我国路面材料潜在污染物的环境影响研究

2015-04-14杨胜科王文科陈宇云王周锋赵晓红杨银科

应用化工 2015年12期

杨胜科，王文科，陈宇云，王周锋，赵晓红，杨银科

(长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室;长安大学环境科学与工程学院陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，陕西西安 710054)

路面是道路重要的工程结构，铺筑于路基顶面，是用不同材料或混合料分层铺筑而成的供车辆行驶的一种层状结构物［1］。目前，国内外常用的路面材料是沥青和水泥混凝土。沥青路面因具有噪声小、维修时间短和舒适等优越的性能而被我国高等级路面普遍采用。水泥混凝土路面则在承载能力、耐久性和使用寿命方面表现出不俗的使用性能［2-4］。我国铺筑路面所使用的沥青主要是石油沥青。石油沥青主要含有可溶于氯仿的烃类及非烃类衍生物，主要成分是沥青质、饱和分、胶质和芳香分［1-2］。水泥混凝土主要由水、水泥、掺合料、砂、石等原料混合而成［5］。这2 类材料主要的潜在污染物是重金属和有机物，此外，路面材料在制作过程中需掺合外加剂，这些外加剂中也含有重金属和有机物。在公路营运期，这些道路污染物可以通过路面与轮胎的摩擦，风化、雨水浸泡等方式释放到土壤、大气和水环境当中。

关于路面材料现有的研究大多将研究重点集中在沥青和水泥混凝土路面的造价［1，6］、使用寿命［2-3］、铺筑技术［1］、路用性能［1，3］及环境影响因素等方面。石建慧［7］从理论上分析了沥青的加热过程以及使用过程中对水、土、生态环境等造成的影响。赵联芳等［8］应用生命周期评价方法评价道路水泥混凝土的环境性能，从原材料的开采、生产阶段等研究了水泥混凝土带来的污染问题。然而，通过试验研究这2 种路面材料潜在污染物的报道尚未发现。

本文采用萃取实验，对沥青路面材料及其溶出物中重金属和有机物的含量进行测定分析;采用消解法测定水泥混凝土路面原材料中的重金属含量，选用最大浸出性实验方法研究溶出物中重金属含量;最后通过人工模拟降水研究这两种路面径流污染物，从这三方面来综合评价沥青路面和水泥混凝土路面材料组成成分对环境的负效应。本文研究成果可以为沥青路面节能减排评价提供科学指导，弥补我国节能减排量化评价方法的空白，具有重要的理论意义和实践价值。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

氢氟酸、聚丙烯酰胺标准样品所用试剂除注明外均为分析纯;去离子水。

UV-2450 型紫外-可见分光光度计;DELTA320数字酸度计;BS224S 电子天平;CS101-AB 电热鼓风干燥箱;TGL20M 台式高速冷冻离心机;ICP-AES 原子吸收分光光度计。

1.2 路面材料固有污染物检测

1.2.1 混凝土中重金属离子测定称取1.0 g 粉末状混凝土(125 μm 以下)，置于聚四氟乙烯瓶中，加入40 mL 王水和氢氟酸，将其置于烧杯中，在电热板上加热，温度保持在130 ～150 ℃，蒸发至近干。用去离子水冲洗烧杯壁，再次加热蒸发至近干。移下，冷却至室温。加入1 mL 浓硝酸和20 mL 去离子水，在预热至90 ～100 ℃的控温电炉上持续加热，直至样品全部溶解。冷却至室温后，转移至100 mL 容量瓶中进行定容。用中速滤纸过滤，取样，用ICPMS 测定重金属的浓度(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)，并计算混凝土中重金属离子的总量。

1.2.2 沥青化学成分检测按照国家行业标准JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0618《沥青化学组分试验(四组分法)》进行。

1.3 通车路面污染物检测

1.3.1 水泥混凝土路面选择pH =4 的硝酸溶液，粒径＜125 μm 的混凝土样品，以液固比100∶1的比例混合，在20 ℃水浴条件下连续搅拌6 h，室温静置20 min，用中速滤纸过滤，取样，最后用ICP-MS测定重金属浓度(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)，并计算混凝土中重金属离子的有效浸出量。

1.3.2 沥青路面按EPA Method-1311 中实验方法，将140 g 样品碾碎至粒径＜19.1 mm。用去离子水以不同的流速不停冲刷样品，再用2.5 L 棕色玻璃瓶密封取水样，并置于震荡机中24 h，使溶液充分混合，萃取出所需检测样品，用漏斗和滤膜过滤，用电感耦合等离子体发射光谱仪检测重金属含量。

1.4 径流污染物检测

在长安大学渭水校区试验场进行路面径流实验，由于实验期间没有降雨，于是采用人工喷洒的方式模拟降水径流过程。分别在水泥混凝土路面和沥青路面上喷洒蒸馏水，待形成路面径流后，用塑料瓶收集样品。之后，在同等条件下用自来水喷洒，并采集样品。用重铬酸钾法测定样品中的COD，并测电导率和pH 值。

各污染指标的标准见表1。

表1 污染指标参照标准Table 1 Reference standard of the pollution index

2 结果与讨论

2.1 路面材料固有污染物

2.1.1 水泥混泥土固有污染物测定水泥混凝土路面材料中的各种污染因子Pb、Cd、Cr、Hg 和Zn 等测定结果见表2。

表2 水泥混凝土不同组分重金属测定结果Table 2 Heavy metal determination results in cement concrete

由表2 可知，在混凝土材料组分中，除锌之外，其他几种金属元素均低于固体废物污染控制标准(GB 30485—2013)和危险废物填埋标准(GB 18598—2001)的限制，锌的超标率为0. 45%，铅、镉、铬、铜、镍等的含量均未超标，其中以汞的含量最低(其值为0.2 mg/kg)，即混凝土中的固有污染物重金属含量基本都在国家规定的标准限值之内，不会对环境产生潜在的影响。

2.1.2 沥青固有污染物测定分析由于沥青中本身不含重金属，但当其用于路面铺筑的石油沥青时，由于其他成分的混入，导致石油沥青材料中含有一定量的重金属成分。所以测定分为2 个部分，分别为沥青原料的测定和石油沥青材料的测定，结果见表3、表4。

表3 沥青原料测定结果Table 3 Determination results of asphalt material

表4 石油沥青材料中金属含量的测定结果Table 4 Determination results of metal content in asphalt material

由表3 可知，沥青原料本身是不含有重金属。其主要含有沥青质、饱和分、胶质、芳香分等。由表4 可知，用于筑路材料的石油沥青含有多种金属元素，实验测试的3 种样品中各重金属元素均未超过固体废物污染控制标准(GB 30485—2013)。即石油沥青材料不会对环境造成潜在的影响和危害。但是，重金属还存在一定程度的累积效应，这类材料的运输和使用应该予以重视。

2.2 通车路面污染物研究

2.2.1 水泥混凝土路面污染物测定水泥路面材料测定结果见表5。

表5 水泥混凝土路面中重金属的测定结果Table 5 Determination results of heavy metalsin cement concrete pavement

由表5 可知，水泥混凝土中的6 种重金属元素的浸出量均小于国家相应标准的限值。大体上，在混凝土中随着重金属总含量的增加，各离子的有效量也略有增加，但是部分金属的有效量相差不大，说明混凝土中重金属元素有效量与重金属总含量无必然联系。此外，各金属离子有效浸出量与粒径也没有呈现明显的线性关系。

2.2.2 沥青路面污染物测定沥青路面材料的pH、Cl－、SO42－、TOC 及几种重金属元素和有机烃类毒性污染物等测定结果见表6。

表6 沥青路面浸出污染物测定结果Table 6 Determination results of leaching contaminants in asphalt pavement

由表6 可知，沥青路面中金属元素除Hg 外其他均未检测出来，其中样品2 和样品3 Hg 含量分别为0.2，0.3 mg/kg，其含量远远小于国家标准限值。沥青路面浸出物中氯化物、硫化物及烃类均未检出，沥青结构以沥青质为核心，吸附部分树脂和油分构成胶团。本身理化性质在正常条件下对周边环境造成的影响较小。因此，沥青路面浸出物对环境的影响是非常微小的。

2.3 不同材料路面径流的环境影响研究

由表7 可知，当采用蒸馏水进行喷洒时，在沥青路面上和水泥混凝土路面上收集的样品，其pH 值都要高于原蒸馏水的pH 值，而当采用自来水进行道路喷洒时，样品的pH 值都要低于原自来水的pH值。在同等条件下，水泥混凝土路面上收集的样品pH 值要低于沥青路面上收集的样品pH 值。这可能是由于自来水中含有对pH 值增加有贡献的离子要比路面中的离子含量高。对于电导率和COD，无论是蒸馏水还是自来水模拟实验，沥青路面和水泥混凝土路面样品的值均高于本底值，但均未超过国家标准限值，即不会对环境造成影响。而同等条件下，水泥混凝土路面的样品值均低于沥青路面的样品值。