不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料對路面徑流污染的控制效能＊

解曉光 王 龍 徐勇鵬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院1） 市政環(huán)境工程學(xué)院2） 哈爾濱 150090）

0 引 言

多孔瀝青混合料一般采用開級配或間斷級配，粗集料含量超過60%、空隙率可達(dá)15%以上、內(nèi)部含有較高的連通空隙，因此其能將路表降水迅速下滲，使得路面保持相對干燥，可以有效防止路表積水引起的水霧、車輛水漂，以及晴天眩目等［1］．多孔瀝青混合料在減小地表徑流的同時，發(fā)揮著蒸發(fā)降溫、補(bǔ)給城市地下水的作用．而且多孔瀝青混合料由于粗集料含量較高并形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，因此又具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗滑性和吸聲降噪性等優(yōu)點(diǎn)，很好地體現(xiàn)了“與環(huán)境共生”的理念，因此日益受到重視．目前國內(nèi)外主要針對多孔瀝青混合料的級配設(shè)計方法、空隙分布特征與預(yù)估、路用性能、滲透能力、抗滑降噪以及降溫效果等性能方面進(jìn)行了較深入的研究［2－4］，但對多孔瀝青混合料控制路表徑流污染的研究很少，國內(nèi)處于空白．因此，本文從多孔瀝青混合料材料設(shè)計角度研究其控制路表徑流污染的功效，這對凈化城市地下水體、保持生態(tài)具有重要意義．

1 研究方法

1．1 徑流污染的評價指標(biāo)

已有研究成果表明［5－7］：公路徑流中的污染物有懸浮固體SS和有機(jī)污染物COD、重金屬、P、N營養(yǎng)物、氯化物、油和脂、農(nóng)藥和PAHs等．其中COD，SS是公路路面徑流最主要的污染物，其主要來源于輪胎磨損顆粒、筑路材料磨損顆粒、運(yùn)輸物品的泄露、剎車連接裝置產(chǎn)生的顆粒及其他與車輛運(yùn)行有關(guān)的顆粒物、大氣降塵及除冰劑等．因此本文確定路面徑流污染的評價指標(biāo)為COD和SS．并以COD去除率（%）和SS去除率（%）作為評價多孔瀝青混合料污染控制效能的指標(biāo)．COD去除率越大，表征去除水中有機(jī)污染物的能力越強(qiáng)．SS去除率越大，表征去除水中懸浮固體的能力越強(qiáng)．

1．2 水樣的制備

試驗(yàn)的水樣來源是根據(jù)已有研究成果確定的路面徑流污染物成分和數(shù)量［8－9］，在實(shí)驗(yàn)室自行調(diào)配的水樣．

1．3 成型方法

碾壓成型是形成瀝青混合料強(qiáng)度的一個關(guān)鍵．研究表明，對于粗集料大于60%的混合料，馬歇爾壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏低，振動壓實(shí)可以明顯提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)［10］，同時考慮到試件成型應(yīng)反映現(xiàn)代機(jī)械裝備與工藝水平，因此本文采用了振動成型方法，由自行設(shè)計的頻率、振幅與激振力等振動碾壓3要素可調(diào)的上置式振動壓實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)［11］．經(jīng)最佳工藝試驗(yàn)研究采用的振動參數(shù)：激振力7kN、頻率30Hz、振幅0．957mm、振動時間2．5min．試件尺寸：直徑×高度＝152mm×100mm．

2 試驗(yàn)研究

2．1 材料組成

試驗(yàn)采用的是石灰?guī)r集料，瀝青為道路石油瀝青A－90．瀝青混合料級配設(shè)計采用的是體積設(shè)計法，主要考慮了3個影響因素［12］，即粗集料分布——骨架4、細(xì)集料分布——泰波指數(shù)，n＝0．65、不同的填充系數(shù)（0．1，0．4，0．7和0．9），以設(shè)計出目標(biāo)空隙率分別為15%，20%，25%，30%的瀝青混合料．具體級配見表1．

表1 級配組成表

2．2 不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料的去污效能

對不同空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料分別成型試件，使室內(nèi)調(diào)配的徑流水質(zhì)通過試件，從而得到經(jīng)過不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料試件過濾的水樣，在此基礎(chǔ)上分別測定原水和過濾后水樣的COD值和SS值，具體結(jié)果見表2和圖1．

表2 原水通過不同空隙結(jié)構(gòu)后的污染物去除情況

圖1 不同孔隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料去污效果

由圖1可見，隨著多孔瀝青混合料空隙率的降低，COD去除率隨之升高．空隙率由28．5%下降至25．6%時，COD去除率可提高87．7%；當(dāng)空隙率由25．6%下降至19．9%時，COD去除率可提高67．5%；當(dāng)空隙率達(dá)到20%左右再下降時，COD去除率變化不大．由此可以說明，瀝青混合料空隙率越大，其對有機(jī)物去除效果越差，當(dāng)空隙率達(dá)到20%左右時，COD去除效果趨于穩(wěn)定．因此，從COD去除率角度而言，瀝青混合料有效空隙率為20%左右．

由圖1還可以看出，隨著多孔瀝青混合料空隙率的降低，SS去除率隨之升高．隨著空隙率的下降（由28．5%下降至25．6%），SS去除率隨之增大（由25．0%增加至51．5%），并且隨著空隙率的繼續(xù)下降，SS去除率繼續(xù)增大．這主要是由于COD和SS的去除效果依靠混合料內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)的吸附和截留作用，因此試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布是關(guān)鍵，空隙大，SS截留的少，那么其固體懸浮物的去除率就會較低，相應(yīng)的一些有機(jī)污染物附著在固體小顆粒上，當(dāng)SS截留的少，相應(yīng)的COD的值也會小，這就是圖1表現(xiàn)的總體規(guī)律，即隨著空隙率的降低，COD和SS去除率隨之增大，只是不同階段增長幅度不同．

兼顧透水性和COD，SS去除效果，確定多孔瀝青混合料有效空隙率應(yīng)為20%左右．

2．3 兩類不同空隙結(jié)構(gòu)的去污效能

兩類不同空隙結(jié)構(gòu)指的是：一類是相同級配經(jīng)過充分壓實(shí)后形成的大致相同的空隙率，雖然空隙率相同，但其內(nèi)部微觀空隙結(jié)構(gòu)分布是不同的；另一類是不同級配經(jīng)不同壓實(shí)時間作用形成的大致相同的空隙率．這類空隙率雖然也相同，但其內(nèi)部不同顆粒含量、排列、分布是完全不同的．

2．3．1 相同級配

級配選擇了上述提到的4種級配類型，每一種級配3個平行試件空隙結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示．其去污效能的試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示．

圖2 相同級配三個平行試件空隙率的對比

圖3 相同級配三個平行試件COD去除率的對比

圖4 相同級配3個平行試件SS去除率的對比

由圖2～圖4可見，各相同級配經(jīng)過充分壓實(shí)后，所形成瀝青混合料平行試件的空隙率相當(dāng)，但有機(jī)污染物（COD）的去除效果卻有較大不同．其分布規(guī)律是，空隙率＞20%的多孔瀝青混合料，雖然成型試件的總體空隙大小相當(dāng)，但由于其內(nèi)部空隙較大，成型試件時，可能會造成內(nèi)部空隙分布有較大差異，這種空隙結(jié)構(gòu)的不同微觀分布導(dǎo)致COD去除效果有較大差別．當(dāng)空隙率＜20%時，由于內(nèi)部空隙空間有限，成型試件時，造成平行件間的空隙差別小，從而表現(xiàn)為大體相當(dāng)?shù)腃OD去除效果．固體懸浮物（SS）去除率的變化規(guī)律不太明顯，其去除效果與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙分布有很大關(guān)系，因此表現(xiàn)為相同級配平行件間存在明顯差異．這種差異只有在空隙率小到一定范圍后表現(xiàn)不明顯．

2．3．2 不同級配

不同級配選擇了填充系數(shù)分別為0．4，0．7和0．9，經(jīng)過不同壓實(shí)時間作用后形成相同空隙大小的試件，并進(jìn)行了經(jīng)過試件前后的水樣分析，試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖5．

表3 具有相近空隙率的不同級配類型的去污效果

圖5 不同級配相同空隙率試件去污效果的對比

不同級配混合料由于壓實(shí)程度不同，表現(xiàn)為相近的空隙率．但這種相近空隙率下混合料的去污效果明顯不同，而且差別較大．充分壓實(shí)情況下，即使空隙率稍大些，COD和SS的去除效果也較好．例如充分壓實(shí)的4－0．65－0．4級配混合料雖然空隙率表現(xiàn)為最大21．5%，但COD和SS去除率也最大．而由于壓實(shí)不足形成的空隙率，即使最小，但其COD和SS去除率效果最差．說明振動時間即是否充分壓實(shí)是決定材料是否形成穩(wěn)定空隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，同時影響其污染物的去除能力．由圖3和圖5對比分析可知，不同級配經(jīng)充分壓實(shí)后COD去除率相差14．8%（填充系數(shù)分別為0．7和0．9的對比），但同一級配（4－0．65－0．9）經(jīng)過不同壓實(shí)程度，其COD去除率可相差24．9%，見圖6．說明充分壓實(shí)比材料組成更為重要．充分壓實(shí)，空隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未充分壓實(shí)，連通空隙增多，固體懸浮物易隨著連通空隙流走，而有機(jī)污染物有一部分是附著在固體懸浮物上的，因此其COD和SS的去除率會明顯下降．由此可見材料如果壓實(shí)不足，不僅表現(xiàn)為力學(xué)性能的下降，同時表現(xiàn)為污染物去除率的下降．

圖6 4－0．65－0．9不同振動時間下的指標(biāo)變化

3 結(jié) 論

通過路表徑流水體透過不同孔隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料前、后水質(zhì)的變化，明確了孔隙結(jié)構(gòu)對路面徑流中的有機(jī)污染物和懸浮固體的去除效果，具體結(jié)論如下．

1）具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的多孔瀝青混合料對路表徑流均具有一定的有機(jī)污染物和固體懸浮物的去除效果，說明多孔瀝青混合料由于具有不同孔隙分布狀態(tài)，通過孔隙結(jié)構(gòu)的過濾、吸附和截留徑流水質(zhì)中的有機(jī)污染物和固體懸浮物，從而達(dá)到凈化水體的作用．

2）在級配設(shè)計和充分壓實(shí)的基礎(chǔ)上，多孔瀝青混合料隨著空隙率的降低，COD去除率和SS去除率明顯提高．當(dāng)空隙率達(dá)到20%左右時，COD去除效果趨于穩(wěn)定，而SS去除率還有提高的空間．從透水和去除效果兩方面考慮，瀝青混合料的有效空隙率應(yīng)在20%左右．

3）壓實(shí)程度對多孔瀝青混合料的去污效果影響顯著；充分壓實(shí)的試件即使空隙率大，但其COD去除率和SS去除率也明顯高于壓實(shí)不足的空隙率小的試件．說明充分壓實(shí)比材料組成更為重要．

［1］胡曙光，劉小星．排水降噪防滑瀝青路面材料的設(shè)計與施工［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2006，28（5）：69－72．

［2］蔣 瑋，沙愛民，肖晶晶．基于離散單元法的多孔瀝青混合料級配比選［J］．吉林大學(xué)學(xué)報，2011，41（1）：68－72．

［3］吳 浩，張久鵬，王秉剛．多孔瀝青混合料空隙特征與路用性能關(guān)系［J］．交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2010，10（1）：1－5．

［4］宋憲發(fā)，凌建明，朱云海．排水性瀝青路面降溫性與效果分析［J］．上海公路，2007（1）：18－21．

［5］KUANG Xuheng，GNECCO L．Particle separation and hydrologic control by cementitious permeable pavement［C］∥ Transportation Research Board．Washington D．C：ASCE，2007：111－117．

［6］SANSALONE J，ZHENG Teng．In situ partial exfiltration of rainfall runoff．I：quality and quantity attenuation［J］．Journal of Environmental Engineering，2004，130（9）：990－1007．

［7］SANSALONE J，KUANG Xuheng，RANIERI V．Permeable pavement as a hydraulic and filtration interface for urban drainage［J］．Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2008，134（5）：666－674．

［8］PARK B，TIA M．An experimental study on the water－purification properties of the porous concrete［J］．Cement and Concrete Research，2004，34（2）：177－184．

［9］SABBIR K，MASOUD K，MICHAEL K．Oil and grease measurement in highway runoff－sampling time and event mean concentrations［J］．Journal of Environmental Engineering，2006，132（3）：415－422．

［10］LI Yingxia，MASOUD K，MICHAEL K．Particle size distribution in highway runoff［J］．Journal of Environmental Engineering，2005，131（9）：1267－1276．

［11］陳 瑩．高速公路路面徑流污染特性的探討［J］．交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報，2004，27（1）：41－45．

［12］解曉光．按材料－結(jié)構(gòu)－工藝一體化原則設(shè)計瀝青碎石基層的研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004．