净化路面径流用大孔隙沥青混合料长期性能研究

甘文霞,罗子彪,程 刚,胡小弟,潘 攀

(1.武汉工程大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074；2.武汉工程大学 邮电与信息工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市不透水路面面积日益增大，由此带来的环境问题也日益突出[1]。其中，不透水路面上的径流污染物因其浓度高、负荷大已成为环境污染的重要问题之一[2]。因此路面雨水径流污染物的控制和净化，是亟待解决的问题。

透水性沥青路面因其丰富的内部孔隙结构，路面雨水径流在其下渗的过程中通过各结构层和吸附材料的过滤、吸附、截留等作用，起到了净化路面径流污染物的作用[3]。已有研究表明[4]，在沥青混合料中掺入一定量的活性炭，可以提高大孔隙沥青混合料对径流污染物的净化效果。进而增强透水性沥青路面净化路面径流的能力。

然而，掺活性炭的大孔隙沥青混合料在长期使用过程中，能否保持良好的净化效果和路用性能，尚不明确。因此，本文研究掺活性炭的大孔隙沥青混合料在服役过程中路用性能和径流净化性能的变化规律，为其组成设计及应用提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 原材料及掺活性炭的沥青混合料设计

本文采用的是辉绿岩集料、SBS改性沥青和聚酯纤维，主要技术指标均满足规范要求。根据已有的研究结果[4]，当掺活性炭的大孔隙沥青混合料空隙率为18%时，对路面雨水径流的净化效果达到最佳。因此，本文初步确定掺活性炭沥青混合料的目标空隙率为18%。

参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[5]和《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTGT 3350-03—2020)[6]，本试验确定的掺活性炭的大孔隙沥青混合料级配如图1所示。

图1 级配曲线图

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTG E20-2011)[7]进行马歇尔试验、肯塔堡飞散试验、谢伦堡沥青析漏试验确定大孔隙沥青混合料的最佳油石比。根据图2混合料析漏损失率和飞散损失率随油石比的变化结果，确定混合料的最大沥青用量和最少沥青用量，参考规范要求，一般通过析漏试验确定的最大沥青用量为最佳沥青用量[8]，因此最终确定的最佳油石比为6.3%，聚酯纤维掺量为集料的3‰，对应的空隙率为18.0%。

图2 飞散和析漏随油石比的变化

1.2 径流污染物的配置及测定方法

路面雨水径流中的污染物有固体悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、重金属铅(Pb)、重金属锌(Zn)、氮磷营养物、多环芳烃(PAHs)等，其中SS、COD、Pb、Zn是路面径流最主要的污染物，主要来源于轮胎磨损、大气沉降、机油泄漏等[9-13]。因此本文确定的径流污染物主要评价指标为COD、SS、Pb、Zn，并选取pH和浊度为辅助指标。

对于路面雨水径流溶液的来源，许多研究者根据已有的研究成果自配雨水径流溶液[14-16]。因此本文根据已有的研究结果确定污染物的成分和含量[4]，在实验室自行配置径流溶液。自配的路面雨水径流配置方法和检测方法如表1所示。

表1 径流污染物配置及检测方法Table1 Runoffpollutantsconfigurationanddetectionmethods径流污染物指标配置方法检测方法化学需氧量(COD)邻苯二甲酸氢钾重铬酸钾法固体悬浮物(SS)硅藻土重量法重金属Pb醋酸铅ICP-MS重金属Zn六水硝酸锌ICP-MS浊度/SGZ-200AS浊度仪pH/pH检测计

1.3 径流渗流装置

为了在室内模拟自然降雨的过程，本文采用一个可以模拟自然降雨过程的渗水装置，这个装置主要由蓄水装置、出水装置、搅拌装置、过滤装置和采样装置5个部分组成。蓄水装置采用25 L的塑料桶储存径流溶液，配置了自动搅拌装置以保证蓄水装置中径流溶液的均匀性，过滤装置采用直径为152 mm和102 mm的铝合金不锈钢桶，并准备好防水密封材料填充沥青混合料试件和不锈钢桶的缝隙。当打开出水装置后，径流溶液会完全流过掺活性炭的沥青混合料试件，最终由采样装置收集。渗流装置示意图如图3所示。

图3 渗流试验装置示意图

1.4 耐久性试验方法

为了探究掺活性炭的开级配沥青混合料净化路面雨水径流污染物的耐久性和路用性能耐久性，本文从多次雨水径流冲刷、老化、冻融循环3个方面试验进行研究。

a.多次雨水径流冲刷试验。

组装好路面雨水径流渗流装置并自配路面雨水径流溶液，根据武汉市年均降水量以及SGC试件的尺寸模拟开级配沥青混合料一年受到的雨水冲刷量，武汉市2019年的年均降水量约为1 260 mm，故模拟1 a的雨水冲刷需要的路面雨水径流溶液约为22.25 L，计算如下：

V=P(降雨量)×S(试件面积)=

1 260×π×75×75×0.000 001=22.25

单片机P2口的高四位接电动机驱动芯片L298输入端和使能端，P0口的高五位接五个循迹模块。红外通信模块使用P1.0，P1.1和P3.1口。两个电机由单片机的P2口高四位控制，其中P2.5为使能端ENA，P2.7为使能端ENB，均为低电平有效。设置电动机控制代码如表2所示，其中的二进制代码只需关心高四位数值即可。

将成型好的SGC试件两侧用塑料防水薄膜包裹放入套筒中，并用防水胶泥密封试件与套筒的缝隙，防止雨水径流溶液从缝隙渗入，导致净化效果，密封好后将套筒连接至渗流装置开始模拟雨水径流的冲刷，分别模拟0.5、1、2、5、7、10 a的雨水径流冲刷。

b.长期老化试验。

本试验参考国内外老化试验的要求，将松散的沥青混合料放置于(135±1)℃的烘箱中加热(240±5)min进行短期老化，将经过短期老化的沥青混合料成型试件，放入85 ℃的烘箱中分别进行1、2、3、4、5 d的长期老化。

c.冻融循环试验。

由于大孔隙沥青混合料较大的连通孔隙率特征，普通的真空饱水并不能有效的使试件内部饱水，因此本文将冻融试验中试件在真空饱水15 min的试验步骤，改为将试件置于常温水中浸泡24 h，将浸泡好的试件放入-18 ℃±2 ℃的恒温冰箱中冷冻16 h，将试件取出并放置于60 ℃的恒温水槽中保温8 h，进行不同次数的冻融循环试验。

2 掺活性炭的沥青混合料体积性能

为了探究掺活性炭的沥青混合料在净化径流污染物的过程中，混合料试件体积性能的变化。本文从多次雨水径流冲刷、长期老化、冻融循环3个方面的试验进行研究。

由图4可知，掺活性炭的沥青混合料经过多次径流冲刷后，试件的空隙率从18.55%降低到了18.28%，连通空隙率从14.56%增加到了14.80%，这是因为试件在净化雨水径流污染物的过程中，污染物中的固体悬浮物堵塞了试件的内部孔隙，导致空隙率下降。

图4 空隙率随模拟年限的变化情况

由图5可知，掺活性炭的沥青混合料在85 ℃的烘箱中经过长期老化后，其空隙率降低了0.4%，连通空隙率降低了1.1%，这是由于混合料试件在高温环境下沥青胶浆迁移导致其内部孔隙结构发生变化，并且有部分径流污染物附着在试件的内部孔隙中，导致空隙率降低。

图5 空隙率随老化天数的变化情况

由图6可知，掺活性炭的沥青混合料在经过不同次数的冻融循环后，空隙率降低了0.5%，连通空隙率先降低后逐渐增大，这主要是由于试件经过饱水后，试件内部的水结冰对内部孔隙结构造成了推挤，造成试件内部孔隙结构发生了变化。

图6 空隙率随冻融次数的变化情况

3 掺活性炭的大孔隙沥青混合料路用性能耐久性

本文对掺活性炭的大孔隙沥青混合料路用性能的耐久性研究主要是通过对沥青混合料进行不同程度的老化和冻融处理，然后再对其进行浸水飞散、冻融劈裂等路用性能试验。

3.1 老化对掺活性炭的大孔隙沥青混合料抗飞散性能的影响

浸水肯塔堡飞散试验可以很好的模拟试件在交通荷载的反复作用下，由于集料与沥青的黏结力不足引起集料的脱落、掉粒、飞散等。本文对掺活性炭的大孔隙沥青混合料分别进行不同天数的长期老化，然后对经过老化后的沥青混合料试件进行浸水飞散试验，研究不同老化程度对掺活性炭的大孔隙沥青混合料的水稳定性和抗剥落性的影响。

由图7可知，未经过老化和经过短期老化的掺活性炭的沥青混合料具有良好的抗水损和抗剥落能力，但是经过长期老化后，试件的浸水飞散损失率显著增大，在经过5 d的长期老化后，浸水飞散损失率达到了33.64%。这是由于在长期老化的过程中，沥青与集料之间的黏附性逐渐降低，并且由于大孔隙沥青沥青混合料具有较大的空隙率，试件与外界空气和水的接触面积较大，导致试件更容易受到老化的影响。

3.2 冻融循环对掺活性炭的大孔隙沥青混合料水稳定性影响

本文将经过常温水中浸泡24 h的掺活性炭沥青混合料进行不同次数的冻融循环试验，再进行劈裂试验，以冻融劈裂强度比来表征掺活性炭的沥青混合料的水稳定性。

由图8可知，冻融循环初期对掺活性炭的大孔隙沥青混合料试件影响并不明显，当冻融循环次数达到10次的时候，试件的冻融劈裂试验强度比明显下降，下降到80.8%，结合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[8]对冻融劈裂试验强度比不小于80%的要求，掺活性炭的大孔隙沥青混合料具有良好的水稳定性。

图8 冻融循环对水稳定性的影响

4 掺活性炭的沥青混合料净化效果耐久性

为了探究掺活性炭的开级配沥青混合料净化路面雨水径流污染物的耐久性，本文准备从多次雨水径流冲刷、老化、冻融循环3个方面的试验进行研究。

4.1 多次径流对净化效果的影响

对掺活性炭的沥青混合料试件进行不同模拟年限的径流冲刷试验，研究模拟不同降雨年限对掺活性炭的大孔隙沥青混合料净化效率的影响。

由图9可知，掺活性炭的开级配沥青混合料对路面雨水径流污染物有着良好的净化效果，但随着模拟降雨年限的增长，掺活性炭的开级配沥青混合料对径流溶液各种污染物的净化效率有着不同程度的降低，其中固体悬浮物和浊度的净化效率在模拟年限达到5 a时开始大幅下降，COD的净化效率在模拟年限到达7 a时开始大幅下降，重金属Pb和Zn总体上也是呈下降的趋势。

由图9可以看出SS、COD和浊度的下降趋势具有一定的相似性，这是因为SS、COD和浊度的净化效率主要和试件的内部孔隙结构和活性炭的表面空隙有关，随着径流冲刷次数的增加，试件的内部孔隙和活性炭的表面空隙对悬浮物的截留达到了一定的饱和，以至于当模拟降雨年限达到5 a后，试件的内部孔隙结构并不能有效地对悬浮物产生截留净化作用。

图9 径流污染物净化效率随模拟年限的变化情况

重金属Zn的净化效率相对于重金属Pb的净化效率较低，模拟年限为0.5 a时，Pb的净化效率达到62.0%，而Zn的净化效率只有27.8%，这可能是因为醋酸铅在被净化的过程中容易残留在其他物体上，导致Pb的净化效率较高，而重金属Zn在被活性炭净化过程中，由于径流溶液的pH偏酸性，在pH<6时，活性炭对于重金属Zn的净化效率较低，并且随着pH的降低，活性炭净化Zn的效果也会随之降低[17-18]。

4.2 老化对净化效果的影响

对经过不同程度长期老化的马歇尔试件进行路面雨水径流渗水试验，研究不同程度长期老化对掺活性炭的大孔隙沥青混合料净化效率的影响。

由图10可知随着老化天数的增加，掺活性炭的沥青混合料对雨水径流各污染物的净化效果都呈现下降趋势。其中当老化天数达到第3 d的时候，COD、SS、浊度和重金属Pb 的净化效率达到最低，净化效率分别从94.7%、31.8%、69.6和57.3%降低到了66.4%、14.0%、12.7%和31.6%。长期老化对掺活性炭的沥青混合料净化溶液的pH影响并不明显，由于径流溶液一直处于偏酸性的环境，掺活性炭的沥青混合料对重金属Zn净化效率的变化并不明显，净化效率在26.8%附近小幅波动，波动并不大。

图10 径流污染物净化效率随老化天数的变化情况

4.3 冻融循环对净化效果的影响

对经过冻融循环的马歇尔试件进行路面雨水径流渗水试验，研究不同冻融循环次数对掺活性炭的大孔隙沥青混合料净化效率的影响。

由图11可知，经过前两次的冻融循环试验后，COD、SS和浊度的净化效率稍有升高，这有可能是因为在冻融循环过程中，试件中的水结冰，使得试件内部的孔隙结构发生了一定的改变，但是当冻融循环次数超过2次后，COD、SS和浊度的净化效率随着冻融循环次数的增加而降低，而重金属Zn和Pb的净化效率则一直随冻融循环次数的增大而降低。

由图11可知，pH的变化并不明显，因此冻融循环对试件净化径流pH的影响不大。

图11 径流污染物净化效率随冻融次数的变化情况

5 结论

a.通过模拟不同年限的降雨试验可知，沥青混合料对径流污染物的净化效率随着模拟降雨年限的增加而降低，由于沥青混合料试件孔隙的堵塞，固体悬浮物和浊度的净化效率在模拟降雨年限第5 a开始迅速下降。

b.通过模拟老化试验可知，当老化天数达到第3天的时候，COD、SS、浊度和重金属Pb的净化效率达到最低。并且随着老化时间的延长，混合料试件的耐久性会明显降低，这说明沥青混合料的老化作用是影响大孔隙沥青混合料耐久性的重要因素。

c.通过冻融循环试验可知，冻融会改变试件的孔隙结构，可能会一定程度地提升试件对径流污染物的净化效果，但是随着冻融次数的增多整体的净化效率还是会下降。并且随着冻融循环次数的增加，混合料试件的冻融劈裂试验强度比会有一定程度的下降，但是下降程度不大，具有良好的水稳定性和耐久性。