细观空隙特征对透水沥青面层去除径流中Pb2+的影响机制研究

赵 曜，佟 蕾，朱亚婷，魏 洋

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

0 引 言

随着现代公路交通事业的迅猛发展，由道路交通导致的非点源污染日益严重。作为非点源污染的重要组成部分，路面径流因其中的固体悬浮物(suspended solids，SS)和重金属(例如，Pb、Zn、Cu、Cd)[1-2]等污染物含量高，未经处理排入受纳水体，对路域环境造成持久危害。赵剑强等[3]的研究表明，道路沿线的河水水质受道路交通活动影响显著，路面径流污染负荷高是造成河水水质劣化的重要原因。晴天时，河水水质满足《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质要求；但在降雨期间，河水中SS浓度为晴天时的4倍多，大大超过Ⅲ类水质标准限值。另外，路面径流对河水中重金属的贡献率极高，而路面径流中的Pb主要来源于机动车尾气排放、轮胎磨耗、燃料和润滑油滴漏以及制动器磨耗[4]。由于Pb在环境中不易被降解且能在生物体内累积，通过食物链最终对人类健康造成损害。因此，加强对路面径流Pb污染的控制显得尤为紧迫和必要。

B. MAESTRI等[5]的研究表明采用透水沥青路面技术，可大大降低路面径流中多种污染物的浓度。透水沥青路面由于各结构层均呈多孔构造，路面径流在下渗过程中，通过空隙结构的过滤、吸附和截留等作用，起到减少径流中的有机物、SS和重金属等污染物数量[6]，是一种生态环保型铺装结构。一份来自美国德克萨斯州和北卡罗来纳州的试验段监测数据表明[7]，透水沥青面层与传统密实面层相比，可减少径流中90%以上的SS，同时有效减少Pb、Zn、Cu等重金属。M. LEGRET等[8]通过研究发现，被透水沥青路面截留的重金属(Pb、Zn、Cu、Cd)主要累积在路面结构上部，这说明透水沥青路面面层对重金属的去除起主要作用。此外，透水沥青路面还具有吸声降噪、蒸发降温、补给地下水等优势，很好地体现了“与环境和谐共生”的理念，在国内外得到较好应用。目前，国内外对透水沥青路面的研究主要集中在设计方法、降噪性能、透水性能等方面，较少涉及路面径流污染控制效能方面。且已有的相关研究并未考虑路面宏观材料组成对细观空隙结构的影响及对路面径流污染控制效能的影响。为此，笔者基于多孔沥青混合料的空隙结构特点，以南京地区降雨特征为例，深入研究透水沥青路面面层空隙结构对路面径流中Pb2+的控制效能及控制机制，为南京地区处理路面污染径流提供参考，具有重要的现实意义。

1 研究方法

1.1 空隙结构特征

1.1.1 试件成型

据解晓光等[9]推荐的基于有效控制地表径流量的多孔沥青混合料的目标空隙率(不小于15%)，笔者按照CJJ/T 190—2012《透水沥青路面技术规程》[10]规定方法设计目标空隙率分别为16%、20%的2种 PAC-16多孔沥青混合料，如表1。采用SBS高黏度改性沥青，用击实法(双面各50次)成型马歇尔试件。

表1 研究采用的大空隙沥青混合料级配Table 1 Gradations of the open-graded mixture used in this study

1.1.2 CT扫描和图像处理

采用德国Yxlon公司生产的Precisionll型二级工业CT扫描仪，获取多孔沥青混合料试件沿高度方向的圆截面图像，相邻两张图像的间距为0.1 mm。由于相邻两张图像中空隙的所在位置、大小和边界无明显变化，故研究时按等间距(1.8 mm)选取36张扫描图像作为分析对象。

采用VGStudio MAX2.2和MATLAB软件对获取的CT图像进行处理和分析。首先，用VGStudio MAX2.2软件进行图像处理，得到等效直径、空隙数量、面空隙率、单位比表面积等特征参数的参数值；然后，用MATLAB软件进行分析、计算，得到分形维数的参数值。

1.1.3 特征参数选取

笔者采用等效直径、空隙数量、面空隙率、单位比表面积和分形维数作为描述空隙特征的特征参数。

1)面空隙率(VV)：沥青混合料马歇尔试件每0.1 mm厚度内空隙体积占混合料总体积的百分率，%，如式(1)：

(1)

式中：V1为0.1 mm厚度内空隙总体积，mm3；V0为沥青混合料总体积，mm3。

2)等效直径(D)：指与形状不规则的空隙体积相等的相应球体的直径，如式(2)所示，其大小受空隙体积和空隙数量共同影响。

(2)

式中：V1为0.1 mm厚度试件中空隙总体积，mm3；N为圆截面空隙数量，个。

3)单位比表面积(δ)：单位体积空隙具有的总表面积，即空隙总表面积A与总体积V1之比，如式(3)。

(3)

式中：A为0.1 mm厚度试件中空隙总表面积，mm2；V1为0.1 mm厚度试件中空隙总体积，mm3。

4)分形维数(Dc)：分形维数是分形的定量表征，是定量描述沥青混合料空隙复杂程度与空间填充能力的基本参数，通常用分数或小数表示如式(4)。引入分形维数主要用于定量描述多孔沥青混合料空隙表面的复杂程度和空间可填充能力。

(4)

式中：r为方格边长；N(r)为被测图形的方格个数。

5)空隙数量(N)：指多孔沥青混合料试件每张圆截面图像中的空隙数量，引入此参数用以研究空隙数量沿试件高度方向的变化规律。

1.2 试验装置及方法

1.2.1 试验装置设计

研究使用自行开发的人工模拟降雨系统在室内模拟一次自然降雨过程。如图1，人工模拟降雨系统主要由模拟降雨器、水箱、控制系统和路面结构面层试验箱等4部分组成。

图1 人工模拟降雨系统示意Fig. 1 Schematic of artificially simulated rainfall system

1.2.2 人工合成雨水制备

为研究具有不同空隙结构的多孔沥青混合料对径流中Pb2+的控制效能，试验使用人工合成雨水，其优点是：水质稳定且易于配制，适合进行水质分析，并能保证试验结果的可靠性。

在B. MYERS和B. DAVIS等[11-13]配制人工合成雨水方法的基础上，查阅2005—2015年南京市降雨历史数据及南京范围内路面径流污染物成分和浓度的相关文献[14-15]，以此作为配制人工合成雨水的依据，在实验室配制雨水。据《水和废水监测分析方法》[16]，原子吸收分光光谱法测定铅的浓度适用范围是0.2～10 mg/L，笔者选取文献浓度的最大值作为配制人工合成雨水的浓度。具体配制方法及目标物浓度如表2。

表2 人工合成雨水的配制及目标污染物浓度Table 2 Preparation of synthetic rainwater and concentration oftarget pollutants

1.2.3 降雨模拟

1)雨量设计

根据南京市近10年降雨特点，选用设计降雨重现期5 a，设计降雨历时2 h(120 min)，由《南京市暴雨强度公式(修订)差算表》查得设计降雨强度i=0.631 mm/min。

2)雨型设计

采用芝加哥暴雨过程线模型对设计降雨进行时程分配。按照时间顺序，芝加哥暴雨过程线模拟的峰前时间序列i(tb)和峰后时间序列i(ta)分别为

(5)

(6)

式中:i(tb)为芝加哥暴雨过程线模型的峰前瞬间降雨强度，mm/min；i(ta)为芝加哥暴雨过程线模型的峰后瞬间降雨强度，mm/min；a为芝加哥暴雨过程线模型参数；r为雨峰系数，一般取0.35～0.45。

设计降雨重现期为5 a时，芝加哥降雨模型中的参数为

a(5)=64.300+53.800×lg 5=101.904 6

取雨峰系数r=0.4，同时将上述参数分别带入式(5)和式(6)，计算得到采用芝加哥降雨过程线模型构建的南京市5年一遇降雨强度、降雨历时为120 min的降雨情景，如图2。

图2 典型降雨过程Fig. 2 Typical rainfall process

3)降雨模拟

将配制好的人工合成雨水按照设计雨型进行模拟降雨，取每个试件的渗透出流进行水质分析，与原水样进行比较，以确定多孔沥青混合料对路面径流中Pb2+的控制效能。

1.3 测定方法

采用原子吸收光谱法(atomic absorption spectroscopy，AAS)测定水样中的Pb2+含量。

2 试验结果

2.1 空隙沿试件高度方向的分布特征

不同目标空隙率下，各特征参数沿试件高度方向的变化规律如图3。

图3 各特征参数沿试件高度方向的变化规律Fig. 3 Variation rules of characteristic parameters changing with the height direction of specimen

2.2 渗透出流中Pb2+含量

采用前述方法，进行室内人工模拟降雨试验，用原子吸收光谱法测定多孔沥青混合料试件的渗透出流中Pb2+含量，结果如图4。

图4 Pb2+浓度随降雨时间的变化Fig. 4 Variation of Pb2+ changing with rainfall time

3 结果分析

由图4可知，在降雨开始后35～55 min内，目标空隙率为20%试件的渗透出流Pb2+浓度大于16%试件；55～75 min内，两种试件渗透出流中Pb2+浓度相差不大；但在0～35 min、75～120 min内，目标空隙率16%试件的渗透雨水中Pb2+浓度大于20%试件；两种试件渗透出流中Pb2+浓度的最小值均出现在降雨历时65 min附近，分别为0.328 2 mg/L(16%)和0.327 6 mg/L(20%)；

从整个降雨过程看，降雨0～65 min内，渗透出流中Pb2+浓度随降雨时间的延长显著降低；65～120 min内，随降雨时间的延长有缓慢回升的趋势，但回升速度不及前半段雨程，因此总体而言，透水沥青路面对路面径流中Pb2+的去除效果较好。

根据图4所得数据，计算不同目标空隙率试件对Pb2+的去除率，计算公式如式(7)：

(7)

式中：w为渗透出流中的Pb2+浓度，mg/L。

计算结果如图5。

由图5可知，从整个降雨过程看，目标空隙率为20%的试件对径流中Pb2+的去除能力较16%试件强。16%试件对Pb2+的去除率为29.76%～34.36%，20%为30.4%～34.48%，此结果与宋秋霞[17]的研究结果相符：去除率最大值也出现在降雨历时65 min处，与降雨过程中渗透出流雨水测得的Pb2+浓度分布趋势相反，在降雨前0～65 min时间段内，试件对Pb2+的去除能力随时间的延长不断增强，在65～120 min的时间段内，随时间的延长不断降低，但与前半段雨程相比，降低速度较为缓慢。

图5 Pb2+去除率随降雨历时的变化Fig. 5 Variation of Pb2+ removal rate changing with rainfall time

由上述分析可知，在降雨0～65 min内，多孔沥青混合料对径流中Pb2+的去除能力随降雨的进行不断增强，65～120 min内，对Pb2+的去除能力则有所降低，这说明多孔沥青混合料对初期径流中Pb2+的去除效果更好，且随降雨的进行，多孔沥青混合料的空隙结构对Pb2+的吸附-解吸的能力是呈先增强后减弱的趋势。

对比图3与图5，分析不同目标空隙率下，面空隙率、等效直径、比表面积、分形维数、空隙数量和空隙体积等特征参数对混合料试件去除径流中Pb2+能力的影响机制，结果如表3。

表3 空隙结构各特征参数对多孔沥青混合料去除Pb2+效果的影响分析Table 3 Influence of various characteristic parameters of void structure on Pb2+ removal effect of porous asphalt mixture

由表3可知：

1)整个降雨过程中，20%试件去除径流Pb2+能力较16%试件强，且20%试件的面空隙率、比表面积、分形维数、空隙体积等参数值均大于16%试件，因此认为，以上参数值越大、多孔沥青混合料试件对路面径流中Pb2+的去除效果越好。

2)20%试件的空隙等效直径小于16%试件，但去除Pb2+的效果较16%试件强，即认为，空隙等效直径越大、多孔沥青混合料试件对Pb2+的去除效果越差。

3)两种目标空隙率的试件空隙数量相差不大，故认为空隙数量对多孔沥青混合料试件去除Pb2+效果的影响不明显。

综上所述，面空隙率、比表面积、空隙体积、分形维数等特征参数与多孔沥青混合料去除Pb2+效果呈正相关关系，即参数值越大、对Pb2+的去除效果越好；空隙等效直径与多孔沥青混合料去除Pb2+效果呈负相关关系，即参数值越大、去除效果越差；空隙数量对多孔沥青混合料去除Pb2+效果影响不明显，认为无明显线性关系。

4 结 论

根据上述分析，得到如下结论：

1)面空隙率、比表面积、空隙体积、分形维数等空隙结构特征参数与多孔沥青混合料去除Pb2+的效果呈正相关关系，即参数值越大、多孔沥青混合料对路面径流中Pb2+的去除效果越好；

2)空隙等效直径与多孔沥青混合料去除Pb2+的效果呈负相关关系，即参数值越大、多孔沥青混合料对径流中Pb2+的去除效果越差；

3)空隙数量对多孔沥青混合料去除径流中Pb2+的效果无明显影响。

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