解曉光，王 龍

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150090）

多孔瀝青混合料作為瀝青路面面層材料，具有良好的吸聲降噪、提高雨天交通安全、減小地表徑流量及蒸發(fā)降溫、緩解城市熱島效應(yīng)的特點(diǎn)，作為透水路面的面層材料同時(shí)具有補(bǔ)給城市地下水的優(yōu)點(diǎn).此外，研究表明［1］透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)可以有效地降低路面徑流中污染物的濃度，達(dá)到凈化水體的作用.但目前國(guó)內(nèi)外控制路面徑流污染的有效技術(shù)措施主要是因地制宜地采用滲坑、人工濕地和沉淀池等工程輔助方法，并未從多孔瀝青路面材料角度研究其控制徑流污染的功效和行為規(guī)律.因此，本文主要從基于減少路表徑流污染的角度研究多孔瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)，明確多孔瀝青混合料不同孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其路用性能及徑流污染控制效能的影響規(guī)律，從而為多功能透水路面材料設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 研究方法

1.1 徑流污染的評(píng)價(jià)指標(biāo)

已有研究成果表明［2－4］，公路徑流中的污染物有懸浮固體（SS）和有機(jī)污染物（COD）、重金屬、P和N營(yíng)養(yǎng)物、氯化物、油和脂、農(nóng)藥和多環(huán)芳烴（PAHs）等，其中COD，SS是公路路面徑流最主要的污染物，其主要來(lái)源于輪胎磨損顆粒、筑路材料磨損顆粒、運(yùn)輸物品的泄露、剎車連接裝置產(chǎn)生的顆粒及其他與車輛運(yùn)行有關(guān)的顆粒物、大氣降塵及除冰劑等.因此本文確定路面徑流污染的評(píng)價(jià)指標(biāo)為COD去除率和SS去除率，去除率越大表征去除水中有機(jī)污染物和懸浮固體的能力越強(qiáng).

1.2 水樣的制備

影響降雨徑流污染物濃度的主要因素有降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等，研究表明［3］，初期降雨徑流中污染物濃度較高，隨降雨歷時(shí)增加，徑流污染物濃度降低并趨于穩(wěn)定.本文為了區(qū)分不同孔隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料的去污效能，采用的是徑流初期的污染物濃度，根據(jù)已有研究成果確定了相應(yīng)的路面徑流污染物成分和數(shù)量［5－6］，在實(shí)驗(yàn)室自行調(diào)配水樣.

1.3 成型方法

碾壓成型是形成瀝青混合料強(qiáng)度的關(guān)鍵步驟之一.研究表明，對(duì)于粗集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%的混合料，馬歇爾壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏低，振動(dòng)壓實(shí)可明顯提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)［7］，同時(shí)考慮到試件成型應(yīng)反映現(xiàn)代機(jī)械裝備與工藝水平，因此本文采用振動(dòng)成型方法，由自行設(shè)計(jì)的頻率、振幅與激振力等振動(dòng)碾壓三要素可調(diào)的上置式振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)［8］.采用的最佳振動(dòng)參數(shù)為：激振力7kN、頻率30Hz、振幅0.957mm、振動(dòng)時(shí)間2.5min.試件尺寸為152mm×100mm.

2 可減少路表徑流量的目標(biāo)空隙率

為了控制透水性瀝青路面地表徑流的產(chǎn)生，就要使透水性瀝青路面獲得最大的滲水和儲(chǔ)存雨水的能力.即

式中：Q′max為透水性瀝青路面獲得最大滲水和儲(chǔ)存雨水量，m3；Qj為路面地表徑流量，m3·s－1；t為降雨歷時(shí)，min.

對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)、單向車道寬度為B的透水性瀝青路面而言，有

式中：Qs為實(shí)際滲透量；tm為降雨持續(xù)最長(zhǎng)時(shí)間；q′為單位時(shí)間透過(guò)試件截面流量，cm3·s－1；Ks為試件實(shí)際滲透系數(shù)，cm·s－1；J為透水性瀝青路面的合成坡度；F為透水性瀝青路面面積，m2，F(xiàn)＝LB.

因此，為了控制透水性瀝青路面地表徑流的產(chǎn)生，要求滿足下式：

即

式中，V為透水性瀝青混合料控制地表徑流產(chǎn)生的目標(biāo)空隙率.

式中：Qj＝qψF，q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，m3·s－1·km－2，q＝16.7i；ψ為徑流系數(shù)，對(duì)于透水性瀝青路面，ψ＝0.7；i為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，mm·min－1，i＝cpctq5，10［9］，在東北地區(qū)，按5年重現(xiàn)期降雨歷時(shí)30min計(jì)算，查得cp＝1.0，ct＝0.55，q5，10＝2.0，計(jì)算得i＝1.1.當(dāng)Kb＝0.20V－2.76時(shí)，

由此，根據(jù)東北地區(qū)降雨特點(diǎn)，計(jì)算得到可控制地表徑流量的透水路面瀝青混合料的目標(biāo)空隙率不小于15%.

3 基于減少?gòu)搅魑廴镜臑r青混合料設(shè)計(jì)

瀝青路面要達(dá)到透水功能、控制路表徑流量，瀝青混合料的空隙率應(yīng)不小于15%，而空隙率大于30%時(shí)，瀝青混合料很難滿足行車條件下的力學(xué)指標(biāo)要求.因此，本文考慮滿足控制路面徑流量以及路用性能的要求，初步確定瀝青混合料的空隙率范圍為15%～30%，并研究此空隙范圍內(nèi)瀝青混合料控制路面徑流污染的效能和力學(xué)性能.

3.1 材料組成

試驗(yàn)采用的是石灰?guī)r集料，主要技術(shù)指標(biāo)見表1，滿足高等級(jí)公路表面層對(duì)集料的要求.瀝青為普通瀝青西太AH－90和日本高粘度改性瀝青TPS.瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)采用的是體積設(shè)計(jì)法，主要考慮了3個(gè)影響因素［10］，即粗集料分布（骨架4）、細(xì)集料分布（泰波指數(shù)n＝0.65）、不同的填充系數(shù)（0.1，0.4，0.7和0.9），所得瀝青分別記為4－0.65－0.1，4－0.65－0.4，4－0.65－0.7和4－0.65－0.9，以設(shè)計(jì)出目標(biāo)空隙率分別為15%，20%，25%和30%的瀝青混合料.具體級(jí)配如表2所示.

表1 集料技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Aggregate properties

表2 不同空隙瀝青混合料的級(jí)配Tab.2 Gradation of asphalt mixes with different voids

3.2 去污效能

對(duì)不同空隙結(jié)構(gòu)的普通瀝青混合料成型試件，使室內(nèi)調(diào)配的水樣通過(guò)試件，可以得到經(jīng)過(guò)不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料試件過(guò)濾的水樣.在此基礎(chǔ)上分別測(cè)定原水和過(guò)濾后水樣的COD值和SS質(zhì)量濃度，可得到COD和SS去除率，具體結(jié)果如圖1.

圖1 不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料去污效果Fig.1 The removal rate of asphalt mix with different void structures

由圖1可見，隨著瀝青混合料空隙率降低，COD和SS去除率升高.空隙率由28.5%下降至25.6%時(shí)，COD去除率提高87.7%，SS去除率可提高106.0%；當(dāng)空隙率由25.6%下降至19.9%時(shí)，COD去除率可提高67.5%，SS去除率可提高21.4%；當(dāng)空隙率達(dá)到20%左右再下降時(shí)，COD去除率變化不大.由此可見，隨著空隙率的減小，COD和SS去除率逐漸增大.這主要是由于COD和SS的去除效果依靠混合料內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)的吸附和截留作用，因此試件內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)分布是關(guān)鍵，空隙大，則固體懸浮物截留得少，而一些有機(jī)污染物附著在固體懸浮物上，相應(yīng)的有機(jī)污染物去除就少.隨著空隙率減小，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)截留固體懸浮物和有機(jī)污染物相應(yīng)增多，表現(xiàn)為COD和SS去除率隨之增大，只是不同階段增長(zhǎng)幅度不同.由此，兼顧透水性和COD，SS去除效果確定瀝青混合料有效空隙率約為20%.

3.3 去污耐久性

為了了解不同空隙瀝青混合料有效的去污耐久性，室內(nèi)模擬年降雨量（根據(jù)調(diào)查資料可知哈爾濱地區(qū)年平均降雨量為500mm），對(duì)不同空隙結(jié)構(gòu)、不同瀝青類型的多孔瀝青混合料進(jìn)行不同年數(shù)降雨量滲透，分析透水后雨水成分的變化，明確其去除有機(jī)物COD的效能，從而了解不同類型瀝青混合料的去污壽命.室內(nèi)分別模擬了1年、2年、3年和5年的降雨量，由此測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖2所示.其中滲透時(shí)間指試件通過(guò)400ml水所用的時(shí)間.

由圖2可知，不同空隙結(jié)構(gòu)普通瀝青混合料和改性瀝青混合料經(jīng)過(guò)不同年限的降雨沖刷后其滲透性呈相似性變化.總體規(guī)律是：瀝青類型對(duì)滲透性影響不大，關(guān)鍵是級(jí)配類型和降雨總量的影響.隨著空隙率的降低，滲透性隨之降低，表現(xiàn)為滲透時(shí)間的延長(zhǎng).無(wú)論是什么樣的級(jí)配類型，其變化規(guī)律均是前3年降雨量后的滲透性沒有明顯變化，隨著降雨量模擬到5年時(shí)，試件的透水性明顯減弱，表現(xiàn)出滲透時(shí)間明顯增長(zhǎng).

表3 瀝青混合料經(jīng)過(guò)不同年限降雨量后的COD去除效果Tab.3 COD removal rate of aspalt mix after different________rainfal________________________________________lyears

圖2 瀝青混合料不同降雨年限的滲水情況Fig.2 Permeability of asphalt mixes after different rainfall years

這種規(guī)律同樣表現(xiàn)在COD去除率上（表3）.對(duì)COD去除效果而言，不同瀝青類型有差別，但沒有級(jí)配類型和降雨總量影響的顯著.對(duì)COD的去除率，關(guān)鍵還是空隙的微觀結(jié)構(gòu)起主要作用.其總體規(guī)律是：2年內(nèi)不同級(jí)配類型普通瀝青混合料的去除效果相當(dāng)，COD去除率為40%～45%；改性瀝青的去除效果差別大些，為30%～47%.當(dāng)試件經(jīng)過(guò)3年降雨量的滲透后，COD去除率差別較大，大小差別可達(dá)40%左右.但當(dāng)降雨總量達(dá)到5年時(shí)，不論是何種瀝青和級(jí)配類型的混合料，其COD去除率均不大于17%，甚至有50%的混合料其去除率低于10%.從表3可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較離散，這主要與瀝青混合料的空隙大小以及內(nèi)部空隙微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，因?yàn)闉r青混合料對(duì)COD的去除率主要是依靠?jī)?nèi)部空隙結(jié)構(gòu)對(duì)污染物的截留作用而實(shí)現(xiàn)的.從表3中可見，空隙率相對(duì)小些的4－0.65－0.7和4－0.65－0.9在2年后COD去除率開始下降，是因?yàn)榭障堵式?jīng)過(guò)2年的過(guò)濾作用后進(jìn)一步減小了.而空隙率相對(duì)較大的4－0.65－0.4和4－0.65－0.1，由于本身空隙率較大，因此能夠承受更多年的過(guò)濾作用，表現(xiàn)為3年后COD去除率開始下降.表3變異性還跟每個(gè)試件內(nèi)部的微觀空隙分布有關(guān)，但總體上能夠看出來(lái)，不論是何種多孔瀝青混合料，5年時(shí)的COD去除效果明顯降低，幾乎不發(fā)揮作用了.

綜上所述，當(dāng)降雨量達(dá)到5年時(shí)，各種級(jí)配類型瀝青混合料無(wú)論是滲透時(shí)間還是COD去除效果均有大幅度的降低，因此可初步得知，透水性瀝青混合料滲透和去除有機(jī)污染物的有效壽命為3年.

4 多孔瀝青混合料的力學(xué)性能

多孔瀝青混合料由于空隙增大，力學(xué)性能必然減小.為了在保證多孔瀝青混合料空隙結(jié)構(gòu)去污效能的同時(shí)提高其力學(xué)性能，進(jìn)行了AH－90和TPS多孔瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比研究.

4.1 抗壓強(qiáng)度和回彈模量

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在一定程度上能夠反映材料的承載力，回彈模量能夠反映材料的剛度，結(jié)果如圖3.

由圖3可知，無(wú)論是普通瀝青混合料還是高粘度改性瀝青混合料，其抗壓強(qiáng)度和回彈模量均隨著空隙率的增大而降低，當(dāng)空隙率大于20%時(shí)，降幅明顯.對(duì)普通瀝青混合料而言，空隙率不大于20%時(shí)抗壓強(qiáng)度較大；大于20%時(shí)抗壓強(qiáng)度明顯降低，不能滿足道路承載的需要，因此普通道路瀝青混合料應(yīng)控制其空隙率不大于20%.高粘度改性瀝青可以明顯提高瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度，各空隙結(jié)構(gòu)下抗壓強(qiáng)度提高幅度均大于30%，而且空隙率為25%時(shí)抗壓強(qiáng)度仍大于1.5MPa，能滿足基層承載的要求.但高粘度改性瀝青對(duì)回彈模量的提高貢獻(xiàn)不大.因此，從滿足承載角度來(lái)看，無(wú)論采用高粘度改性瀝青還是普通瀝青，瀝青混合料的空隙率應(yīng)控制在20%以內(nèi).

圖3 2種瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度與回彈模量對(duì)比Fig.3 The contrast on compressive strength and elastic modulus between asphalt and high viscosity asphalt mixes

4.2 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)能夠反映材料在高溫狀態(tài)下抵抗永久變形的能力，結(jié)果如圖4.

圖4 2種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比Fig.4 The comparison on dynamic stability between asphalt and high viscosity asphalt mix

從圖4可以看出，無(wú)論是普通瀝青還是高粘度改性瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度總體變化規(guī)律均是隨著空隙率的增大而降低，但普通瀝青與高粘度改性瀝青混合料降低幅度有所差別.普通瀝青混合料4種空隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)穩(wěn)定度值均大于800次·mm－1，說(shuō)明骨架嵌擠發(fā)揮主要作用.采用高粘度改性瀝青，動(dòng)穩(wěn)定度得到明顯提高，而且提高幅度很大，有的甚至超過(guò)200%，由此可見，高粘度改性瀝青抗車轍能力得到較大幅度的提高.從滿足抗車轍指標(biāo)來(lái)看，4種空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料均能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求.

4.3 水穩(wěn)定性

對(duì)4種不同空隙結(jié)構(gòu)的普通瀝青混合料進(jìn)行了5次凍融循環(huán)的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（－20℃凍16h，20℃融8h為1個(gè)凍融循環(huán)），結(jié)果如圖5.

圖5 普通瀝青混合料殘留抗壓強(qiáng)度比Fig.5 The residual compressive strength of asphalt mixes

由圖5可見，多孔瀝青混合料隨著空隙率的增加凍融前后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減少，而且這種減少程度隨空隙增加的變化較均勻.凍融后的抗壓強(qiáng)度總體略低于凍融前，但降低幅度不大，表現(xiàn)為殘留強(qiáng)度比較高，均大于90%.主要是因?yàn)槎嗫诪r青混合料具有較大且連通的空隙，水分進(jìn)入后可以及時(shí)流出，空隙中保留的水分較少，使材料受凍脹的影響較小，表現(xiàn)為在凍融循環(huán)作用下抗壓強(qiáng)度損失較小.

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)東北地區(qū)降雨特點(diǎn)，計(jì)算得到可控制地表徑流量的透水路面瀝青混合料的目標(biāo)空隙率應(yīng)該不小于15%.

（2）瀝青混合料隨著空隙率增大，COD和SS去除率降低.多孔瀝青混合料對(duì)徑流污染的去除效果主要是通過(guò)內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)的滲透、截留、吸附作用達(dá)到的.空隙太大，導(dǎo)致污染物隨著水體流走，達(dá)不到凈化的作用.因此適宜的空隙率為20%左右.

（3）通過(guò)模擬年降雨量試驗(yàn)可知，不同空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料的滲透時(shí)間隨著年份的增加而延長(zhǎng)，超過(guò)3年時(shí)，明顯延長(zhǎng).而COD去除率隨著年份的增加而降低，超過(guò)3年時(shí)，降低幅度顯著.因此多孔瀝青混合料滲透和控制徑流污染的有效壽命為3年.

（4）從滿足承載能力、高溫抗變形能力、水穩(wěn)定性等角度出發(fā)，多孔瀝青混合料的空隙率應(yīng)不大于20%.

（5）多孔瀝青混合料主要是依靠混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)達(dá)到控制徑流污染的功效，因此采用何種瀝青（普通瀝青或高粘度改性瀝青）對(duì)其控制徑流污染性能影響不大，而對(duì)力學(xué)性能影響較大.

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