两种模拟条件下透水沥青混合料的渗透特性与净化能力

2021-03-05祁妍娟康爱红卢志萍寇长江徐雪玲

材料科学与工程学报 2021年1期

祁妍娟，康爱红，卢志萍，寇长江，徐雪玲

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127)

1 前言

当前，我国城市化建设取得显著效益的同时，人口膨胀、交通拥堵、地表铺面硬质化等引起的大气污染、水环境恶化、城市热岛效应等“城市病”也在不断增多[1-2]，城市生态环境和水环境受到冲击。为改变这一现状，我国提出了海绵城市“渗、滞、蓄、净、用、排”的建设方针，降低硬质垫面的比例，目前国内各大城市正在大力推广透水铺装[3]。

其中，透水沥青混凝土作为一种大空隙新兴道路材料，由于其良好的排水降噪性能、抗滑性能和净水性能[4]，可有效补给地下水，减缓城市积水现象[5-7]，成为海绵城市中生态道路建设的“主力军”。目前国内外对透水沥青混凝土的一系列特性，包括级配优化[8-9]、渗透系数[10-12]及污染物去除能力[13-14]等进行了较为深入的研究，但局限于“以点论点”，对渗透特性和净化能力的演变关系研究较少，而由于透水沥青混合料的易堵特性，开展这一方面的研究就极为重要。

此外，晴天风干效应对多孔材料堵塞的影响已经为某些学者所重视，但尚未见相关试验研究。目前已有学者建立了干沉降的通量计算模型[15-16]、分析出其时空分布变化[17]及提高路面污染物浓度的特性[18]，但尚未有学者对比分析干沉降对路面渗透系数与污染物净化率的影响。因此本研究以“海绵城市”建设为背景，以雨水储渗、净化为目标，对透水沥青混凝土进行设计，通过室内净化模拟试验，研究透水沥青混凝土在风干与未风干两种模拟条件下，其渗透系数与污染物净化率的演变规律研究，为透水性沥青路面的生态化发展提供依据，推动我国海绵城市的进程。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1原材料

2.1.1.1高粘度改性沥青试验所用的高粘度改性沥青由SBS改性沥青与HVA改性剂按质量比92∶8制备而成，其中SBS改性沥青由江苏宝利沥青有限公司提供，其性能指标如表1所示，均符合规范要求。

表1 高粘度改性沥青的性能指标及试验结果Table 1 Performance indexes and test results of high viscosity modified asphalt

2.1.1.2集料由于透水沥青混合料的大孔隙结构对粗集料间接触强度的要求较高，粗集料和细集料均采用抗磨耗能力较强的硬质镇江茅迪玄武岩。集料基本密度参数如表2所示，各项技术指标均满足规范要求。

表2 玄武岩基本密度参数/(g·cm-3)Table 2 Basic density parameters of basalt/(g·cm-3)

2.1.1.3矿粉经对比后，选用镇江高资石灰岩磨细粉作为最终矿粉用料，其性能试验结果如表3所示，满足规范要求。

表3 石灰岩性能试验结果Table 3 Test results of performance of limestone

2.1.2径流雨水配制原材料试验选取代表性路面径流污染物，包括SS(悬浮物)、COD(化学需氧量)、TN(总氮)、TP(总磷)、Pb(铅)、Zn(锌)作为分析指标。鉴于实地采集雨水困难，故本试验采用室内配制雨水的方案。将扬州市次降雨径流污染物平均浓度值作为配置室内径流水样的参考浓度，按照表4的化学试剂比例进行配制。

2.2 试验方法

2.2.1透水沥青混凝土的制备试验以SBS改性沥青和HVA改性剂为原材料制备高粘改性沥青，以保证大孔隙透水沥青混合料具有良好的耐久性能，尤其是抗剥落性和抗水损坏性。

根据规范给定的空隙率范围，确定五个目标空隙率分别为18%、19%、20%、22%和23%，进行级配设计及路用性能测试，制备五种不同级配的PAC-13透水沥青混凝土，并采用体积法测定透水沥青混凝土的空隙率与连通孔隙率，具体测试结果如表5所示。

表4 各化学试剂的比例Table 4 Ratio of chemical reagents

表5 PAC-13空隙率测试结果Table 5 Test results of PAC-13 void fraction

2.2.2试验装置与净化模拟试验采用改进的渗透系数测试仪(组成如图1所示)，以实现渗透系数与净化能力的同步测定。该装置采用上、下拼接式套筒，上部套筒设置了溢流口并安装了多个高度的排水阀门，用以不同水头差的测定试验；下部套筒底部用以放置待测试的透水沥青混凝土。并用一组法兰片进行上、下部连接，随后置于盛水容器中，盛水容器底部安装了取样阀门，以供净化试验进行水样采集。同时准备好高压水枪、喷头、风干机等清洗用具。

净化模拟试验方案：

图1 渗透系数测试装置(1-套筒；2-溢流水；3-盛水容器；4-材料容器；5-净化材料；6-出水口；7-量筒)Fig. 1 Test device

(1)进行试件安装与设备调试，依次将不同空隙率的透水沥青混凝土置于模具中，使用环氧树脂涂抹于透水沥青混凝土边缘一圈，以保证密封性，并放置好废液桶，以供定时取样。

(2)采用干法均匀撒布沉积土于透水沥青混凝土表面，利用湿法化学试剂法投放化学试剂至桶中。随后开启污水泵、搅拌器，当COD测试浓度离差小于5%时(浓度已均匀)可开始供水。

(3)在一年的模拟周期后，采集经过透水沥青混凝土的径流水样，测试其中各污染物的含量(各污染物具体测试方法见表6)。随后改用普通清水供水测定透水沥青混凝土的渗透系数。

(4)用风干机对试样表面进行风干处理后，进入下一个模拟周期试验，共进行10个模拟周期(十年)。

表6 路面径流水样检测方法Table 6 Test method of road runoff water sample

3 试验结果及讨论

3.1 单周期净化模拟试验结果分析

单个周期的室内净化模拟试验研究结果如表7所示。

对透水沥青混凝土的物理性能之间的关系进行探究，其连通孔隙率、渗透系数与污染物去除率关系如图2所示。

在连通孔隙率增大的过程中，透水沥青混凝土的渗透系数基本呈现上升走向，六种污染物去除率呈现下降走向，其中SS最为明显，其余污染物去除率下降幅度均较大。透水路面的透水能力主要由道路的连通孔隙所决定，当连通孔隙增大时，渗透系数随连通孔隙率增大而有所提高；透水路面主要通过物理截留、吸附作用去除污染物，而随着连通孔隙的增大，污染物与空隙内壁的接触时间较短，对其去除效果明显变弱，尤其是对SS的物理截留、化学吸附作用显著削减，而附着于颗粒物上的悬浮态COD、TN、TP、Pb、Zn的去除率均随之降低，故污染物去除率随连通孔隙率增大而逐渐减小，且SS去除率下降最明显。

表7 单周期净化模拟试验结果Table 7 Test results of single cycle purification simulation

图2 连通孔隙率、渗透系数与污染物去除率三者关系 (a) 悬浮物; (b) 化学需氧量; (c) 总氮; (d) 总磷; (e) 铅; (f) 锌Fig. 2 Relationship among connected porosity, permeability coefficient and removal rate of pollutant (a) SS;(b) COD; (c) TN;(d) TP; (e) Pb; (f) Zn

分析连通孔隙率、渗透系数与污染物去除率三者之间的关系发现，当连通孔隙率分别在16.97%、15.02%、16.09%、15.88%、15.21%、15.83%时，SS、COD、TN、TP、Pb、Zn对应的去除率与透水沥青混凝土的渗透系数相交，即在这六个点，去除率与渗透系数达到了相对平衡状态，可见合理控制空隙率，可确保透水沥青混凝土的透水性能和净化能力达到相对平衡。

3.2 长周期净化模拟试验分析

3.2.1风干效应对透水沥青混凝土渗透系数衰变速率的影响风干效应是指某个降雨事件发生前，空气中悬浮的颗粒物发生干沉降进入道路后，晴天效应对道路中所容纳污染物的风干作用。风干效应会促进道路中沉降物、原有的颗粒态污染物的凝聚、结团、沉积，同时还会促进悬浮态污染物向颗粒态污染物附着。为探究出在风干效应后，路面沉积物对透水沥青混凝土渗透能力衰变速率的影响，在每次模拟期后，利用风干机对透水沥青混凝土表面进行处理，随后测定其渗透系数，并将测试结果与未经处理状态下的透水沥青混凝土的渗透系数进行对比。

初步试验发现，当透水沥青混凝土的连通孔隙率大于17%时，淋滤-风干循环后试件表面沉积土的残留、累积量极少，故仅对连通孔隙率为13.15%、14.72%、16.81%的透水沥青混凝土进行长模拟周期下的试验，利用改进的装置测定其渗透系数与污染物去除率，深入探究两者之间的变化规律。

图3为不同连通孔隙率透水沥青混凝土的渗透系数衰变曲线，从图可见，风干效应明显加速了渗透系数的衰减。当透水沥青混凝土的渗透系数衰减至初值的1/2时，若考虑风干效应，三种空隙率的透水沥青混凝土分别经历了2.4、3.5及4.6年，若不考虑风干效应，三种空隙率的透水沥青混凝土分别经历了4.2、6.3及7.8年，分别加快了1.8、2.8及3.2年；而当透水沥青混凝土完全堵塞时(即渗透系数为0时)，若考虑风干效应，三种空隙率的透水沥青混凝土分别经历了5、6及8年，若不考虑风干效应，只有最小空隙率在模拟期的第8年发生了堵塞，其他两个空隙率未发生堵塞。

图3 不同空隙率透水沥青混凝土的渗透系数衰变曲线 (a) 13.5%; (b)14.72%; (c)16.81%Fig. 3 Decay curve of permeability coefficient of permeable asphalt concrete with different voids (a)13.15%; (b)14.72%; (c) 16.81%

由此可见，当透水沥青混凝土的空隙率较小时，风干效应在模拟初期会加快渗透系数的衰变，而在模拟后期对透水沥青混凝土渗透系数衰减的加速效果降低；当透水沥青混凝土的空隙率较大时，风干效应对渗透系数较大的透水沥青混凝土的作用效果较好，间接反映了透水沥青混凝土路面及时清理的必要性。

3.2.2透水沥青混凝土渗透系数与污染物去除率同步演变规律由于在连通孔隙率为15%～17%时，透水性能与净水性能可以保持相对平衡，故选取了连通孔隙率为16.81%的透水沥青混凝土，对其渗透系数与污染物去除率随模拟期变化的演变关系进行探索。

图4 透水沥青混凝土(连通孔隙率为16.81%)渗透系数与污染物去除率的关系曲线(a) 悬浮物; (b) 化学需氧量; (c) 总氮; (d) 总磷; (e) 铅; (f) 锌Fig. 4 Relationship between permeability coefficient and removal rate of pollutant of permeable asphalt concrete (16.81% connected porosity) (a) SS; (b) COD; (c) TN; (d) TP; (e) Pb; (f) Zn

透水沥青混凝土(连通孔隙率为16.81%)渗透系数与六种污染物(SS、COD、TN、TP、Pb、Zn)的去除率演变关系如图4所示，可以发现，渗透系数逐渐衰减，但此时各种污染物的去除率整体呈上升趋势，可见渗透系数与污染物去除率两者基本呈负相关。渗透系数的衰减，主要是由于道路中积存的污染物随模拟期的增长而逐渐增多，致使道路内部结构空隙减小，进一步影响到透水沥青混凝土的渗水能力，故渗透系数逐渐衰减。

进一步观测图中透水沥青混凝土渗透系数与污染去除率同步关系曲线交点，发现对于连通孔隙率为16.81%的透水沥青混凝土，交点分别发生在3.8年、5.7年、5.1年、5.2年、5.6年、5.2年。对比可知，在当前污染作用下，较为适宜的清理时间节点为3～6年，且在此期间，其渗水能力仍然保持在120～190 mm/min范围内。

汇总图4中污染物去除率的初始值和末期值至表8，对比分析两者之间的关系，找出污染物去除率增大的原因。

表8 初始污染物去除率、模拟末期污染物去除率统计信息Table 8 Statistical information on initial and final removal rate of pollutant

分析上表发现，模拟期末期SS、COD、TN、TP、Pb、Zn的去除率均提高了超过0.6倍以上，而其中最高的是对TP的去除率，已达到1.59倍。可见，对悬浮态污染物的物理截留，使得透水沥青混凝土内部空隙结构慢慢丰富，悬浮态污染物、原有的颗粒态污染物组成的新空隙结构相较于最初状态而言，比表面积增大(即与其他污染物的接触面积增大)，提供了更多有效的接触范围；且伴随着透水沥青混凝土空隙率的减小，其渗透系数渐渐变小(即水流的流淌速度变慢)，间接增加了透水沥青混凝土空隙内壁与径流雨水的接触时间，透水沥青混凝土对径流雨水中污染物的去除作用得到充分发挥。综上，渗透系数的衰变即象征着污染物去除率的提高，原空隙内壁和截留颗粒组成的新空隙结构强化了透水沥青混凝土对各种污染物的净化能力。