楊勝科，王文科，陳宇云，王周鋒，趙曉紅，楊銀科

(長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 陜西省礦產(chǎn)資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

路面是道路重要的工程結(jié)構(gòu)，鋪筑于路基頂面，是用不同材料或混合料分層鋪筑而成的供車輛行駛的一種層狀結(jié)構(gòu)物［1］。目前，國(guó)內(nèi)外常用的路面材料是瀝青和水泥混凝土。瀝青路面因具有噪聲小、維修時(shí)間短和舒適等優(yōu)越的性能而被我國(guó)高等級(jí)路面普遍采用。水泥混凝土路面則在承載能力、耐久性和使用壽命方面表現(xiàn)出不俗的使用性能［2-4］。我國(guó)鋪筑路面所使用的瀝青主要是石油瀝青。石油瀝青主要含有可溶于氯仿的烴類及非烴類衍生物，主要成分是瀝青質(zhì)、飽和分、膠質(zhì)和芳香分［1-2］。水泥混凝土主要由水、水泥、摻合料、砂、石等原料混合而成［5］。這2 類材料主要的潛在污染物是重金屬和有機(jī)物，此外，路面材料在制作過程中需摻合外加劑，這些外加劑中也含有重金屬和有機(jī)物。在公路營(yíng)運(yùn)期，這些道路污染物可以通過路面與輪胎的摩擦，風(fēng)化、雨水浸泡等方式釋放到土壤、大氣和水環(huán)境當(dāng)中。

關(guān)于路面材料現(xiàn)有的研究大多將研究重點(diǎn)集中在瀝 青 和 水 泥 混 凝 土 路 面 的 造 價(jià)［1，6］、使 用 壽命［2-3］、鋪筑技術(shù)［1］、路用性能［1，3］及環(huán)境影響因素等方面。石建慧［7］從理論上分析了瀝青的加熱過程以及使用過程中對(duì)水、土、生態(tài)環(huán)境等造成的影響。趙聯(lián)芳等［8］應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)道路水泥混凝土的環(huán)境性能，從原材料的開采、生產(chǎn)階段等研究了水泥混凝土帶來(lái)的污染問題。然而，通過試驗(yàn)研究這2 種路面材料潛在污染物的報(bào)道尚未發(fā)現(xiàn)。

本文采用萃取實(shí)驗(yàn)，對(duì)瀝青路面材料及其溶出物中重金屬和有機(jī)物的含量進(jìn)行測(cè)定分析;采用消解法測(cè)定水泥混凝土路面原材料中的重金屬含量，選用最大浸出性實(shí)驗(yàn)方法研究溶出物中重金屬含量;最后通過人工模擬降水研究這兩種路面徑流污染物，從這三方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)瀝青路面和水泥混凝土路面材料組成成分對(duì)環(huán)境的負(fù)效應(yīng)。本文研究成果可以為瀝青路面節(jié)能減排評(píng)價(jià)提供科學(xué)指導(dǎo)，彌補(bǔ)我國(guó)節(jié)能減排量化評(píng)價(jià)方法的空白，具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氫氟酸、聚丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)樣品所用試劑除注明外均為分析純;去離子水。

UV-2450 型紫外-可見分光光度計(jì);DELTA320數(shù)字酸度計(jì);BS224S 電子天平;CS101-AB 電熱鼓風(fēng)干燥箱;TGL20M 臺(tái)式高速冷凍離心機(jī);ICP-AES 原子吸收分光光度計(jì)。

1.2 路面材料固有污染物檢測(cè)

1.2.1 混凝土中重金屬離子測(cè)定 稱取1.0 g 粉末狀混凝土(125 μm 以下)，置于聚四氟乙烯瓶中，加入40 mL 王水和氫氟酸，將其置于燒杯中，在電熱板上加熱，溫度保持在130 ～150 ℃，蒸發(fā)至近干。用去離子水沖洗燒杯壁，再次加熱蒸發(fā)至近干。移下，冷卻至室溫。加入1 mL 濃硝酸和20 mL 去離子水，在預(yù)熱至90 ～100 ℃的控溫電爐上持續(xù)加熱，直至樣品全部溶解。冷卻至室溫后，轉(zhuǎn)移至100 mL 容量瓶中進(jìn)行定容。用中速濾紙過濾，取樣，用ICPMS 測(cè)定重金屬的濃度(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)，并計(jì)算混凝土中重金屬離子的總量。

1.2.2 瀝青化學(xué)成分檢測(cè) 按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0618《瀝青化學(xué)組分試驗(yàn)(四組分法)》進(jìn)行。

1.3 通車路面污染物檢測(cè)

1.3.1 水泥混凝土路面 選擇pH =4 的硝酸溶液，粒徑＜125 μm 的混凝土樣品，以液固比100∶1的比例混合，在20 ℃水浴條件下連續(xù)攪拌6 h，室溫靜置20 min，用中速濾紙過濾，取樣，最后用ICP-MS測(cè)定重金屬濃度(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)，并計(jì)算混凝土中重金屬離子的有效浸出量。

1.3.2 瀝青路面 按EPA Method-1311 中實(shí)驗(yàn)方法，將140 g 樣品碾碎至粒徑＜19.1 mm。用去離子水以不同的流速不停沖刷樣品，再用2.5 L 棕色玻璃瓶密封取水樣，并置于震蕩機(jī)中24 h，使溶液充分混合，萃取出所需檢測(cè)樣品，用漏斗和濾膜過濾，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測(cè)重金屬含量。

1.4 徑流污染物檢測(cè)

在長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行路面徑流實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)期間沒有降雨，于是采用人工噴灑的方式模擬降水徑流過程。分別在水泥混凝土路面和瀝青路面上噴灑蒸餾水，待形成路面徑流后，用塑料瓶收集樣品。之后，在同等條件下用自來(lái)水噴灑，并采集樣品。用重鉻酸鉀法測(cè)定樣品中的COD，并測(cè)電導(dǎo)率和pH 值。

各污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 污染指標(biāo)參照標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Reference standard of the pollution index

2 結(jié)果與討論

2.1 路面材料固有污染物

2.1.1 水泥混泥土固有污染物測(cè)定 水泥混凝土路面材料中的各種污染因子Pb、Cd、Cr、Hg 和Zn 等測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 水泥混凝土不同組分重金屬測(cè)定結(jié)果Table 2 Heavy metal determination results in cement concrete

由表2 可知，在混凝土材料組分中，除鋅之外，其他幾種金屬元素均低于固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GB 30485—2013)和危險(xiǎn)廢物填埋標(biāo)準(zhǔn)(GB 18598—2001)的限制，鋅的超標(biāo)率為0. 45%，鉛、鎘、鉻、銅、鎳等的含量均未超標(biāo)，其中以汞的含量最低(其值為0.2 mg/kg)，即混凝土中的固有污染物重金屬含量基本都在國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在的影響。

2.1.2 瀝青固有污染物測(cè)定分析 由于瀝青中本身不含重金屬，但當(dāng)其用于路面鋪筑的石油瀝青時(shí)，由于其他成分的混入，導(dǎo)致石油瀝青材料中含有一定量的重金屬成分。所以測(cè)定分為2 個(gè)部分，分別為瀝青原料的測(cè)定和石油瀝青材料的測(cè)定，結(jié)果見表3、表4。

表3 瀝青原料測(cè)定結(jié)果Table 3 Determination results of asphalt material

表4 石油瀝青材料中金屬含量的測(cè)定結(jié)果Table 4 Determination results of metal content in asphalt material

由表3 可知，瀝青原料本身是不含有重金屬。其主要含有瀝青質(zhì)、飽和分、膠質(zhì)、芳香分等。由表4 可知，用于筑路材料的石油瀝青含有多種金屬元素，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的3 種樣品中各重金屬元素均未超過固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GB 30485—2013)。即石油瀝青材料不會(huì)對(duì)環(huán)境造成潛在的影響和危害。但是，重金屬還存在一定程度的累積效應(yīng)，這類材料的運(yùn)輸和使用應(yīng)該予以重視。

2.2 通車路面污染物研究

2.2.1 水泥混凝土路面污染物測(cè)定 水泥路面材料測(cè)定結(jié)果見表5。

表5 水泥混凝土路面中重金屬的測(cè)定結(jié)果Table 5 Determination results of heavy metalsin cement concrete pavement

由表5 可知，水泥混凝土中的6 種重金屬元素的浸出量均小于國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的限值。大體上，在混凝土中隨著重金屬總含量的增加，各離子的有效量也略有增加，但是部分金屬的有效量相差不大，說明混凝土中重金屬元素有效量與重金屬總含量無(wú)必然聯(lián)系。此外，各金屬離子有效浸出量與粒徑也沒有呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。

2.2.2 瀝青路面污染物測(cè)定 瀝青路面材料的pH、Cl－、SO42－、TOC 及幾種重金屬元素和有機(jī)烴類毒性污染物等測(cè)定結(jié)果見表6。

表6 瀝青路面浸出污染物測(cè)定結(jié)果Table 6 Determination results of leaching contaminants in asphalt pavement

由表6 可知，瀝青路面中金屬元素除Hg 外其他均未檢測(cè)出來(lái)，其中樣品2 和樣品3 Hg 含量分別為0.2，0.3 mg/kg，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。瀝青路面浸出物中氯化物、硫化物及烴類均未檢出，瀝青結(jié)構(gòu)以瀝青質(zhì)為核心，吸附部分樹脂和油分構(gòu)成膠團(tuán)。本身理化性質(zhì)在正常條件下對(duì)周邊環(huán)境造成的影響較小。因此，瀝青路面浸出物對(duì)環(huán)境的影響是非常微小的。

2.3 不同材料路面徑流的環(huán)境影響研究

由表7 可知，當(dāng)采用蒸餾水進(jìn)行噴灑時(shí)，在瀝青路面上和水泥混凝土路面上收集的樣品，其pH 值都要高于原蒸餾水的pH 值，而當(dāng)采用自來(lái)水進(jìn)行道路噴灑時(shí)，樣品的pH 值都要低于原自來(lái)水的pH值。在同等條件下，水泥混凝土路面上收集的樣品pH 值要低于瀝青路面上收集的樣品pH 值。這可能是由于自來(lái)水中含有對(duì)pH 值增加有貢獻(xiàn)的離子要比路面中的離子含量高。對(duì)于電導(dǎo)率和COD，無(wú)論是蒸餾水還是自來(lái)水模擬實(shí)驗(yàn)，瀝青路面和水泥混凝土路面樣品的值均高于本底值，但均未超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，即不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。而同等條件下，水泥混凝土路面的樣品值均低于瀝青路面的樣品值。

表7 樣品測(cè)試結(jié)果Table 7 Sample test results

3 結(jié)論

(1)對(duì)于固有污染物，水泥混凝土材料所包含的重金屬元素?zé)o論從種類和含量上都要多于瀝青材料，而瀝青材料富含更多的有機(jī)物，在天然條件下，二者都不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

(2)水泥混凝土路面溶出的重金屬元素要多于瀝青路面，但各元素的溶出量都很小，均在國(guó)家各類標(biāo)準(zhǔn)的限值以下，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。

(3)在路面徑流模擬實(shí)驗(yàn)中，水泥混凝土路面徑流樣品的電導(dǎo)率、COD 值均低于瀝青路面，水泥混凝土路面徑流對(duì)周邊環(huán)境造成的影響相對(duì)瀝青路面而言要小很多。

［1］ 高慧. 基于應(yīng)變的半剛性基層路面極限承載力分析［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2013.

［2］ 張文.瀝青路面極限承載力與使用壽命預(yù)估研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2013.

［3］ 陳晉華.瀝青路面極限承載力與壽命評(píng)估［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2010(4):93-95.

［5］ 李源淵，張亞鵬，孫建勇，等. 瀝青路面材料參數(shù)對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響研究［J］. 中外公路，2012，32(6):103-107.

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