武吉， 凌天清， 秦新， 牟存玉

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400074; 2.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院；3.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司； 4.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院)

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，道路作為城市發(fā)展的紐帶也得到迅速的發(fā)展。透水水泥混凝土是指由水泥黏結(jié)劑、開級配集料和水按照一定配合比攪拌成型的混凝土。因其具有良好的吸聲降噪性能、抗滑性能、一定的凈水特性以及雨天減少水霧的性質(zhì)，獲得國外學(xué)者更加深入系統(tǒng)的研究，并在道路建設(shè)中逐步推廣應(yīng)用。

路面污染物種類較多，這些污染物的來源主要分為3大類：汽車尾氣、汽車漏油以及汽車部件的磨耗殘留物。此外，雨水攜帶空氣中的部分污染物，這些污染物隨著降雨徑流至地下，一方面會污染地下水;另一方面會造成公路周邊土壤土質(zhì)的惡化，使得道路兩旁的植被枯萎，影響道路整體美觀。所以研究透水路面對于徑流污染物的凈化具有重要的環(huán)保意義。

該文依據(jù)國內(nèi)外透水水泥穩(wěn)定碎石基層已有級配研究及有關(guān)規(guī)范，提出最大公稱粒徑分別為16、13.2、9.5 mm的3種透水水泥混凝土面層試驗級配，結(jié)合3種不同的水膠比(0.30、0.35、0.40)和設(shè)計空隙率(15%、20%、25%)，并以設(shè)計強度和透水系數(shù)為基準，采用正交試驗方法來確定透水水泥混凝土的配合比。

為使透水水泥混凝土的空隙率達到預(yù)定值，通過配合比計算，得到不同設(shè)計空隙率下透水水泥混凝土面層各材料的單位體積用量，依據(jù)計算結(jié)果制備試件并檢驗實際空隙率是否滿足設(shè)計空隙率的要求。具體方法如下：分別采用T0308-2005和T0309-2005方法測定集料的毛體積密度和各級配集料緊密堆積密度；計算各級配集料的合成毛體積密度和緊密堆積空隙率；計算單位體積集料用量；依據(jù)設(shè)計空隙率計算單位體積水泥漿體用量；最后根據(jù)不同水膠比計算單位體積水泥用量和用水量。依據(jù)以上計算結(jié)果制備試件，采用排水法測定并計算各試件的有效空隙率和理論空隙率，結(jié)果表明：配合比計算方法得到的透水水泥混凝土實際空隙率能較好地契合設(shè)計空隙率的要求。

透水水泥穩(wěn)定碎石基層選用水泥劑量8%、含水率3.9%的最佳配合比作為此次試驗所用配合比。試件采用插搗法成型，養(yǎng)護方式與普通水泥混凝土相同。使用自制溶液來模擬路面污染物雨水，通過測定滲透前后溶液各污染物濃度，計算去除率來研究透水混凝土面層及水泥穩(wěn)定碎石基層的凈水特性。

1 道路路面徑流雨水研究

1.1 徑流雨水污染物調(diào)查

重慶地處四川盆地東部，屬亞熱帶季風濕潤氣候，雨量豐富，年降水量1 000 mm以上，酸雨災(zāi)害較為嚴重。通過對重慶市主城區(qū)徑流雨水中的主要污染物進行調(diào)查研究，制備試驗溶液，評價透水性路面對徑流雨水的凈化能力。

宋遷鳳通過對重慶城區(qū)主干路、次干路和居民區(qū)的徑流雨水進行采樣監(jiān)測，得出重慶城區(qū)徑流雨水中的主要污染物為總懸浮物(TSS)和化學(xué)需氧量(COD)；郝麗嶺通過分析重慶城市某居民區(qū)不同路面材料形式的徑流雨水污染特性，得出瀝青路面和水泥混凝土路面的主要污染物均為TSS、COD、TN(總氮)、TP(總磷)，而且瀝青路面徑流雨水各項污染物指標均較水泥混凝土路面的高；張千千等通過在雨季對重慶地區(qū)地表徑流污染物進行分析研究，得出主要污染物TSS、COD、TN、TP的均值都超出國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標準。綜上所述：重慶主城區(qū)地表徑流的主要污染物為TSS、COD，其次是TN、TP。同時酸雨的污染也不容小覷，應(yīng)當在模擬試驗中予以考慮，以便充分探索透水混凝土的凈水效果。

1.2 測試方法

該文主要針對pH值、TSS、COD、TP共4個指標進行監(jiān)測分析。 其中，COD與總有機碳(TOC)存在以下的關(guān)系：TOC=12COD/32，而COD更能直觀地表征徑流雨水中有機物總量。因此次試驗干擾因素較少，故用TOC代替COD。

(1) pH值的測定

將待測水樣倒入小燒餅中并編號，采用試驗室pH計ST2100測定各待檢水樣的pH值。

(2)TSS的測定

總懸浮物采用重量法進行測試，取待檢水樣100 mL進行吸濾試驗，稱取0.45 μm濾膜吸濾后烘干至恒重后的質(zhì)量，再計算懸浮固體的質(zhì)量百分數(shù)。

(3)TOC的測定

采用日本島津TOC-VCPH總有機碳分析儀，通過燃燒氧化-非色散紅外吸收法對水樣的TOC進行測試。先測定總碳和無機碳標準溶液并繪制校準曲線，再將待測水樣放置在總有機碳分析儀中進行TOC測定。

(4)TP的測定

將不同劑量的磷酸鹽標準溶液(10 μg/L)與混合試劑反應(yīng)，通過分光光度計于710 nm處測定其吸光度，繪出總磷標準曲線。該方法稱作鉬酸銨分光光度法。

1.3 試驗溶液的配制

因?qū)嵉厥占晁芏喾N因素的影響，且污染物含量的離散性較大、均一性無法保證。故此次試驗采用在自來水中加入一定的化學(xué)試劑來模擬污染徑流雨水，通過滴加濃鹽酸的方式控制徑流雨水的pH值?；瘜W(xué)需氧量(COD)的模擬配置濃度為300.0 mg/L，換算成總有機碳(TOC)則為112.5 mg/L。室內(nèi)配制雨水的主要測定指標、配制試劑及其濃度要求見表1。

表1 模擬徑流雨水的配置要求

試驗用模擬徑流雨水的配制流程如下：

(1) 通過摩爾質(zhì)量的相關(guān)換算，預(yù)選3個梯度質(zhì)量的試劑分別用電子天平進行精確稱量，然后倒入燒杯中用玻璃棒攪拌均勻，再摻入定量自來水中攪拌均勻，并取樣。

(2) 對3個試配水樣污染物進行濃度檢測。根據(jù)試驗結(jié)果繪制試劑摻入量-污染物濃度散點圖并進行線性擬合，如圖1所示。采用線性內(nèi)插的方式，截取模擬配制濃度對應(yīng)的試劑摻入量即為模擬徑流雨水最佳試劑摻入量，即：硅藻土、C6H12O5、KH2PO4最佳摻量分別為：22.796、8.299 6、0.121 5 g。

(3) 向模擬配制雨水中滴加一定的濃鹽酸溶液，并反復(fù)使用酸度計進行測定，直至預(yù)定的pH值為止。

圖1 不同梯度試劑摻入量同檢測指標的關(guān)系

2 不同空隙率試件凈水特性研究

依據(jù)模擬雨水最佳試劑摻入量，按污染物濃度：TSS為800 mg/L，TOC為112.5 mg/L，TP為1.500 mg/L，pH值為4，配制3份30 L的模擬雨水。其中pH值通過滴加濃鹽酸調(diào)控。分別對設(shè)計空隙率為15%、20%、25%的透水混凝土試件進行模擬降雨試驗。試驗容器規(guī)格為30 cm×15 cm×60 cm，試件尺寸為30 cm×15 cm×15 cm(15 cm為試驗的標準厚度)，在距試件頂部30 cm(用于增壓)處有一塊降雨面板，在試件覆蓋范圍內(nèi)開孔，孔徑1 cm，均勻分布。因重慶城區(qū)降雨80%為小雨，故模擬降雨試驗的雨強大小定為4.1 mm/10 min，降雨時間為30 min。

收集模擬降雨試驗后的溶液進行各項指標測定，并計算污染物去除率。其中，污染物去除率按式(1)計算：

(1)

式中：λ為各污染物去除率(%)；δ0為試驗溶液各污染物濃度(mg/L)；δ1為經(jīng)降水試驗后試驗溶液中各污染物濃度(mg/L)。

通過試驗和計算，得到結(jié)果如表2所示。

表2 不同空隙率試件的凈水效果

由表2可知：透水水泥混凝土能中和徑流雨水中的H+，提高雨水pH值；同時對其他污染物有一定的凈化作用。對TSS的凈化率達到24%～37%，TOC的凈化率達到6%～16%，TP的凈化率達到9%～68%。可以發(fā)現(xiàn)，各污染物質(zhì)去除率同設(shè)計空隙率之間存在著良好的線性正相關(guān)關(guān)系，且TP凈化率受空隙率的影響最大。

3 不同道路材料凈水特性研究

水泥和瀝青是中國道路工程建設(shè)中常見的兩種路面黏結(jié)材料。大量學(xué)者已經(jīng)研究了這兩種道路材料對環(huán)境的影響，但尚無對雨水凈化方面的對比研究。該文就配制的溶液分別對空隙率大致相當?shù)耐杆炷猎嚰蚈GFC試件進行試驗(圖2)，試驗內(nèi)容與上述相同。采用污染物去除率來評價透水混凝土的凈水效果，計算結(jié)果如表3所示。

圖2 降水試驗后的道路表面

路面材料類別各指標去除率/%TSSTOCTPpH值(上升到)透水水泥混凝土面層(PC)3312346.47開級配排水式瀝青磨耗層(OGFC)2710134.03

由圖2可見：試驗過后，無論是透水水泥混凝土路面還是瀝青混凝土路面都能清楚地看到表面空隙懸浮物的黏附與截留。由表3可知：透水水泥混凝土和瀝青混凝土對徑流雨水中的污染物均有一定的凈化效果，但前者的去除效果優(yōu)于后者；而OGFC瀝青混合料對徑流雨水中的H+無中和作用，不能提高雨水的pH值。

4 路面組合結(jié)構(gòu)凈水特性研究

分別對透水水泥基層和面層的單層結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)進行試驗。為確定組合結(jié)構(gòu)凈水效果與單層結(jié)構(gòu)凈水效果的關(guān)系，組合層凈水效果試驗的試件厚度定為A(15 cm)+B(15 cm)，其他試驗內(nèi)容與上述相同。通過測定凈水試驗前后溶液中各污染物含量，采用污染物去除率來評價路面凈水效果。計算結(jié)果如表4所示。

表4 路面單層和組合層試件的凈水效果

由表4可知：同透水水泥混凝土一樣，透水水泥穩(wěn)定碎石對徑流雨水污染物也有一定的凈化作用，對污染物去除率的大小為：TP>TSS>TOC；且能中和溶液中一定量的H+，提升溶液的pH值。透水水泥穩(wěn)定碎石基層的TSS及TOC去除率同透水水泥混凝土面層大致一樣，但對TP的凈化效果卻較面層提高了59%左右。

透水性路面結(jié)構(gòu)組合層的凈水效果較兩種單層結(jié)構(gòu)有一定幅度的提高，但并不是兩者的簡單相加。路面結(jié)構(gòu)組合層能有效地提高溶液的pH值；且對TP的去除率要高于TOC和TSS。

5 結(jié)論

以重慶市區(qū)徑流雨水主要污染物含量的調(diào)查為依據(jù),采用化學(xué)試劑按梯度試配，并通過內(nèi)插的方式獲得最佳試劑摻量，配制模擬試驗溶液。通過模擬試驗，分析了空隙率、路面材料類型以及路面結(jié)構(gòu)層組合形式對徑流雨水各污染物的凈化效果，得出以下結(jié)論：

(1) 透水水泥混凝土中的水泥在水化及降水試驗過程中會釋放出一定的OH-，中和雨水中的H+，提高雨水的pH值。透水水泥混凝土面層對TSS、TOC、TP的凈化率分別達到24%～37%、6%～16%、9%～68%，且凈化效果與設(shè)計空隙率存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系。

(2) 因透水水泥混凝土和透水瀝青混凝土內(nèi)部存在大量的空隙可以過濾吸附污染物，故對徑流雨水均存在一定的凈化效果，且兩者對各污染物去除率的大小均為：TP>TSS>TOC，但透水水泥路面具有更優(yōu)的凈化效果；因透水瀝青混凝土路面不能中和徑流雨水中的H+，故不能提升徑流雨水的pH值。

(3) 透水水泥混凝土面層和透水水泥穩(wěn)定碎石基層，兩單層結(jié)構(gòu)對徑流雨水均有一定的凈化效果；而透水路面結(jié)構(gòu)組合層的凈化效果較兩種單層結(jié)構(gòu)有所提高，但不等于兩者的簡單相加。