沥青混合料对水环境的影响

陈 俊，张倩倩，黄晓明，吴建涛，刘 云

（1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

在日常生活中，沥青类材料与水的接触主要存在以下几种方式：（1）沥青类材料作为水池或水道管线的防水、防锈材料与水接触；（2）房屋屋顶和建筑物地下工程的防水常使用沥青类材料；（3）降雨条件下，城市道路、高速公路的沥青路面与水接触.上述3种方式中，最后一种方式由于受到车辆荷载与水引起的动水压力影响，使水与沥青路面的作用较前2 种方式更为显著，相互影响程度也更剧烈.

正是基于上述原因，降水条件下雨水与沥青路面的相互作用长期以来都是道路工作者研究的热点.但以往的研究主要分析沥青混合料受到水作用后的强度降低、集料与沥青黏附性的减弱等路面水损害问题［1－2］，而关于沥青路面或者沥青混合料对雨水性质的影响目前还未得到深入和系统的研究.另一方面，近年来随着国民经济的不断发展，人们对自然环境越发关注，其中沥青类材料对人体的危害正逐渐受到人们的重视［3－4］.目前，已知沥青及其烟气对皮肤黏膜具有刺激性，有一定的光毒作用和致肿瘤作用，而关于水与沥青混合料接触后水质的变化尚未有系统研究.

为此，本文以水为研究对象，研究沥青混合料对水质的影响.首先，在实验室内成型沥青混合料的马歇尔试件，成型试件时考虑了沥青标号、空隙率大小、抗剥落剂是否添加等因素；然后制备具有不同pH 值的水样；最后把试件浸泡在水样中，在真空饱水一定时间后，测试水样的各项指标，分析沥青混合料对水质的影响.

1 试样制备

1.1 沥青混合料的马歇尔试件

沥青：壳牌70＃和90＃基质沥青；集料：石灰岩；马歇尔试件采用AC－13和AC－16两种级配.为了考察沥青混合料空隙率对水质的影响，马歇尔试件的空隙率φP1）文中所涉及的空隙率为体积分数；油石比等均为质量分数.拟定为6%和10%，所对应的油石比如表1所示.

表1 AC－13和AC－16级配Table 1 Gradations used for AC－13and AC－16

使用抗剥落剂可以有效增强集料与沥青之间的黏附性.为了研究添加抗剥落剂后的沥青混合料对水质的影响，本文选择消石灰填料（以1.5%的消石灰作为填料等质量替代矿粉）作为抗剥落剂.在综合考虑沥青混合料级配、空隙率、沥青标号和抗剥落剂的影响后，本文设计了如表2所示的10组沥青混合料试件.

表2 10组沥青混合料试件Table 2 Ten groups of asphalt mixture samples

1.2 水样的制备与检测

用于试验的水样分为2组：（1）生活用自来水的1＃水样；（2）考虑到酸雨在中国多数工业发达城市比较普遍，且多以硫酸雨为主，而一般酸雨的pH 值在5.6以下［5－6］，因此本文在生活用自来水中添加硫酸盐，配制成pH 值为5.0的2＃水样.此外，水样的温度统一为20℃.

考虑到集料多为碱性、沥青为酸性且含有重金属元素的特点，并参照国外关于沥青防水涂层对水质的影响分析［7－10］，以及GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中的水质常规指标，本文选择了pH值、耗氧量、总硬度、硒含量和砷含量这5个指标用于水质分析.委托某疾病预防控制中心对1＃水样进行了测试，结果见表3.需要说明的是，由于后续测试的水样都是在水与沥青混合料相互作用后提取的，故为保证横向比较的准确性，对1＃水样的水质进行测试前先将其倒入沥青混合料与水相互接触的容器后再行提取，因此水可能受到容器壁的污染，导致其耗氧量高于GB 5749—2006 规定的限值.另外，表2所示的每组沥青混合料均包括2个试件，每组水样也包括2份，1个试件在1份水样中浸泡后再测试水质，由此可以得到2个测试值，结果取其均值.

表3 1＃水样测试结果Table 3 Results of 1＃ water sample

2 沥青混合料对水质的影响

降水条件下，水与沥青混合料的相互作用过程可以认为是：雨水通过路表或空隙与沥青混合料相接触；在接触或浸泡一段时间后，沥青混合料的力学性能出现劣化，其中各类物质或成分迁移至水中，造成可能的水污染.为了模拟上述相互作用的过程，本文首先成型表2所示的10组沥青混合料马歇尔试件，其中掺加消石灰试件的成型工艺为：先将消石灰掺加在集料中搅拌均匀→加沥青搅拌→加矿粉搅拌→击实成型；然后把各试件放入1＃和2＃水样中，对浸泡试件的容器抽真空，参照JTG E70—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中饱水率试验相关规定，在真空度97.5kPa条件下饱水24h；最后取出沥青混合料试件，测试被试件浸泡24h之后的水质.

实际情况下，水与路面沥青混合料的接触会受到车辆荷载引起的动水压力作用，选择真空饱水方式可使水与沥青混合料充分接触和作用，而真空饱水的时间选择24h，主要是考虑到一些城市路段中，雨水降落到路表后并不能顺畅排出，路表积水1d是比较常见的现象.

以下按照pH 值、耗氧量、总硬度、硒和砷含量，对被沥青混合料浸泡24h 之后的水质变化进行分析.

（1）pH 值图1为被10组试件浸泡24h之后，1＃及2＃水样的pH 值，其中纵坐标原点为1＃水样原液的pH 值.由图1可见，1＃水样被各组试件浸泡后，其pH 值都高于8.3；2＃水样被各组试件浸泡后，其pH 值都高于5.0，这说明浸泡沥青混合料后水的碱性有较大幅度的提高.原因可能是本文试验采用的矿料和填料为碱性的石灰岩，沥青混合料在拌和过程中可能有部分矿料和矿粉的部分表面没有完全被沥青裹覆，这些未完全裹覆沥青的碱性集料在真空饱水24h后会引起水样pH 值的升高.

图1 浸泡沥青混合料24h后的水样pH 值Fig.1 pH values of water samples after immersing asphalt mixture for 24h

另一方面，被不同试件浸泡后，水样的pH 值有较大差异，表现为：（a）与空隙率大的试件相比，被空隙率小的试件浸泡24h 后，水样的pH 值增幅较小.这可能是由于本文试件的空隙率是由沥青用量来控制的，空隙率越小、裹覆集料的沥青用量越多，则集料碱性对水的影响越小，故其pH 值增幅越小.（b）在试件空隙率相同时，级配对浸泡后水样pH 值的影响不大.（c）被使用抗剥落剂的E和J试件浸泡后，水样的pH 值增幅较小，表明使用抗剥落剂可降低沥青混合料对水质的不良影响.原因是消石灰有效增强了集料与沥青之间的黏附性，降低了沥青在真空饱水条件下因剥落引起集料裸露的可能性.需要说明的是，由于沥青混合料拌和过程中消石灰和集料先与沥青搅拌，然后再添加矿粉搅拌，可以认为消石灰被沥青裹覆的程度要好于矿粉.这也是尽管作为抗剥落剂的消石灰具有很强的碱性，但被E 和J试件浸泡后的水样pH 值增幅较小的主要原因.从这个意义上来说，若为了降低沥青混合料对水质pH 值的影响而使用消石灰作为抗剥落剂的话，则消石灰在沥青混合料拌和时要先于矿粉添加.（d）被各组试件浸泡24h后，酸性的2＃水样pH 值略小于1＃水样，考虑到1＃和2＃水样原液的pH 值分别为8.3和5.0，则因浸泡沥青混合料而导致2＃水样pH值增大的幅度要大于1＃水样pH 值增大的幅度，即从pH 值变化幅度看，酸性水质受沥青混合料的影响更大.

（2）化学耗氧量 沥青是有机物的一种，沥青混合料对水体的污染不仅表现在pH 值的变化上，还可能表现为水体中有机物含量的提高，导致水体出现有机物污染.化学耗氧量是评价有机物污染程度常用的指标之一.本文按照GB 5749—2006 的规定，采用碱性高锰酸钾法测定了2种水样真空浸泡沥青混合料24h 后的化学耗氧量，结果如图2 所示，其中纵坐标值4.6mg／L为1＃水样和2＃水样未接触沥青混合料时的化学耗氧量.

图2 浸泡沥青混合料24h后的水样耗氧量Fig.2 Oxygen demand of water samples after immersing asphalt mixture for 24h

由图2不难看出，被沥青混合料浸泡后的水样化学耗氧量高出水样原液化学耗氧量的3～4倍，说明水中有机物含量在浸泡沥青混合料24h之后显著增大.另一方面，被沥青混合料浸泡之后的2种水样耗氧量略有差异，2＃水样的耗氧量稍高于1＃水样，原因可能是相对于中性的1＃水样，沥青中有机物更容易迁移到偏酸性的2＃水样中.另外还可看出，与空隙率为10%的其他试件相比，被空隙率为6%的A，C，F，H 试件浸泡后的水样耗氧量略小.这是由于试件空隙率越小，与水样接触的沥青表面积越小，沥青中有机物向水样迁移的数量就越少.这说明提高水样的pH 值至中性和降低沥青混合料的空隙率这2种措施都可以在一定程度上降低有机物从沥青迁移到水样中的数量.

综上所述，沥青结合料是导致水样中化学耗氧量增大的主要原因；集料级配和使用消石灰作为抗剥落剂对水样耗氧量的影响不明显.通过降低混合料空隙率、适当提高水样的pH 值至中性、缩短沥青与水样的浸泡时间等方式，可以降低水样中有机物含量.

（3）总硬度 总硬度是评价水质的一个重要指标，它主要通过钙离子含量来描述.通过监测总硬度，可以知道所用的水是否可以用于工业生产及日常生活，如硬度高的水可使洗涤剂的效用大大降低；烧锅炉时易堵塞管道，引起锅炉爆炸事故；高硬度的水难喝、有苦涩味，饮用后甚至影响胃肠功能等.由于沥青混合料中的矿料主要成分为碳酸钙，与水接触后其中的钙离子很可能迁移到水中，因此本文对水样的总硬度也进行了测试.图3为被沥青混合料浸泡24h之后，2种水样中的总硬度.

图3 浸泡沥青混合料24h后的水样总硬度Fig.3 Total hardness of water samples after immersing asphalt mixture for 24h

由图3可见，被10组沥青混合料浸泡24h后，2种水样的总硬度都大于1 000 mg／L，高于GB 5749—2006规定的小于450mg／L 的标准.考虑到2 种水样在浸泡沥青混合料之前的总硬度均为330mg／L，这就说明在真空饱水条件下，矿料中的许多钙离子已经迁移到水样中.另一方面，被掺加消石灰作为抗剥落剂的E和J试件浸泡24h后，水样总硬度总体上略小于被其余试件浸泡24h后的水样总硬度，这说明抗剥落剂的使用能够在一定程度上减小矿料中钙离子的迁移.此外，考虑到浸泡沥青混合料后的水样pH 值和总硬度的增大都是由于矿料对水的作用所致，为此本文考察了被各组试件浸泡24h之后，水样的pH 值增大倍数与总硬度增长倍数之间的关系，如图4所示.其中，Ith为被沥青混合料浸泡后的水样总硬度与水样原液总硬度的比值，IpH为被沥青混合料浸泡后的水样pH 值与水样原液pH 值的比值.

图4 水样pH 值的增大倍数和总硬度增长倍数的关系Fig.4 Relationship between increased times of pH values and total hardness

由图4可知，被沥青混合料浸泡24h之后，2＃水样的pH 值增长倍数在0.7以上，1＃水样的pH值增长倍数在0.4之内，说明沥青混合料对酸性水样pH 值的影响更大；无论是pH 值为5.0的2＃水样，还是pH 值为8.3的1＃水样，在浸泡沥青混合料后其总硬度的增大倍数都为2.3～3.5，差异不大，由此说明沥青混合料对水样总硬度的作用不受水样原液pH 值的影响；水样pH 值的增大幅度与总硬度的增长幅度呈现一定的线性关系，pH 值增大幅度越大，总硬度增长幅度越大.

综上所述，导致水样总硬度增大的主要因素为沥青混合料中的矿料；水样pH 值的变化与总硬度的变化具有线性相关性；抑制pH 值增长幅度的技术措施如掺加抗剥落剂，对抑制水样总硬度的增大同样有效.

（4）硒和砷含量 硒和砷是中国生活饮用水必须检测的2项毒理指标.图5为被沥青混合料浸泡24h后的水样砷含量.由图5可见，水样砷含量出现大幅度提高，且被A，C，E，F，H 试件浸泡后的水样砷含量略小于被其他试件浸泡后的水样砷含量，并满足中国规范要求.由于A，C，F，H 试件的空隙率都为6%，说明采用较小的空隙率有利于降低水样的砷含量.

图5 浸泡沥青混合料24h后的水样砷含量Fig.5 Content of arsenic in water samples after immersing asphalt mixture for 24h

图6为被各组试件浸泡后的水样硒含量.由图6可见，被沥青混合料浸泡24h之后，水中硒含量有较大幅度的增长，且普遍高于GB 5749—2006中关于硒含量0.01mg／L 的限值.图6只发现了浸泡沥青混合料后水样的硒含量大幅提高这一现象，难以得出水样pH 值、消石灰、矿料级配、混合料空隙率等对硒含量影响的规律性，原因可能是硒既可能来源于沥青结合料，也可能来自于矿料.因为沥青同石油一样，是复杂的有机混合物，没有固定的化学成分，上述试验所用沥青可能含有硒元素；硒元素本身就是来自于矿石，上述试验采用的石灰岩也可能含有砷、硒这2种元素.可见，硒元素来源的复杂性导致了很难根据现有试验结果，从沥青混合料组成角度提出减缓水中硒含量增长的技术措施.

图6 浸泡沥青混合料24h后的水样硒含量Fig.6 Content of selenium in water samples after immersing asphalt mixture for 24h

需要说明的是，通过上述研究可以发现沥青混合料对水质的影响较大，但这与其在路面上的应用并不矛盾，主要原因有：（a）为了模拟动水压力作用，本文试验采取了真空饱水24h的方式，而实际路面中，水与沥青的接触不可能出现24h真空的恶劣条件，即本文试验结果是在沥青与水相互作用十分剧烈的极端恶劣条件下取得的，实际情形要相对缓慢；（b）本文试验只采用70＃和90＃两种基质沥青，而路面实际采用的沥青品种很多，混合料的结构形式也较多；（c）调整沥青混合料的空隙率、掺加消石灰等可以降低沥青混合料对水样的影响程度，是否具有其他技术措施可用于沥青混合料设计、路面施工中，以减缓沥青混合料对水环境的影响有待进一步研究.由此说明，水与沥青混合料的不同接触条件、改性沥青混合料、混合料结构形式等对水质的影响，值得进一步研究.

3 结论

（1）被沥青混合料浸泡24h之后，水质出现了不同程度的污染，表现为水质的pH 值增大，水的耗氧量和总硬度提高，水中硒和砷元素含量增大，多数指标都不符合国家关于生活用水的规定.

（2）被沥青混合料浸泡24h之后，中性水样pH值增大0～0.4 倍，pH 值为5.0的酸性水样其pH值则增大0.7～1.3倍.添加消石灰和降低沥青混合料的空隙率可以有效降低水样pH 值的增大幅度.

（3）被沥青混合料浸泡24h之后，水样的化学耗氧量增大3～4倍.通过降低沥青混合料空隙率、适当提高水样pH 值至中性等方式，可以降低水样中有机物的含量.

（4）被沥青混合料浸泡24h之后，水样的总硬度增大3～4倍；pH 值增大幅度与总硬度增大幅度呈线性关系.在沥青混合料中添加消石灰能在一定程度上降低水样总硬度的增长幅度.

（5）被沥青混合料浸泡24h之后，水中硒和砷含量有较大幅度的增长，尤其是硒含量普遍高于国家标准.采用空隙率较小的沥青混合料有助于减小水样中砷含量的增大幅度.

［1］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001：414－440.SHEN Jinan.Asphalt and asphalt mixture road performance［M］.Beijing：China Communications Press，2001：414－440.（in Chinese）

［2］沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.第2版.北京：人民交通出版社，2008：151－162.SHA Qinglin.Premature damage and its preservative measures of bituminous pavement on expressway［M］.2nd ed.Beijing：China Communications Press，2008：151－162.（in Chinese）

［3］MORIHAMA A C D，AMARO C，TOMINAGA E N S，et al.Integrated solutions for urban runoff pollution control in Brazilian metropolitan regions［J］.Water Science and Technology，2012，66（4）：704－711.

［4］DORCHIN A，SHANAS U.Assessment of pollution in road runoff using a Bufo viridis biological assay［J］.EnvironmentalPollution，2010，158（12）：3626－3633.

［5］才洪美.沥青使用过程中对环境的影响研究［D］.青岛：中国石油大学，2010.CAI Hongmei.Research on the effect of asphalt components to environment in the course of using［D］.Qingdao：China University of Petroleum，2010.（in Chinese）

［6］张倩，李艳丽，贾晓军.酸雨对沥青混合料侵蚀作用的试验模拟［J］.西安建筑科技大学学报：自然科学版，2005，37（1）：86－89.ZHANG Qian，LI Yanli，JIA Xiaojun.Simulation for erosion effect of acid rain on asphalt mixtures［J］.Journal of Xi'an University of Architecture ＆ Technology：Natural Science，2005，37（1）：86－89.（in Chinese）

［7］BARRET M E，IRISH L B，MALINA J F，et al.Characterization of highway runoff in Austin，Texas，Aera［J］.Journal of Environmental Engineering，ASCE，1998，124（2）：131－137.

［8］PATEL K S，AMBADE B，NICOLAS J.Runoff water pollution in India［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，2010，74（12）：A798－A798.

［9］余爱华，石迪，赵尘.公路沥青路面径流的水质特性［J］.南京林业大学学报：自然科学版，2008，32（5）：149－152.YU Aihua，SHI Di，ZHAO Chen.Water characteristics of highway asphalt pavement runoff［J］.Journal of Nanjing Forestry University：Natural Science，2008，32（5）：149－152.（in Chinese）

［10］赖国华.沥青化学成分对路面水损害的影响［J］.中外公路，2004，24（4）：52－53.LAI Guohua.Influence of chemical components in asphalt to pavement water damage［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2004，24（4）：52－53.（in Chinese）