華 夏

(江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術(shù)有限公司，南京 210000)

隨著我國高速路網(wǎng)越來越密集，通車里程越來越長，路表降水徑流對環(huán)境的影響逐漸成為交通環(huán)境研究者關(guān)注的問題。歐美國家對徑流的研究始于上世紀70年代，作為20世紀公路運輸最發(fā)達的國家，美國在1987年將地表徑流納入《水污染法案》，以加強對路面徑流環(huán)境影響風(fēng)險的控制[1-2]。此后，美國進一步實施《新清潔水法》[3]，對公路路域排出水的質(zhì)量指標提出了明確的要求。我國對路面徑流環(huán)境影響風(fēng)險的研究主要體現(xiàn)在降雨沖刷規(guī)律、重金屬含量以及處治措施等方面[4-6]，對于污染組分來源，尤其是路面材料本身的研究較少。

瀝青路面以較好的韌性、無接縫、行車舒適、耐磨、抗滑及施工周期短等特點成為高速公路建設(shè)的主流[7]，而瀝青作為原油的蒸餾殘留物主要成分包含了原油中80%的雜原子和少量的苯、萘、菲等揮發(fā)性物質(zhì)，容易對環(huán)境產(chǎn)生潛在的危害[8]。瀝青路面參與徑流污染的主要方式為通過降水沖刷路表，致使路面材料本身的某些組分浸出，并隨著徑流轉(zhuǎn)移到路域環(huán)境中去。而目前瀝青對環(huán)境的影響性研究主要集中在瀝青揮發(fā)性物質(zhì)對大氣的污染上[9-11]，對路面徑流水質(zhì)影響的研究相對比較薄弱。

為了分析瀝青中組分對環(huán)境的影響，本文通過靜態(tài)、動態(tài)、酸性溶劑和有機溶劑等環(huán)境條件，對SMA-13、UPAVE-10、AC-13三種瀝青試件進行了浸出試驗，并通過對浸出水體的水質(zhì)指標檢測，研究了瀝青混合料在不同環(huán)境條件下的浸出特性及其對徑流水質(zhì)的影響。

1 試驗方法

按照SMA 5.6%、UPAVE 5.4%、AC 6%的油石比制作3種瀝青混合料試件，試件直徑101.6 mm、高63.5 mm，分別設(shè)置標簽，如圖1所示。

圖1 瀝青混合料試件

1.1 靜態(tài)浸出試驗

將SMA-13、UPAVE-10、AC-13三種馬歇爾試件按照圖2方法分別置于200 mL去離子水塑料水桶中封存。保持試件完全浸沒于液體72 h及120 h，然后分3次提取30 mL水樣，每次10 mL，離心振蕩后取上層清液進行水質(zhì)檢測。

圖2 靜態(tài)浸出試驗樣品

1.2 動態(tài)浸出試驗

1) 車轍試驗。通過輪碾成型法制作車轍試驗試塊，將試件連同試模移置于車轍試驗機的試驗臺上，試驗輪在試件的中央部位，其行走方向須與行車方向一致，如圖3所示。開動車轍變形自動記錄儀，同時緩慢灑水，使試驗輪往返行走，累計加載次數(shù)達到5 000次。車轍試驗在溫度為60 ℃、荷載為0.7 MPa、速率為42次/min標準條件下進行。最后將試件浸入200 mL去離子水中放置72 h，離心振蕩后取上層清液進行水質(zhì)檢測。

圖3 模擬車輪在路面行駛狀態(tài)

2) 飛散試驗。肯塔堡試件按照馬歇爾試件標準擊實法制作，試件的直徑為101.6 mm，高63.5 mm。將試件放入溫度為20 ℃±5 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生20 h。從恒溫水槽中取出試件，用毛巾擦去試件表面水，并稱取其試件的質(zhì)量。將一個試件放入洛杉磯試驗機，如圖4所示，不加鋼球，開動洛杉磯試驗機，以30 r/min～33 r/min的速度旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)。將肯塔堡飛散試驗后的瀝青混合料殘留物收集，將其置入裝有200 mL去離子水的塑料桶中浸沒72 h，離心振蕩后取上層清液進行水質(zhì)檢測。

圖4 肯塔堡飛散試驗

1.3 酸雨浸出試驗

為了模擬酸雨，將SO2氣體通過注射器注入裝有水溶液的U型管，并振蕩加速溶解，直至溶液pH值降到4。隨后將pH值為4的酸性液體倒入事先放入1 g瀝青的60 mL燒杯中攪拌5 h，取上層清液10 mL離心振蕩后進行水質(zhì)檢測。

1.4 三氯乙烯浸出試驗

在125 mL的紙杯中稱1 g的瀝青樣品，精確到1 mg，加入50 mL的三氯乙烯攪拌5 h。取上層清液10 mL，離心振蕩后進行水質(zhì)檢測。同時對同等濃度的三氯乙烯進行水質(zhì)檢測，排除溶液中COD及NH3-N的干擾。

2 徑流水質(zhì)檢測標準

水質(zhì)檢測指標選取參照GB 3838—2002《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類中的SS(總懸浮物)、COD(化學(xué)需氧量)、TN(總氮)、TP(總磷)與NH3-N(氨氮)，各組分檢測方法如表1所示。

表1 水質(zhì)檢測指標及方法 mg/L

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)浸出試驗

表2 瀝青試件72 h靜態(tài)試驗水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

除此之外，72 h靜態(tài)浸出試驗中UPAVE-水體系中檢出少量的SS與COD，這可能是因為UPAVE試件的油石比較低，瀝青對顆粒物的包覆穩(wěn)定性較差，在長時間的液相環(huán)境中有顆粒物脫落從而導(dǎo)致檢出少量SS[13]。同時，脫落的顆粒物表面并沒有接觸過空氣氧化形成瀝青質(zhì)，導(dǎo)致部分烴類分子擴散到液相體系中，從而使檢測結(jié)果中出現(xiàn)COD指標。由此可知，瀝青混合料的粘結(jié)強度對靜態(tài)液相體系中SS與COD的含量有一定影響。

當(dāng)靜態(tài)浸出試驗延長至120 h，檢測水樣中檢出指標與此前72 h時的結(jié)果相比更為明顯，如表3所示。3種瀝青試件液相體系中均檢出不同程度的SS、COD、TN與NH3-N，NH3-N濃度順序與72 h結(jié)果相同，即AC>SMA>UPAVE。而隨著時間的增加，AC與SMA體系中也檢出SS與COD，雖然低于UPAVE體系中的濃度，仍反映試件表面發(fā)生少量的顆粒物分離。值得注意的是，120 h后AC-水體系中的TN與NH3-N指標已超出地表水Ⅲ類標準，說明瀝青混合料在長時間的靜態(tài)環(huán)境下對水體中的TN與NH3-N指標影響明顯。

3.2 動態(tài)浸出試驗

為更好地研究實際條件下行車荷載對瀝青路面浸出的影響，采用車轍試驗和肯塔堡飛散試驗來模擬在有車輛行駛的狀態(tài)下，瀝青路面的磨耗以及路表瀝青集料的脫落對徑流水質(zhì)的影響。

瀝青混合料車轍試驗后的水質(zhì)檢測結(jié)果如表4所示。與靜態(tài)浸水試驗結(jié)果相比，除TP外，其余指標濃度都大幅提升。這是因為車輪來回碾壓試件致其表面被磨損消耗，而磨損消耗產(chǎn)生的顆粒物被去離子水沖刷后懸浮分散在液相體系中，成為SS與COD濃度上升的主要貢獻來源。同時，由于磨耗產(chǎn)生的顆粒物粒徑較小，使顆粒物具有較大的比表面積，加快了粘結(jié)混合料瀝青的分解速率。而TP未檢出則說明瀝青路面材料中磷的含量極少，甚至不存在。路面徑流中的磷主要來源于其它因素，如輪胎磨耗散落的顆粒物或車輛攜帶的其它污染源[14]?？傮w來看，除了AC試件的SS濃度與UPAVE試件的NH3-N濃度，其它各項指標均不同程度超過國家地表水Ⅲ類標準。

表3 瀝青試件120 h靜態(tài)試驗水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

肯塔堡飛散試驗的結(jié)果如表5所示。由表5可知，污染物濃度要明顯低于車轍試驗，3種瀝青混合料試件的SS濃度均未超標，油石比較低的SMA與UPAVE試件中的NH3-N也符合環(huán)境要求，TP同樣未檢出。飛散試驗和車轍試驗相比更側(cè)重于測試路面材料抗分散掉粒與耐久性，更低的SS濃度和NH3-N濃度說明試件的整體粘結(jié)強度較好，掉?，F(xiàn)象較少，且飛散試驗產(chǎn)生的顆粒物在粒徑上要遠小于車轍試驗中磨損產(chǎn)生的顆粒物，比表面積較小會減緩瀝青在液相體系中的分解速率。

綜上分析，動態(tài)浸出試驗說明路表徑流中的SS、COD、TN和NH3-N濃度均受瀝青路面材料本身的影響。值得注意的是，實際降水情況下，降水會對路表的磨耗顆粒物產(chǎn)生沖擊，使顆粒物更容易脫離路表，且徑流形成后顆粒物隨水體不斷移動的過程中在液相體系中的分布更為均勻。因此，實際情況下的污染物濃度可能會高于動態(tài)浸出試驗結(jié)果。

表4 車轍試驗水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

表5 肯塔堡飛散試驗檢測結(jié)果 mg/L

3.3 酸性浸出試驗

酸雨會對徑流pH以及主要污染物濃度產(chǎn)生很大影響，通過模擬酸雨條件下的徑流，對瀝青材料在酸雨徑流中的浸出特性進行了測試，從而研究瀝青路面混合料在酸性條件下對徑流水質(zhì)的影響，酸性浸出試驗的結(jié)果如表6所示。從表6試驗數(shù)據(jù)可知，酸性環(huán)境會加劇瀝青污染物的浸出，污染物濃度明顯高于靜態(tài)浸出試驗和動態(tài)浸出試驗的檢測數(shù)據(jù)。其中，SS濃度是Ⅲ類標準的3倍以上，COD濃度是Ⅲ類標準的9倍，TN濃度是Ⅲ類標準的18倍，NH3-N濃度接近Ⅲ類標準的4倍，均遠超過地表水Ⅲ類標準。這是因為瀝青中的烯烴會與酸發(fā)生酯化反應(yīng)從而生成飽和度更高的異構(gòu)烷烴[15]，從而降低了瀝青的粘度和延度，導(dǎo)致瀝青對集料的包覆性能降低，SS濃度大幅提高。而SS濃度和體系中其它污染物均有較好的正相關(guān)性，從而引起了COD、TN、NH3-N濃度大幅提高。在實際情況中，集料的裸露會導(dǎo)致SS濃度進一步提高，同時影響其它污染指標的濃度。

表6 酸性環(huán)境水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

此外，當(dāng)路面存在裂縫等表面或結(jié)構(gòu)病害時，降水不可避免地進入瀝青路面空隙，如果是酸雨則會與瀝青混合料中的礦料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成礦料中Ca2+、K+、Na+、Mg2+、Fe3+等離子流失，形成易于溶解于水的硫酸鈣、硝酸鈣、硫酸鉀(鈉)等鹽類[16]。這種情況下礦料表面和瀝青之間會出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致瀝青粘附性能進一步下降，加速路面材料在輪胎摩擦作用下的剝離和飛散；同時水體酸堿性的變化會導(dǎo)致有機物在水中的溶解度發(fā)生改變，這就需要進一步研究酸雨徑流對有機物濃度的影響。

3.4 三氯乙烯浸出試驗

在公路運輸中，車輛自身攜帶或泄漏的柴油、汽油、潤滑油等對瀝青均有較強的溶解作用[17]。為了探明瀝青溶解對于徑流水質(zhì)的影響，本文采用對瀝青溶解能力與汽油相當(dāng)?shù)娜纫蚁﹣頊y試瀝青溶解后產(chǎn)生的水質(zhì)指標?？紤]到三氯乙烯本身可能含有TN、TP、NH3-N等污染物，因此分別對三氯乙烯本身和三氯乙烯溶解后的瀝青開展水質(zhì)檢測對比，從而得到瀝青本身的污染物濃度，結(jié)果如表7所示。從表7可知，瀝青用三氯乙烯溶解后釋放出超高濃度的SS、TN與NH3-N，排除三氯乙烯溶劑自身的影響，瀝青在溶解過程中釋放的SS、TN與NH3-N分別為1 862 mg/L、61.74 mg/L與10.25 mg/L，超過排放標準最高達60倍以上。當(dāng)融化的瀝青被雨水沖刷進入道路兩邊的土壤或水體，其中所含的高濃度氮化物會對植物及水生生物產(chǎn)生嚴重的危害，破壞生態(tài)平衡。由于液態(tài)瀝青不溶于水，會在環(huán)境當(dāng)中存在很長時間，引起區(qū)域環(huán)境內(nèi)的各項污染指標不斷累積攀升，最終超過區(qū)域的環(huán)境容量，造成不可逆的環(huán)境影響。因此，當(dāng)路面有車輛行駛殘留的柴油、汽油與潤滑油等有機溶劑時，瀝青路面材料本身會對徑流水質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

表7 三氯乙烯體系水質(zhì)檢測結(jié)果 mg/L

4 結(jié)論

通過研究瀝青路面材料在靜止、行車、酸雨、有機溶劑等不同條件下本身的浸出特性，結(jié)合瀝青路表徑流主要水質(zhì)指標檢測結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 瀝青路面材料本身在徑流浸泡的過程中不會對水質(zhì)產(chǎn)生影響。

2) 酸性環(huán)境會導(dǎo)致瀝青加速分解，同時使路面材料穩(wěn)定性下降，增加徑流中污染物的濃度。因此，酸雨地區(qū)的瀝青路面材料在降水過程中對徑流水質(zhì)有直接影響。

3) 當(dāng)路面存在汽車行駛殘留的柴油、汽油、潤滑油等有機溶劑時，瀝青會發(fā)生溶解釋放出污染物，對區(qū)域環(huán)境造成嚴重影響。

4) 未來瀝青路面在徑流污染防治的研究方向應(yīng)主要針對酸雨地區(qū)、交通量較大以及交通組成中?；愤\輸車輛占比大的路段。