不同空隙结构沥青混合料对路面径流污染的控制效能＊

解晓光 王 龙 徐勇鹏

（哈尔滨工业大学交通科学与工程学院1） 市政环境工程学院2） 哈尔滨 150090）

0 引 言

多孔沥青混合料一般采用开级配或间断级配，粗集料含量超过60%、空隙率可达15%以上、内部含有较高的连通空隙，因此其能将路表降水迅速下渗，使得路面保持相对干燥，可以有效防止路表积水引起的水雾、车辆水漂，以及晴天眩目等［1］．多孔沥青混合料在减小地表径流的同时，发挥着蒸发降温、补给城市地下水的作用．而且多孔沥青混合料由于粗集料含量较高并形成骨架嵌挤结构，因此又具有良好的高温稳定性、抗滑性和吸声降噪性等优点，很好地体现了“与环境共生”的理念，因此日益受到重视．目前国内外主要针对多孔沥青混合料的级配设计方法、空隙分布特征与预估、路用性能、渗透能力、抗滑降噪以及降温效果等性能方面进行了较深入的研究［2－4］，但对多孔沥青混合料控制路表径流污染的研究很少，国内处于空白．因此，本文从多孔沥青混合料材料设计角度研究其控制路表径流污染的功效，这对净化城市地下水体、保持生态具有重要意义．

1 研究方法

1．1 径流污染的评价指标

已有研究成果表明［5－7］：公路径流中的污染物有悬浮固体SS和有机污染物COD、重金属、P、N营养物、氯化物、油和脂、农药和PAHs等．其中COD，SS是公路路面径流最主要的污染物，其主要来源于轮胎磨损颗粒、筑路材料磨损颗粒、运输物品的泄露、刹车连接装置产生的颗粒及其他与车辆运行有关的颗粒物、大气降尘及除冰剂等．因此本文确定路面径流污染的评价指标为COD和SS．并以COD去除率（%）和SS去除率（%）作为评价多孔沥青混合料污染控制效能的指标．COD去除率越大，表征去除水中有机污染物的能力越强．SS去除率越大，表征去除水中悬浮固体的能力越强．

1．2 水样的制备

试验的水样来源是根据已有研究成果确定的路面径流污染物成分和数量［8－9］，在实验室自行调配的水样．

1．3 成型方法

碾压成型是形成沥青混合料强度的一个关键．研究表明，对于粗集料大于60%的混合料，马歇尔压实标准偏低，振动压实可以明显提高压实标准［10］，同时考虑到试件成型应反映现代机械装备与工艺水平，因此本文采用了振动成型方法，由自行设计的频率、振幅与激振力等振动碾压3要素可调的上置式振动压实设备实现［11］．经最佳工艺试验研究采用的振动参数：激振力7kN、频率30Hz、振幅0．957mm、振动时间2．5min．试件尺寸：直径×高度＝152mm×100mm．

2 试验研究

2．1 材料组成

试验采用的是石灰岩集料，沥青为道路石油沥青A－90．沥青混合料级配设计采用的是体积设计法，主要考虑了3个影响因素［12］，即粗集料分布——骨架4、细集料分布——泰波指数，n＝0．65、不同的填充系数（0．1，0．4，0．7和0．9），以设计出目标空隙率分别为15%，20%，25%，30%的沥青混合料．具体级配见表1．

表1 级配组成表

2．2 不同空隙结构沥青混合料的去污效能

对不同空隙结构的沥青混合料分别成型试件，使室内调配的径流水质通过试件，从而得到经过不同空隙结构沥青混合料试件过滤的水样，在此基础上分别测定原水和过滤后水样的COD值和SS值，具体结果见表2和图1．

表2 原水通过不同空隙结构后的污染物去除情况

图1 不同孔隙结构沥青混合料去污效果

由图1可见，随着多孔沥青混合料空隙率的降低，COD去除率随之升高．空隙率由28．5%下降至25．6%时，COD去除率可提高87．7%；当空隙率由25．6%下降至19．9%时，COD去除率可提高67．5%；当空隙率达到20%左右再下降时，COD去除率变化不大．由此可以说明，沥青混合料空隙率越大，其对有机物去除效果越差，当空隙率达到20%左右时，COD去除效果趋于稳定．因此，从COD去除率角度而言，沥青混合料有效空隙率为20%左右．

由图1还可以看出，随着多孔沥青混合料空隙率的降低，SS去除率随之升高．随着空隙率的下降（由28．5%下降至25．6%），SS去除率随之增大（由25．0%增加至51．5%），并且随着空隙率的继续下降，SS去除率继续增大．这主要是由于COD和SS的去除效果依靠混合料内部微观孔隙结构的吸附和截留作用，因此试件内部孔隙结构分布是关键，空隙大，SS截留的少，那么其固体悬浮物的去除率就会较低，相应的一些有机污染物附着在固体小颗粒上，当SS截留的少，相应的COD的值也会小，这就是图1表现的总体规律，即随着空隙率的降低，COD和SS去除率随之增大，只是不同阶段增长幅度不同．

兼顾透水性和COD，SS去除效果，确定多孔沥青混合料有效空隙率应为20%左右．

2．3 两类不同空隙结构的去污效能

两类不同空隙结构指的是：一类是相同级配经过充分压实后形成的大致相同的空隙率，虽然空隙率相同，但其内部微观空隙结构分布是不同的；另一类是不同级配经不同压实时间作用形成的大致相同的空隙率．这类空隙率虽然也相同，但其内部不同颗粒含量、排列、分布是完全不同的．

2．3．1 相同级配

级配选择了上述提到的4种级配类型，每一种级配3个平行试件空隙结构的试验结果如图2所示．其去污效能的试验结果如图3和图4所示．

图2 相同级配三个平行试件空隙率的对比

图3 相同级配三个平行试件COD去除率的对比

图4 相同级配3个平行试件SS去除率的对比

由图2～图4可见，各相同级配经过充分压实后，所形成沥青混合料平行试件的空隙率相当，但有机污染物（COD）的去除效果却有较大不同．其分布规律是，空隙率＞20%的多孔沥青混合料，虽然成型试件的总体空隙大小相当，但由于其内部空隙较大，成型试件时，可能会造成内部空隙分布有较大差异，这种空隙结构的不同微观分布导致COD去除效果有较大差别．当空隙率＜20%时，由于内部空隙空间有限，成型试件时，造成平行件间的空隙差别小，从而表现为大体相当的COD去除效果．固体悬浮物（SS）去除率的变化规律不太明显，其去除效果与结构内部的空隙分布有很大关系，因此表现为相同级配平行件间存在明显差异．这种差异只有在空隙率小到一定范围后表现不明显．

2．3．2 不同级配

不同级配选择了填充系数分别为0．4，0．7和0．9，经过不同压实时间作用后形成相同空隙大小的试件，并进行了经过试件前后的水样分析，试验结果见表3和图5．

表3 具有相近空隙率的不同级配类型的去污效果

图5 不同级配相同空隙率试件去污效果的对比

不同级配混合料由于压实程度不同，表现为相近的空隙率．但这种相近空隙率下混合料的去污效果明显不同，而且差别较大．充分压实情况下，即使空隙率稍大些，COD和SS的去除效果也较好．例如充分压实的4－0．65－0．4级配混合料虽然空隙率表现为最大21．5%，但COD和SS去除率也最大．而由于压实不足形成的空隙率，即使最小，但其COD和SS去除率效果最差．说明振动时间即是否充分压实是决定材料是否形成稳定空隙结构的关键，同时影响其污染物的去除能力．由图3和图5对比分析可知，不同级配经充分压实后COD去除率相差14．8%（填充系数分别为0．7和0．9的对比），但同一级配（4－0．65－0．9）经过不同压实程度，其COD去除率可相差24．9%，见图6．说明充分压实比材料组成更为重要．充分压实，空隙结构稳定，未充分压实，连通空隙增多，固体悬浮物易随着连通空隙流走，而有机污染物有一部分是附着在固体悬浮物上的，因此其COD和SS的去除率会明显下降．由此可见材料如果压实不足，不仅表现为力学性能的下降，同时表现为污染物去除率的下降．

图6 4－0．65－0．9不同振动时间下的指标变化

3 结 论

通过路表径流水体透过不同孔隙结构沥青混合料前、后水质的变化，明确了孔隙结构对路面径流中的有机污染物和悬浮固体的去除效果，具体结论如下．

1）具有不同孔隙结构的多孔沥青混合料对路表径流均具有一定的有机污染物和固体悬浮物的去除效果，说明多孔沥青混合料由于具有不同孔隙分布状态，通过孔隙结构的过滤、吸附和截留径流水质中的有机污染物和固体悬浮物，从而达到净化水体的作用．

2）在级配设计和充分压实的基础上，多孔沥青混合料随着空隙率的降低，COD去除率和SS去除率明显提高．当空隙率达到20%左右时，COD去除效果趋于稳定，而SS去除率还有提高的空间．从透水和去除效果两方面考虑，沥青混合料的有效空隙率应在20%左右．

3）压实程度对多孔沥青混合料的去污效果影响显著；充分压实的试件即使空隙率大，但其COD去除率和SS去除率也明显高于压实不足的空隙率小的试件．说明充分压实比材料组成更为重要．

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