固体废物沥青路面利用的环境风险评估

张晶，孙英杰，杨玉飞，杨金忠，黄启飞

1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033 2.中国环境科学研究院，北京 100012

固体废物沥青路面利用的环境风险评估

张晶1,2，孙英杰1，杨玉飞2*，杨金忠2，黄启飞2

1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033 2.中国环境科学研究院，北京 100012

固体废物用于沥青路面建设具有广阔的发展前景，但由于固体废物中含有重金属等有害物质，其作为沥青路面利用的首要前提是环境安全。概述了沥青路面建设中固体废物的主要利用方式和现状，总结了固体废物中的有害物质在道路利用时造成的地下水和大气环境风险的评估方法，并介绍了常用于固体废物和水泥混凝土中重金属的浸出方法。通过总结沥青-集料的黏附性机理，以及目前固体废物道路利用中的重金属浸出方法，讨论了固体废物沥青路面利用环境风险评估中污染物释放的定量表征方法(浸出方法)的适宜性。结果表明：由于缺乏针对特定场景污染物浸出方法的研究，固体废物道路利用的环境风险评价只能通过实验室模拟和借鉴国外模型的方法进行。因此，固体废物沥青路面利用污染物的浸出方法应还原实际应用场景，需考虑车轮荷载、紫外线照射等因素。指出未来的研究方向为制定针对固体废物再利用领域的环境风险评价标准。

固体废物；沥青；路面利用；重金属；环境风险评估

随着经济发展水平的提高和城市化进程的推进，我国固体废物产生量逐年增多。2015年一般工业固体废物产量达32亿t，较2014年同比增加1 459万t[1]。相比于常规的处理处置方式，各发达国家在固体废物管理中,采用将废物变为有用的材料和能源，其已经成为更好的处理处置方式。废物资源化在世界各国的废物管理体系中逐渐演变为一种基本政策[2]。固体废物经一定的技术处理后，可用于道路建设，既可解决废物处置问题，也能缓解建筑原材料供应不足的现状[3]。

沥青路面是我国公路的主要路面结构形式，已建成的和正在兴建的高速公路中几乎全是采用沥青混凝土路面[4]。大量道路建设需要消耗极多的原材料，我国平均需消耗集料为5.6亿t/a、矿粉为0.33亿t/a，对有限的自然资源造成了巨大的消耗[5]。目前，关于固体废物应用到沥青路面的研究较多，如生活垃圾焚烧飞灰[6-7]、钢渣[8-9]、废橡胶粉[10-11]等分别作为填料、集料及沥青改性剂用于沥青路面中；2010年上海世界博览会园区内60%以上的路面是由建筑垃圾和钢渣制成[12]。但在固体废物道路资源化利用的同时，对其在使用过程中潜在的环境影响也不容忽视。废物中的重金属，如铅、镉、铬等会溶出并进入土壤、地表水及地下水中，会对人体健康和环境带来危害，因此评价以及控制环境风险是其资源化利用过程中必不可少的环节。开展废物综合利用的环境风险评价，可对不确定的事故进行预测和有效管理，从源头防范。选择科学的浸出方法来表征有害物的溶出与释放是风险评价的重点。笔者对固体废物在沥青路面的利用现状，以及环境风险评估的研究进展进行总结，并讨论了环境风险评估中污染物释放的定量表征方法的适宜性。

1 利用现状

近年来，越来越多的固体废物应用于沥青路面中[13]。根据废物的外观、组成等理化特性，固体废物可分别替代或部分替代沥青混合料中的集料、填料，或是对沥青进行改性。

1.1作为集料

集料是呈颗粒状的松散材料，又称为骨料，按粒径可分为粗集料和细集料，在沥青路面中主要起骨架作用。工业固体废物中部分冶金废渣[14]和化工废渣[15]在替代传统集料方面具有较好的性能，此外，近年来研究发现生活垃圾焚烧灰渣(主要为底灰)也可用于沥青面层中充当细集料[5]。

可用于道路建设的冶金废渣主要包括钢渣、高炉渣和有色冶炼产生的各种废渣[16]。研究表明，炼钢过程中产生的钢渣由于其棱角性好、硬度大以及表面粗糙，在沥青混凝土中可替代粗集料[17]；钢渣物理性能好，与天然岩石的物理力学性能相似，完全满足粗骨料的性能要求；高温下的抗永久变形能力较玄武岩更好，在压碎值和洛杉矶磨耗值方面优于辉绿岩[9,18-19]；但若钢渣沥青混凝土油石比偏大，会使路面泛油[18]。可用于道路建设的化工废渣(如经破碎筛选后的废玻璃)，其与河砂具有相似的物理性质，与传统砂石集料相比，玻璃沥青混合料在工作性能、渗水率和抗剪切强度方面具有等效甚至更优的表现[20]，并具有更好的光学效果，提高了夜间行车的安全性；但碎玻璃粒径不宜过大，掺量需控制在10%以内[21]。此外，Zhang等[22]研究发现，添加了50%生活垃圾焚烧底灰的沥青混合料能满足美国新罕布什尔州的道路规范，并经过5年的实地性能评估表明，添加底灰的沥青混合料铺设路段和普通路段的性能并无区别。还有研究表明，污水处理产生的污泥经焚烧后生成的污泥灰也可作为沥青混合料中的轻质骨料[23]。

1.2作为填料

沥青路面建设中传统的填料主要为矿粉。填料在沥青混合料中起填充作用，以减小沥青混凝土的空隙。在沥青混合料中所占比例虽然不大，但却是影响混合料性质的关键因素，特别是混合料的相容性、沥青与集料的黏附性等[24]。

很多学者对与矿粉性质相似的粉煤灰、生活垃圾焚烧飞灰、矿渣粉等废物代替传统石灰岩矿粉作为填料的可行性进行了研究。与石灰岩矿粉相比，粉煤灰作为填料可明显提高沥青混合料的高温稳定性[25]，在一定程度上提高水稳定性[26]，但低温抗裂性有所降低[27]；矿渣粉是水淬粒化高炉矿渣经粉磨后的一种废料，其密度和亲水系数与矿粉相近，矿渣粉沥青混合料的水稳定性和低温稳定性基本不受影响，稳定度有所提高[28]；污泥灰除可代替轻质骨料外，也可作填料。Sato等[29]研究表明，原样污泥灰可替代45%的填料，污泥灰作为填料可提高沥青混合料的整体性能，但残留稳定度有所降低。

1.3作为沥青改性剂

沥青混合料中加入改性剂可改善和提高沥青的路用性能。可作为沥青改性剂的固体废物主要为废橡胶和废塑料。

研究表明，橡胶粉的加入不但有效地提高了沥青基沥青混合料的高低温性能[30]，还可降低温度敏感性，提高沥青黏合剂的黏度和延展性[31]。在沥青路面应用中，除需注意废橡胶的添加比例外，颗粒尺寸对改性沥青的性能也具有明显影响[32]。与橡胶类似，回收塑料也可充当黏结改性剂，将低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和废橡胶粉添加到黏结剂中，三者均可显著提高黏结剂的弹性行为，降低车辙和路面裂缝的发生，延长路面使用寿命[33]。废旧PVC管材也可作为改性剂用于沥青中，与常规沥青混合料相比，添加PVC的改性沥青混合料增强了间接拉伸强度，降低了车辙值，在更大程度上增加了沥青混合料的疲劳寿命[34]。

固体废物作为道路利用替代材料，其较好的性能不仅体现在实验室研究中，在越来越多的实际工程中也被广泛应用。如京石高速公路杜家坎收费站、包—哈线沥青路面公路改建及武黄高速公路路面修复工程等均采用钢渣作为路用材料[35]；2004年迁安至擂鼓台新建工程采用尾矿砂碎石作为道路基层[36]；2007年通车的平顶山—临汝高速公路中有19km路段以煤矸石为筑填材料[37]；2015年重庆三峰环境产业集团在渝黔高速公路部分路段建设飞灰沥青路面示范工程[7]。大量的研究及应用均表明固体废物道路利用具有广阔的发展前景，随着自然资源的减少，固体废物道路利用将逐渐呈现出环境和经济价值。

2 环境风险评估

固体废物中有害物质可能会在道路铺筑和使用过程中经空气传播或受雨水淋滤、车轮荷载等外部作用下迁移释放，导致环境风险。然而，目前对固体废物沥青路面利用的环境风险评估的研究十分有限，已有研究主要是针对地下水和大气环境的风险。

固体废物道路利用的大气环境风险评估，主要考虑道路在铺筑过程中污染物的释放对环境和人体健康的影响。目前主要有2种评估方法：1)通过实验室模拟实际道路铺筑过程中，固体废物中污染物本身的释放或由于污染物的添加增大了其他铺筑材料中有害物质的释放对环境的影响；2)采用现有的国内外大气污染物扩散模型对污染物的释放进行计算。杨金忠等[38]通过实验室模拟实际铺筑各阶段，在不同温度下飞灰添加对沥青路面烟气PAHs释放的环境风险表明，由于飞灰含有无机抑烟组分，且具有吸附性等，不会增大沥青路面铺筑过程中PAHs释放的环境风险；潘赟[39]采用美国国家环境保护局(USEPA)推荐的道路扬尘评估模型和大气扩散模型，评估了飞灰用于道路材料施工过程中，飞灰颗粒物的扩散和暴露点的飞灰重金属浓度对现场施工人员的健康风险，计算结果均低于工业场地风险可接受值。

含固体废物道路在使用过程中所包裹的有害物质，经雨水淋滤渗透至地下水中会导致环境风险，该风险的评估主要考虑污染物的浸出机制和迁移扩散。潘赟[39]在评估垃圾焚烧飞灰用于沥青混凝土路面使用过程中的风险时，考虑风险最大化，假设沥青的包裹作用失效，且污染物经过土壤含水层时未发生衰减，全部进入地下水，参照杨玉飞等[40]的混凝土路面重金属释放模型评估了其环境风险；路面污染物释放量由模拟人工降雨的淋滤柱试验得到。陈林[7]在评估飞灰应用于沥青路面的风险时，考虑了污染物随雨水渗透进入地下水中的衰减过程，该衰减过程包括从污染源处垂直迁移至地下水中的稀释和污染物到达地下水后随地下水迁移至饮用水井2个部分；考虑最不利条件，假设地下水的迁移过程中污染物没有衰减，其中，地下水污染物浓度(Cgw)根据荷兰NEN7375浸出方法得到；迁移扩散过程考虑的是污染物经土壤和地下水的稀释衰减作用，需根据实际场景参数选择适合的模型进行计算。在无法实测或实测较困难的情况下，浸出试验是用来判断材料中污染物释放对环境产生风险的有效方法。Reid等[41]提出了可替代材料用于道路建设中的环境风险评价方法，该方法建立了粒状废物的浸出试验结果与该材料在特定应用场景下对地下水造成的环境风险的关系，运用该方法分别评价垃圾焚烧底灰应用于道路路堤和底基层2个场景中硫酸盐和Cu的环境影响，结果表明，Cu在2个场景中均满足标准，硫酸盐在路堤场景中存在风险。

由于固体废物中包含的有害物质经环境介质可能会对暴露受体构成潜在风险，所以对固体废物道路利用过程进行风险评估是必不可少的。但我国目前并未发布固体废物再利用与风险评估相关的导则或标准，对废物处置过程的风险评估，我国主要采用实验室分析和借助国外风险模型的方法[39]。因此，固体废物再利用的环境风险评估还需进一步研究。

3 重金属浸出方法

固体废物的沥青路面利用的环境风险，主要来自于固体废物含有的污染物可能在特定条件下的溶出，浸出试验(方法)是评估污染物释放的有效方法[39]。但目前使用的浸出方法，主要是固体废物和水泥混凝土中污染物的释放评估方法。

3.1固体废物中重金属浸出方法

浸出/提取是固体废物中重金属毒性特征评估的常用方法[42]。目前实验室重金属离子浸出方法可分为平衡试验〔受pH控制的批次(batch)浸出试验〕和非平衡试验〔在各种水流速度下的柱状(column)浸出试验〕2类。

3.1.1批次浸出试验

批次浸出试验是模拟假定平衡状态下的重金属离子的浸出行为，即在限定的pH、温度和液固比下浸出组分的浓度。批次浸出试验通常是将粒状材料和浸提剂混合，搅拌一定时间后，分析其浸出液的重金属离子浓度。针对废物和再生材料常用的批次浸出试验方法如表1所示。

表1 常用于废物和再生材料的批次浸出试验方法[43]Table 1 Characteristic of commonly used batch leaching tests for waste and recycled materials

3.1.2柱状浸出试验

柱状浸出试验是把粒状材料填充入柱状装置中，并用缓慢流动的水自下而上(防止堵塞)浸润样品，避免样品被机械搅拌，然后测定样品洗脱液中的重金属浓度。该方法中浸提液是连续流动的，也被称为动态试验法。通过柱状浸出试验可得到累积释放数据，表示为在持续表面更新条件下的浸出率(浓度/时间)。针对废物和再生材料常用的柱状浸出试验方法如表2所示。

表2 常用于废物和再生材料的柱状浸出试验方法[43]

注：浸提液均为去离子水；适用范围均为非挥发性物质。

3.2水泥混凝土中重金属浸出方法

水泥混凝土具有高碱性，浸出时若不控制pH，浸出液pH短时间内会达到12左右，而在较高pH下重金属离子的溶出性会减弱，使测定结果偏低；但采用酸性溶液保持一定pH时，酸会破坏水泥水化产物；另外，破碎试样至颗粒状也会使已固化于水化产物中的重金属离子溶出，致使浸出数据偏大。由于上述用于固体废物的浸出方法并不适用于水泥混凝土，因此周世华等[48]提出，适合水泥混凝土结构材料的浸出方法是以整块材料为试样。杨玉飞等[49-52]采用块状试样的浸出方法研究了废物水泥窑共处置过程中重金属的溶出结果。

表面溶出试验(monolithic)又称为表面浸渍试验(tank)，是将块状试样放入容器并加入浸提剂浸泡，隔一定时间测定浸出液组分浓度，结果为时间的函数，以样品单位面积的重金属质量(mg/m2)表示，即单位表面积下的浸出速率。浸出情况受固液界面的质量传递控制，溶出过程受扩散控制。最常用的表面溶出试验方法是荷兰的NEN7375和日本的JSCE-G575，具体参数见表3。

表3 表面溶出试验参数[43,48]

3.3沥青路面中重金属浸出方法

3.3.1重金属沥青固化机理

沥青包裹作用下的固化机理是影响固体废物中重金属释放的重要因素，也决定了浸出方法的适用性。固体废物多用于充当沥青混凝土集料，沥青对其的固化主要体现于黏附性和化学稳定性[53]。

化学稳定性是指沥青与废物中的重金属基本不发生化学反应，且沥青也不具有酸缓冲能力。而沥青与集料的黏附是一个复杂的物理化学过程。目前,有5种理论[54-57]可用来解释其黏附机理，分别为：1)力学理论。主要是由于分子力的作用导致沥青与集料之间的黏附性，集料的表面通常是粗糙多孔的，增加了集料的表面积,使沥青和集料的黏合(界)面积增大,提高了二者之间总的黏结力。2)化学反应理论。认为沥青与集料产生黏附作用主要是由于沥青中的酸性成分与集料表面的碱活性中心发生了化学反应，相比于酸性集料(如碎玻璃等)，沥青对碱性集料(如灰渣等)的黏附性更强。3)静电理论。将沥青与集料如同组成了一个电容器模型，二者接触即“充电”，形成了电层之间的作用力。4)表面能理论。认为沥青与集料的黏附性来源于沥青湿润集料表面能量作用，液体润湿固体表面的过程也是固液体系的表面自由能减小的过程，而液体完全浸润固体表面是形成高黏结强度的必要条件。5)分子定向理论。认为沥青与集料之间的黏附性是沥青中的表面活性物质对集料表面的定向吸附而形成的，沥青是一种低极性有机物，水是极性分子，且有氢键，因此水对集料的吸附力很强，集料表面的沥青易被水取代，使沥青从集料表面剥离下来，导致路面松散。所以降水较多时，包裹在沥青中的集料暴露在雨水中，呈酸性的雨水导致其中的重金属溶出，并随地表径流进入土壤等环境中[55,57]。一般情况下，沥青和浸提剂不反应，原因是绝大部分沥青均有抵抗稀酸的能力，且在相当长时间内沥青表层均不会有明显变化[57]。

上述5种黏附机理中，力学理论和静电理论属于物理作用，对黏附性作用较小；化学反应理论是指沥青和集料以化学键相结合，作用力较强。以上3种黏附理论主要取决于集料本身的材料特性。表面能理论和分子定向理论很好地解释了水将沥青从集料表面剥落的过程：前者可将过程定量化；后者体现了沥青与集料黏附的本质。水对沥青的剥离(水损害)是沥青路面普遍存在的问题，水损害的形成与路面车轮荷载作用也密切相关，沿路面裂缝进入沥青路面内部的水分，在车轮荷载作用下，会不断冲刷沥青薄膜与集料，使沥青黏附性减弱。

沥青对集料的黏附是一个复杂的物理化学过程，不能用单独的理论去解释其黏附机理。现行的黏附性评价方法缺乏定量指标，且受人为因素影响较大[58]。如何科学定量评价沥青对集料的黏附性，还需要进一步的深入研究。

3.3.2沥青路面中重金属浸出方法研究进展

目前国内外并没有特定的浸出方法来表征沥青混凝土中重金属的溶出，多数学者选择现有的浸出方法或进行部分改进来研究沥青混凝土中重金属的释放。

Xue等[53]采用TCLP方法研究了灰渣在沥青玛蹄脂混合料中的重金属溶出特征，为探究浸出行为，将TCLP标准液进行5次重复浸提，得到重金属(除Ni外)的浸出量与原始量一致，所有重金属浸出浓度基本达到USEPA标准，表明沥青对灰渣具有很好的固化稳定化作用。同样，Modarres等[59-60]也采用TCLP方法，研究了用于沥青混合料中废料的重金属溶出特征。

除了粒状浸出方法，陈林等[7，61]采用NEN7375方法分别研究了垃圾焚烧灰渣在沥青路面中的赋存特性。陈林[7]在原方法的基础上通过改变固液比和浸提液的pH，让试验条件更接近我国实际场景，结果表明，As、Cd和Hg在沥青混凝土中的释放均为扩散作用，试验结果用动力学方程拟合，得到As的最佳拟合方程为抛物线方程，Cd和Hg的最佳拟合方程为二级动力学方程。Hassan等[61]通过试验模拟得到扩散系数，利用扩散模型计算得到的硫酸盐潜在浸出性对环境有较大影响，采用一维扩散模型可较好地预测底灰沥青混合物中污染物的累积释放。

3.3.3沥青路面中重金属浸出方法的适宜性

由沥青对集料的黏附性机理可知，沥青与浸提液的接触是实验室评价废物中重金属浸出的重要影响因素。批次浸出试验将样品破碎至较小粒径，可以增大与浸提液的接触面积，还可选择用酸性浸提液浸提同时加以搅拌。这些方法虽可快速获得重金属的浸出结果，但样品破碎的同时也会破坏沥青对废物的包裹，可能导致废物直接暴露，再加上酸性浸提剂对废物中重金属的浸出，会使浸出结果较实际偏大。柱状浸出试验中浸提液是中性的，同时去除了机械搅拌，流动态的浸提液比批次浸出试验更接近于自然状态，但同样需要将样品破碎成粒状。表面溶出试验的样品是块状整体，与实际使用中的道路情况相近，能完整体现沥青混凝土对废物的包裹和黏附。

综上可知，适合沥青路面中的重金属浸出方法以块状整体试样为佳。由于沥青本身稳定的化学特性，浸提剂采用去离子水，液固比可根据使用场景数据计算得到。浸提剂的更换频率可能会对浸出液中重金属的稳定态浓度产生影响，所以需对不同金属的溶解平衡时间进行研究后确定。

4 结语

固体废物沥青路面利用的环境风险评估在实际应用中必不可少。目前，该风险主要包括污染物经地下水以及随空气传播2种途径进入人体，产生危害。现有的固体废物沥青路面利用的环境风险评估主要为实验室浸出试验方法或参照国外污染物扩散模型，选取与实际场景相近的参数计算得到。后续还需进行实际利用场景的数据积累，为构建出固体废物在道路利用场景下的污染物释放模型提供支持。随着越来越多的固体废物回用于建筑领域，制定针对固体废物再利用的环境风险评估导则或标准也是未来的研究趋势。

实验室浸提方法作为快速模拟实际应用中污染物释放特征的有效方式，为实验室研究提供了便捷手段。我国的浸出标准主要是参照国外浸出方法制定，且目前只有针对颗粒状材料，对于水泥或沥青混凝土等整体性材料并不适用。通过借鉴国外的块状浸出试验方法，虽然在一定程度上可还原实际应用场景下经雨水淋溶的污染物释放规律，但固体废物沥青路面利用中车轮荷载、紫外线照射等均会对沥青黏附性产生较大影响，加快污染物的迁移释放。所以，在块状浸出方法的基础上增加表面压力和紫外线照射可以更真实地反映实际浸出情况。

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Progressonenvironmentalriskassessmentonsolidwastesutilizedinasphaltpavement

ZHANG Jing1,2, SUN Yingjie1, YANG Yufei2, YANG Jinzhong2, HUANG Qifei2

1.School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China 2.China Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

There are broad development prospects for solid waste utilization in the construction of asphalt pavement. As solid wastes may contain heavy metals and other contaminants, the environmental safety is the primary premise of their applications in asphalt pavement. The main utilization modes and current situations of solid wastes in asphalt pavement construction were reviewed. Meanwhile, the research methods of environmental risk assessment of the contaminants in the solid wastes in road use on the groundwater and atmosphere were summarized, and the common leaching methods of heavy metals in solid wastes and cement and concrete introduced. Based on a summary of the mechanism of asphalt-aggregate adhesion and the current heavy metal leaching methods in the use of solid wastes in pavement, the suitability of the quantitative characterization method (leaching method) of pollutants release in the environmental risk assessment of solid wastes utilization in asphalt pavement was discussed. It is concluded that the environmental risk assessment of solid waste pavement can be carried out only by laboratory simulation and in foreign models due to the lack of research on the leaching methods of pollutants in specific scenes. Therefore, the pollutant leaching methods for solid waste use in asphalt pavement should restore actual application scenarios, taking into account the wheel load, ultraviolet radiation and other factors. Finally, it is pointed out that the development of environmental risk assessment standards for solid waste recycling should be the future research trend.

solid waste; asphalt; application on pavement; heavy metal; environmental risk assessment

张晶，孙英杰，杨玉飞,等.固体废物沥青路面利用的环境风险评估[J].环境工程技术学报,2017,7(6):746-753.

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2017-06-12

国家重点研发计划重点专项(2016YEE0127800)

张晶(1993—)，女，硕士研究生，主要研究方向为固体废物处理与处置，jingzzz93@163.com

*责任作者：杨玉飞(1978—)，男，副研究员，博士，主要研究方向为固体废物资源化技术，cqyyf@163.com

X705

1674-991X(2017)06-0746-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.103