìn)而增強(qiáng)透水性瀝青路面凈化路面徑流的能力。

然而，摻活性炭的大孔隙瀝青混合料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，能否保持良好的凈化效果和路用性能，尚不明確。因此，本文研究摻活性炭的大孔隙瀝青混合料在服役過(guò)程中路用性能和徑流凈化性能的變化規(guī)律，為其組成設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原材料及摻活性炭的瀝青混合料設(shè)計(jì)

本文采用的是輝綠巖集料、SBS改性瀝青和聚酯纖維，主要技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。根據(jù)已有的研究結(jié)果[4]，當(dāng)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料空隙率為18%時(shí)，對(duì)路面雨水徑流的凈化效果達(dá)到最佳。因此，本文初步確定摻活性炭瀝青混合料的目標(biāo)空隙率為18%。

參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[5]和《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTGT 3350-03—2020)[6]，本試驗(yàn)確定的摻活性炭的大孔隙瀝青混合料級(jí)配如圖1所示。

圖1 級(jí)配曲線圖

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范》(JTG E20-2011)[7]進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)、謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)確定大孔隙瀝青混合料的最佳油石比。根據(jù)圖2混合料析漏損失率和飛散損失率隨油石比的變化結(jié)果，確定混合料的最大瀝青用量和最少瀝青用量，參考規(guī)范要求，一般通過(guò)析漏試驗(yàn)確定的最大瀝青用量為最佳瀝青用量[8]，因此最終確定的最佳油石比為6.3%，聚酯纖維摻量為集料的3‰，對(duì)應(yīng)的空隙率為18.0%。

圖2 飛散和析漏隨油石比的變化

1.2 徑流污染物的配置及測(cè)定方法

路面雨水徑流中的污染物有固體懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、重金屬鉛(Pb)、重金屬鋅(Zn)、氮磷營(yíng)養(yǎng)物、多環(huán)芳烴(PAHs)等，其中SS、COD、Pb、Zn是路面徑流最主要的污染物，主要來(lái)源于輪胎磨損、大氣沉降、機(jī)油泄漏等[9-13]。因此本文確定的徑流污染物主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為COD、SS、Pb、Zn，并選取pH和濁度為輔助指標(biāo)。

對(duì)于路面雨水徑流溶液的來(lái)源，許多研究者根據(jù)已有的研究成果自配雨水徑流溶液[14-16]。因此本文根據(jù)已有的研究結(jié)果確定污染物的成分和含量[4]，在實(shí)驗(yàn)室自行配置徑流溶液。自配的路面雨水徑流配置方法和檢測(cè)方法如表1所示。

表1 徑流污染物配置及檢測(cè)方法Table1 Runoffpollutantsconfigurationanddetectionmethods徑流污染物指標(biāo)配置方法檢測(cè)方法化學(xué)需氧量(COD)鄰苯二甲酸氫鉀重鉻酸鉀法固體懸浮物(SS)硅藻土重量法重金屬Pb醋酸鉛ICP-MS重金屬Zn六水硝酸鋅ICP-MS濁度/SGZ-200AS濁度儀pH/pH檢測(cè)計(jì)

1.3 徑流滲流裝置

為了在室內(nèi)模擬自然降雨的過(guò)程，本文采用一個(gè)可以模擬自然降雨過(guò)程的滲水裝置，這個(gè)裝置主要由蓄水裝置、出水裝置、攪拌裝置、過(guò)濾裝置和采樣裝置5個(gè)部分組成。蓄水裝置采用25 L的塑料桶儲(chǔ)存徑流溶液，配置了自動(dòng)攪拌裝置以保證蓄水裝置中徑流溶液的均勻性，過(guò)濾裝置采用直徑為152 mm和102 mm的鋁合金不銹鋼桶，并準(zhǔn)備好防水密封材料填充瀝青混合料試件和不銹鋼桶的縫隙。當(dāng)打開(kāi)出水裝置后，徑流溶液會(huì)完全流過(guò)摻活性炭的瀝青混合料試件，最終由采樣裝置收集。滲流裝置示意圖如圖3所示。

圖3 滲流試驗(yàn)裝置示意圖

1.4 耐久性試驗(yàn)方法

為了探究摻活性炭的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料凈化路面雨水徑流污染物的耐久性和路用性能耐久性，本文從多次雨水徑流沖刷、老化、凍融循環(huán)3個(gè)方面試驗(yàn)進(jìn)行研究。

a.多次雨水徑流沖刷試驗(yàn)。

組裝好路面雨水徑流滲流裝置并自配路面雨水徑流溶液，根據(jù)武漢市年均降水量以及SGC試件的尺寸模擬開(kāi)級(jí)配瀝青混合料一年受到的雨水沖刷量，武漢市2019年的年均降水量約為1 260 mm，故模擬1 a的雨水沖刷需要的路面雨水徑流溶液約為22.25 L，計(jì)算如下：

V=P(降雨量)×S(試件面積)=

1 260×π×75×75×0.000 001=22.25

單片機(jī)P2口的高四位接電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298輸入端和使能端，P0口的高五位接五個(gè)循跡模塊。紅外通信模塊使用P1.0，P1.1和P3.1口。兩個(gè)電機(jī)由單片機(jī)的P2口高四位控制，其中P2.5為使能端ENA，P2.7為使能端ENB，均為低電平有效。設(shè)置電動(dòng)機(jī)控制代碼如表2所示，其中的二進(jìn)制代碼只需關(guān)心高四位數(shù)值即可。

將成型好的SGC試件兩側(cè)用塑料防水薄膜包裹放入套筒中，并用防水膠泥密封試件與套筒的縫隙，防止雨水徑流溶液從縫隙滲入，導(dǎo)致凈化效果，密封好后將套筒連接至滲流裝置開(kāi)始模擬雨水徑流的沖刷，分別模擬0.5、1、2、5、7、10 a的雨水徑流沖刷。

b.長(zhǎng)期老化試驗(yàn)。

本試驗(yàn)參考國(guó)內(nèi)外老化試驗(yàn)的要求，將松散的瀝青混合料放置于(135±1)℃的烘箱中加熱(240±5)min進(jìn)行短期老化，將經(jīng)過(guò)短期老化的瀝青混合料成型試件，放入85 ℃的烘箱中分別進(jìn)行1、2、3、4、5 d的長(zhǎng)期老化。

c.凍融循環(huán)試驗(yàn)。

由于大孔隙瀝青混合料較大的連通孔隙率特征，普通的真空飽水并不能有效的使試件內(nèi)部飽水，因此本文將凍融試驗(yàn)中試件在真空飽水15 min的試驗(yàn)步驟，改為將試件置于常溫水中浸泡24 h，將浸泡好的試件放入-18 ℃±2 ℃的恒溫冰箱中冷凍16 h，將試件取出并放置于60 ℃的恒溫水槽中保溫8 h，進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2 摻活性炭的瀝青混合料體積性能

為了探究摻活性炭的瀝青混合料在凈化徑流污染物的過(guò)程中，混合料試件體積性能的變化。本文從多次雨水徑流沖刷、長(zhǎng)期老化、凍融循環(huán)3個(gè)方面的試驗(yàn)進(jìn)行研究。

由圖4可知，摻活性炭的瀝青混合料經(jīng)過(guò)多次徑流沖刷后，試件的空隙率從18.55%降低到了18.28%，連通空隙率從14.56%增加到了14.80%，這是因?yàn)樵嚰趦艋晁畯搅魑廴疚锏倪^(guò)程中，污染物中的固體懸浮物堵塞了試件的內(nèi)部孔隙，導(dǎo)致空隙率下降。

圖4 空隙率隨模擬年限的變化情況

由圖5可知，摻活性炭的瀝青混合料在85 ℃的烘箱中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后，其空隙率降低了0.4%，連通空隙率降低了1.1%，這是由于混合料試件在高溫環(huán)境下瀝青膠漿遷移導(dǎo)致其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且有部分徑流污染物附著在試件的內(nèi)部孔隙中，導(dǎo)致空隙率降低。

圖5 空隙率隨老化天數(shù)的變化情況

由圖6可知，摻活性炭的瀝青混合料在經(jīng)過(guò)不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，空隙率降低了0.5%，連通空隙率先降低后逐漸增大，這主要是由于試件經(jīng)過(guò)飽水后，試件內(nèi)部的水結(jié)冰對(duì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)造成了推擠，造成試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

圖6 空隙率隨凍融次數(shù)的變化情況

3 摻活性炭的大孔隙瀝青混合料路用性能耐久性

本文對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料路用性能的耐久性研究主要是通過(guò)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行不同程度的老化和凍融處理，然后再對(duì)其進(jìn)行浸水飛散、凍融劈裂等路用性能試驗(yàn)。

3.1 老化對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料抗飛散性能的影響

浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)可以很好的模擬試件在交通荷載的反復(fù)作用下，由于集料與瀝青的黏結(jié)力不足引起集料的脫落、掉粒、飛散等。本文對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料分別進(jìn)行不同天數(shù)的長(zhǎng)期老化，然后對(duì)經(jīng)過(guò)老化后的瀝青混合料試件進(jìn)行浸水飛散試驗(yàn)，研究不同老化程度對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗剝落性的影響。

由圖7可知，未經(jīng)過(guò)老化和經(jīng)過(guò)短期老化的摻活性炭的瀝青混合料具有良好的抗水損和抗剝落能力，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后，試件的浸水飛散損失率顯著增大，在經(jīng)過(guò)5 d的長(zhǎng)期老化后，浸水飛散損失率達(dá)到了33.64%。這是由于在長(zhǎng)期老化的過(guò)程中，瀝青與集料之間的黏附性逐漸降低，并且由于大孔隙瀝青瀝青混合料具有較大的空隙率，試件與外界空氣和水的接觸面積較大，導(dǎo)致試件更容易受到老化的影響。

3.2 凍融循環(huán)對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料水穩(wěn)定性影響

本文將經(jīng)過(guò)常溫水中浸泡24 h的摻活性炭瀝青混合料進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)，再進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，以凍融劈裂強(qiáng)度比來(lái)表征摻活性炭的瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

由圖8可知，凍融循環(huán)初期對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料試件影響并不明顯，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次的時(shí)候，試件的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比明顯下降，下降到80.8%，結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[8]對(duì)凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比不小于80%的要求，摻活性炭的大孔隙瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性。

圖8 凍融循環(huán)對(duì)水穩(wěn)定性的影響

4 摻活性炭的瀝青混合料凈化效果耐久性

為了探究摻活性炭的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料凈化路面雨水徑流污染物的耐久性，本文準(zhǔn)備從多次雨水徑流沖刷、老化、凍融循環(huán)3個(gè)方面的試驗(yàn)進(jìn)行研究。

4.1 多次徑流對(duì)凈化效果的影響

對(duì)摻活性炭的瀝青混合料試件進(jìn)行不同模擬年限的徑流沖刷試驗(yàn)，研究模擬不同降雨年限對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料凈化效率的影響。

由圖9可知，摻活性炭的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料對(duì)路面雨水徑流污染物有著良好的凈化效果，但隨著模擬降雨年限的增長(zhǎng)，摻活性炭的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料對(duì)徑流溶液各種污染物的凈化效率有著不同程度的降低，其中固體懸浮物和濁度的凈化效率在模擬年限達(dá)到5 a時(shí)開(kāi)始大幅下降，COD的凈化效率在模擬年限到達(dá)7 a時(shí)開(kāi)始大幅下降，重金屬Pb和Zn總體上也是呈下降的趨勢(shì)。

由圖9可以看出SS、COD和濁度的下降趨勢(shì)具有一定的相似性，這是因?yàn)镾S、COD和濁度的凈化效率主要和試件的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和活性炭的表面空隙有關(guān)，隨著徑流沖刷次數(shù)的增加，試件的內(nèi)部孔隙和活性炭的表面空隙對(duì)懸浮物的截留達(dá)到了一定的飽和，以至于當(dāng)模擬降雨年限達(dá)到5 a后，試件的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)并不能有效地對(duì)懸浮物產(chǎn)生截留凈化作用。

圖9 徑流污染物凈化效率隨模擬年限的變化情況

重金屬Zn的凈化效率相對(duì)于重金屬Pb的凈化效率較低，模擬年限為0.5 a時(shí)，Pb的凈化效率達(dá)到62.0%，而Zn的凈化效率只有27.8%，這可能是因?yàn)榇姿徙U在被凈化的過(guò)程中容易殘留在其他物體上，導(dǎo)致Pb的凈化效率較高，而重金屬Zn在被活性炭?jī)艋^(guò)程中，由于徑流溶液的pH偏酸性，在pH<6時(shí)，活性炭對(duì)于重金屬Zn的凈化效率較低，并且隨著pH的降低，活性炭?jī)艋痁n的效果也會(huì)隨之降低[17-18]。

4.2 老化對(duì)凈化效果的影響

對(duì)經(jīng)過(guò)不同程度長(zhǎng)期老化的馬歇爾試件進(jìn)行路面雨水徑流滲水試驗(yàn)，研究不同程度長(zhǎng)期老化對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料凈化效率的影響。

由圖10可知隨著老化天數(shù)的增加，摻活性炭的瀝青混合料對(duì)雨水徑流各污染物的凈化效果都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中當(dāng)老化天數(shù)達(dá)到第3 d的時(shí)候，COD、SS、濁度和重金屬Pb 的凈化效率達(dá)到最低，凈化效率分別從94.7%、31.8%、69.6和57.3%降低到了66.4%、14.0%、12.7%和31.6%。長(zhǎng)期老化對(duì)摻活性炭的瀝青混合料凈化溶液的pH影響并不明顯，由于徑流溶液一直處于偏酸性的環(huán)境，摻活性炭的瀝青混合料對(duì)重金屬Zn凈化效率的變化并不明顯，凈化效率在26.8%附近小幅波動(dòng)，波動(dòng)并不大。

圖10 徑流污染物凈化效率隨老化天數(shù)的變化情況

4.3 凍融循環(huán)對(duì)凈化效果的影響

對(duì)經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的馬歇爾試件進(jìn)行路面雨水徑流滲水試驗(yàn)，研究不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)摻活性炭的大孔隙瀝青混合料凈化效率的影響。

由圖11可知，經(jīng)過(guò)前兩次的凍融循環(huán)試驗(yàn)后，COD、SS和濁度的凈化效率稍有升高，這有可能是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過(guò)程中，試件中的水結(jié)冰，使得試件內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變，但是當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)2次后，COD、SS和濁度的凈化效率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而重金屬Zn和Pb的凈化效率則一直隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而降低。

由圖11可知，pH的變化并不明顯，因此凍融循環(huán)對(duì)試件凈化徑流pH的影響不大。

圖11 徑流污染物凈化效率隨凍融次數(shù)的變化情況

5 結(jié)論

a.通過(guò)模擬不同年限的降雨試驗(yàn)可知，瀝青混合料對(duì)徑流污染物的凈化效率隨著模擬降雨年限的增加而降低，由于瀝青混合料試件孔隙的堵塞，固體懸浮物和濁度的凈化效率在模擬降雨年限第5 a開(kāi)始迅速下降。

b.通過(guò)模擬老化試驗(yàn)可知，當(dāng)老化天數(shù)達(dá)到第3天的時(shí)候，COD、SS、濁度和重金屬Pb的凈化效率達(dá)到最低。并且隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，混合料試件的耐久性會(huì)明顯降低，這說(shuō)明瀝青混合料的老化作用是影響大孔隙瀝青混合料耐久性的重要因素。

c.通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)可知，凍融會(huì)改變?cè)嚰目紫督Y(jié)構(gòu)，可能會(huì)一定程度地提升試件對(duì)徑流污染物的凈化效果，但是隨著凍融次數(shù)的增多整體的凈化效率還是會(huì)下降。并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料試件的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比會(huì)有一定程度的下降，但是下降程度不大，具有良好的水穩(wěn)定性和耐久性。