城市道路路面沉积物粒径分布研究

骆 辉 薛春霞 胡小波 张 燕 李 珍 崔成亮

(连云港市锐城建设工程有限公司， 江苏 连云港 222000)

城市道路路面沉积物粒径分布研究

骆 辉 薛春霞 胡小波 张 燕 李 珍 崔成亮

(连云港市锐城建设工程有限公司， 江苏 连云港 222000)

为了解不同功能道路路面沉积物粒度分布特征，为海绵城市理念下透水路面建设过程中堵塞行为的预防提供系统科学的依据，在研究区域内采集8种不同类型道路沉积物样品，采用2000型激光粒度分析仪对粒度成分分析，使用应用广泛的温德华氏粒级标准对沉积物进行分类，福克及沃德的图解法对平均粒径、中值、分选系数、偏度及峰态五大参数分析。结果表明：不同功能的路面，其沉积物粒径分布差异性较大，但基本上呈现对称分布，中砂、粉粒质量最多，粗砂、极粗砂和粘粒的含量相对较少，道路沉积物中80%以上的粒径集中在500μm以下；所有路面沉积物的平均粒径介于0.09～0.29mm之间，平均值为0.14mm，属于细砂；道路沉积物中分选性一般，其中重交通区优于人行道和其他下垫面的非机动车道，分选性大小依次为：重交通区非机动车道>重交通区机动车道>林区机动车道>住宅区机动车道。研究结果对透水沥青路面设计、病害防治提供指导性依据。

路面沉积物；粒度分布；粒度特性参数；分选性；偏度

粒径不同的碎石、灰尘、土粒、草屑以及轮胎磨损物等固体颗粒物汇积于路表面，称为路面沉积物，在晴天干燥期以风为载体，以扬尘形式进入大气环境中产生累积，在交通量大的城市道路表面更为严重，随着海绵城市的建设，透水混凝土路面得到了越来越广泛的应用，沉积物堵塞透水路面是路面病害之一，此问题亟待解决，研究沉积物粒径特征对解决透水混凝土路面堵塞问题具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

在集中降雨后，选择晴朗无风的天气，考虑不同的道路结构、不同功能区沉积物中存在的差异，选择南京城区8种类型的道路进行采样，采样地点如表1所示，采样时间为2015年12月(冬季)、2016年1月(冬季)、2016年4月(春季)、2016年8月(夏季)、2016年10月(秋季)，在这5个月分别对每个采样点进行采样，采样方式为人工清扫，共采集样品40个。

表1 采样地点及特征

每个采样点首先用钢尺沿着行车轮迹量出长宽为1m的正方形区域(见图1)，然后用手摇自动喷漆将区域固定做好标记，在标定区域内用毛刷清扫，装入塑料袋中密封，并当场记录样品采集时间和位置。用镊子去除沉积物中树枝、头发、烟头等杂物，待自然风干。

图1 现场取样图

将收集的路面堵塞物样品按以下步骤进行预处理：

(1)样品的分散。取5 g样品放入小烧杯中，加入0.5 mol/L草酸钠2 mL，用玻璃棒搅拌，浸泡，使样品中的小团快速充分分散达到原始状态[1]。

(2)除去有机质。路面沉积物中有机质主要以碳的形式存在，故用过氧化氢(H2O2)去除[2]，在样品中加入2 mL过氧化氢，搅拌摇晃，直至无明显气泡冒出。

(3)除去胶结物。样品中可能含有碳酸盐，故用HCl进行分解，在样品中加入1mL盐酸，搅拌。反应式为：CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑[3]。待反应完全后，即可上机测试。

1.2 粒度测量方法

粒度分析方法主要取决于所研究颗粒物的大小及松密程度，粒径较大的砂石多采用直接测量法，细颗粒多采用筛分法，粉砂、黏土等采用沉降法、小孔通过法、吸附法、比重计法和流水法，而对于固结的岩石只能采用薄片粒度分析法[4]。

目前参考我国沉积物的研究方法，当粒度范围在0.02～2000μm时，多采用激光粒度分析仪。本实验粒度特征在南京林业大学沥青分析实验室利用2000型激光粒度分析仪进行测定。

1.3 粒度分级方法

路面沉积物粒度的分级采用应用广泛的温德华氏粒级标准，分别为极粗砂(2.0～1.0 mm)、粗砂(1.0～0.5 mm)、中砂(0.5～0.25 mm)、细砂(0.25～0.125 mm)、极细砂(0.125～0.063 mm)、粉粒(0.063～0.004 mm)与粘土(<0.004 mm)[5]。首先由累积曲线上读得累积百分比处的颗粒直径，然后采用福克及沃德的图解法[6]计算粒度参数：平均粒径(Mz)、中值(Md)、分选系数(Φ1)、偏度(Sk)与峰态(Kg)，进而分析不同功能道路路面沉积物特征的水平分异。

2 路面沉积物特性分析

2.1 粒径分布

路面沉积物颗粒大小是影响透水沥青路面堵塞效应的主要指标，不同采样点的样品经过粒度分析后，粒径质量比见表2及图2。由图可以看出，不同功能的路面，其沉积物粒径分布差异性较大，但基本上呈现正态分布的特征，中砂、粉粒质量最多，粗砂、极粗砂和粘粒的含量相对较少，甚至为零，各种功能的道路，80%以上的粒径集中在500 μm以下。

本实验主要采用人工清扫的方式，粒径小于0.04 mm的粘粒不容易被人工清扫的方式收集，同时，此种极小粒径的颗粒物可能在大风天气悬浮于空气中形成可吸入颗粒，或者随着降雨过程被路面雨水径流冲刷带走。更大粒径的路面沉积物在日常养护中容易被清理掉。

表2 不同功能道路沉积物粒径含量表 单位：%

不同路面的粒径分布差异与采样点车流量、人流量、环境、天气、累积等因素有关外，还受到路表面材质类型和凹凸程度的影响。由图2可以看出，重交通机动车道的粒径质量分布最不均匀，沥青路面的人行道上沉积物的粒径分布最为均匀，居民区和教学区的粒径均较小，可能是由于此区域人流量大，且无重型荷载，人群荷载碾压较为充分，校园内清扫及时，较粗颗粒的沉积物容易被去除掉。同时发现，相比于沥青路面，水泥路面表面平整度较差，产生的沉积物质量更多，且粒径偏大。

各个采样路面的沉积物粒径分布所呈现出来的差异，反映出路面沉积物来源的多样性，同时也反映出沉积物受碾压和人工清扫等人为活动的影响非常大，故在进行透水沥青路面模拟堵塞实验时，必须考虑到路面堵塞物的粗细程度和颗粒级配，将沉积物分为粗砂、细砂和全级配砂。

其中，标准差S的计算公式为：

图2 不同采样点路面沉积物粒径质量分布

2.2 粒度特征

总体而言，不同下垫面的道路沉积物类型主要为细砂和粉粒。主要通过平均粒径、分选系数、偏态和峰态四个参数对路表面沉积物特征进行研究分析，参数意义不尽相同。根据区域内所采集样本的试验结果，比对不同功能的路面沉积物粒径，并结合影响沉积物粒度的主要因素进行分析。

区域内沉积物样品粒度参数统计情况见图3，所有路面沉积物的平均粒径介于0.09～0.29 mm之间，平均值为0.14 mm，属于细砂。道路的沉积物平均粒径分布见图4，图中看出，各个道路中沉积物平均粒径相差较大，其中以水泥为下垫面的机动车道的平均粒径最大，达到283μm，以沥青为下垫面的机动车道中平均粒径最小，仅为98μm。可能是由于水泥路面的抗摩擦性能低于沥青路面，在反复移动荷载下更容易导致表层脱落。

平均粒径(mm)分选系数

峰度偏度图3 研究区域沉积物粒度参数占比

图4 道路沉积物平均粒径分布图

道路沉积物的分选系数大小可以客观反映道路沉积物中的均匀程度，路表沉积物的分选系数越小，分选性就越好。如果粒级范围分布大，粒级特征不突出，分选性就差。所有道路中的分选系数集中在1.8～4.7之内，平均值是2.63，且调查样本中62%的分选为中等，所占比例为最大，按照Folk和Ward的分选性等级表可知，道路沉积物中分选性一般，其中重交通区要好于人行道和其他下垫面的非机动车道中，分选性大小依次为：重交通区非机动车道>重交通区机动车道>林区机动车道>住宅区机动车道。

路面沉积物粒径的平均值与中位数的相对变化通常由偏态来表征，当偏态值Ski为零时，粒度分布曲线呈对称分布，此时平均值和中位数重合；当Ski>0时，表示道路沉积物的平均值在中位数右侧，峰度偏向细端部；相反，当Ski<0时，粒度则集中在细端。在调查的样本中，47%的为近对称，负偏和极负偏的分别为26%和32%。

3 结论

(1)不同功能的路面，其沉积物粒径分布差异性较大，但基本上呈现对称分布，中砂、粉粒质量最多，粗砂、极粗砂和粘粒的含量相对较少，道路沉积物中80%以上的粒径集中在500μm以下。

(2)所有路面沉积物的平均粒径介于0.09～0.29 mm之间，平均值为0.14 mm，属于细砂。道路沉积物中分选性一般，其中重交通区要好于人行道和其他下垫面的非机动车道中，分选性大小依次为重交通区非机动车道>重交通区机动车道>林区机动车道>住宅区机动车道。

[1] 刘幼萍,童娟,李小妮．应用马尔文MS2000激光粒度分析仪分析河流泥沙颗粒[J]．水利科技与经济,2005,11(6)：329-331.

[2] 孙有斌,高抒,鹿化煜．前处理方法对北黄海沉积物粒度的影响[J]．海洋与湖沼，2001,32(6):665-670．

[3] 王德杰,范代读,李从先.不同预处理对沉积物粒度分析结果的影响[J]．同济大学学报，2003,31(3)：314-318．

[4] 施汝权，潘安定．沉积物粒度的实验室处理与环境信息的提取[J]．太原城市职业技术学院学报，2004,57(4)：165-166．

[5] Blott S J，Pye K. Gradistat: A grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediment[J].Earth Surface Processes and Landforms， 2001，26(11)：1237-1248.

Astudyondistributionofgrainsizeofsedimentonthesurfaceinurbanroad

Luo Hui, Xue Chunxia, Hu Xiaobo, Zhang Yan, Li Zhen, Cui Chengliang

(Company of Ruicheng Construction Engineering, Lianyungang 222000, China)

In order to understand the distribution characteristics of grain size of the sediments on surface of roads with various functions, servicing as the scientific basis for the prevention of the blockage during the construction of porous pavement under the concept of "Sponge City", samples of eight different types of road sediments collected in the study area were analyzed in terms of components of grain size using laser granularity analyzer model 2000, and then were classified applying widely used Udden-Wentworth grade scale. Five parameters including average grain diameter, the median, the sorting coefficient, the skewness and the kurtosis were also analyzed using Folk and Ward graphic method. The results show that difference in terms of distribution of the sediment grain size is significant among roads with various functions. However, the distribution is basically in a symmetrical form, whereas medium sand and silt rank first in terms of quantity while coarse sand and clay content are relatively low, grain size of more than 80% of road sediment particle size is found to be below 500μm; The average grain size of all surface sediments are in a range from 0.09 to 0.29mm, with an average of 0.14mm, meaning that they can be classified as fine sand. All the sediments are found to be low in grain size selectivity, whereas the road under heavy traffic area is better than that of the pavement and other non-motor vehicle lanes. The order in terms of the grain size selectivity is

shown as follow: non-motor vehicle driveways in heavy traffic area>motor vehicle roads in heavy traffic area>motor vehicle roads in forest area>residential motor vehicle driveways. The results can provide guidance for the design of permeable asphalt pavement.

the sediment of the road; grain size distribution; parameters of size characteristic; selectivity；skewness

X52

A

2017-09-22; 2017-11-06修回

骆辉(1990-)，男，江苏连云港人，硕士研究生，主要从事工程环境方面的研究。E-mail:287356192@qq.com