Study on the Influence of Water Velocity on the Purification Effect of Ecological Permeable Concrete
董星海 DONG Xing-hai；徐铭 XU Ming；陈霁溪 CHEN Ji-xi；刘姝瑶 LIU Shu-yao；
王芸芸 WANG Yun-yun；袁娇玉 YUAN Jiao-yu
（扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127）
（College of Civil Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China）
摘要：生态透水混凝土作为一种新兴的大空隙路面铺装材料，现已广泛应用于道路径流污染物的净化工程，在其阻滞道路径流污染的实际情况中，水流速度对生态透水混凝土净化径流污水的效果也有着一定的影响，为探究这一问题，展开了深入的分析。以路面径流污染物平均单位时间过水量为基础指标，选取其一倍、二倍、三倍的污水水流速度来分别模拟试验，试件选用未掺加净化材料、10%陶粒掺量和20%硅藻土掺量的三组生态透水混凝土，通过试验及其结果分析，探究出水流速度对生态透水混凝土污染物去除率的影响规律，为生态透水混凝土的应用推广提供了参考意见。
Abstract: As an emerging large-void pavement material, eco-permeable concrete has been widely used in the purification of road runoff pollutants. In the actual situation of its blocking runoff pollution,the flow velocity has a certain influence on the effect of eco-permeable concrete purifying runoff sewage. And an in-depth analysis has been carried out to explore this issue. Taking the average unit time water flow of surface runoff pollutants as the basic index, the water flow velocity of one, two and three times of the sewage was selected to simulate the test respectively. The 0 purification addition, 10% ceramsite and 20% diatomite were selected as test pieces. After test and result analysis, the effects of water velocity on the removal rate of pollutants by ecological permeable concrete were explored, which provided a reference for the application and promotion of ecological permeable concrete.
关键词：路面径流污染；生态透水混凝土；净化材料；水流速度；阻滞效果
Key words: road surface runoff pollution；ecologically permeable concrete；purification material；water flow velocity；retardation effect
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0138-03
0 引言
道路径流污染指的是在传统密实型路面的使用过程中，累积了以各种途径降落在路面的污染物，包括尾气颗粒、空气尘土、橡胶以及石油类等，这些有毒有害物质被径流雨水携带着，随后排入水体或土壤中，最终造成环境被污染、破坏的现象。作为面源污染的典型代表，道路雨水径流污染程度比其他的下垫面更高，其中的污染物成分主要包括有机物质、氮、磷、重金属以及其他化合物等。
现阶段的城市点源污染基本已经得到了有效的控制，城市水质恶化治理的主要着力点已经转移到了面源污染的控制上[1]。国内外许多研究分析表明，汇水面可以带来一定程度上生态环境污染，其中的路面雨水径流污染最为严重，尤其是前期道路径流污染所带来的生态环境破坏情况，其破坏程度甚至已经高出了生活排放污水[2]。根据美国德克萨斯州路面水质调查结果分析得出：COD和石油类污染物分别超标达到3倍和4倍[3]；韩国大田市的路面雨水径流中固态悬浮物、化学需氧量、生化需氧量、总氮、总磷含量分别为536.1、467.7、142.7、16.5、13.5mg/L[4]；在挪威等国家的路面雨水径流水质监测分析结果表明：COD、固态悬浮物、总氮、总磷、重金属以及石油类的污染物浓度都已超出了《地表水环境质量标准》的要求[5]。Mayer等人对不同时期道路径流污水中的污染物进行了分析研究，结果表明，在生物毒性这一指标上，首次冲刷时期中的污染物生物毒性含量超标明显[6]。因此，生态透水混凝土被广泛应用于道路工程中，用于阻滞道路径流中的污染物。
在生态透水混凝土阻滞道路径流污染的实际情况中，水流速度对生态透水混凝土净化径流污水的效果也有着一定的影响。在实际情况中随着降雨量大小的变化影响，生态透水混凝土的污染物去除效果也有着不同，本文将就这一问题展开探究。
1 试验方法
1.1 生态透水混凝土试件的制作与测试
透水混凝土的配合比设计过程如下，具体结果见表1。
■
式中：WG—每立方米透水混凝土粗骨料用量，kg；
?琢—粗骨料用量修正系数，取0.98；
?籽G—粗骨料紧密堆积密度，kg/m3。
Vp=1-?琢·（1-vc）-Rvoid
式中：Vp—每立方米透水混凝土胶结料体积，m3；
vc—粗骨料紧密堆孔隙率，%；
Rvoid—设计空隙率，%/。
Wc=■·?籽c
式中：Wc—每立方米透水混凝土水泥用量，kg；
Rw/c—水灰比；
Vp—每立方米透水混凝土胶结料体积，m3；
?籽c—水泥密度，kg/m3。
Ww=Wc·Rw/c
式中：
Ww—每立方米透水混凝土用水量，kg；
Wc—每立方米透水混凝土水泥用量，kg；
Rw/c—水灰比。
Wa=Wc·a
式中：Wa—每立方米透水混凝土掺合料用量，kg；
Wc—每立方米透水混凝土水泥用量，kg；
a—掺合料掺量，%。
并选用陶粒和硅藻土作为净化材料，按比例分别替换原材料中的骨料和水泥，经过搅拌成型，形成生态透水混凝土试件。
搅拌工艺：为达到搅拌效果，采用双卧轴强制式搅拌机，采用二次投料法（骨料+50%水→搅拌30秒→水泥+掺合料→搅拌1分钟→减水剂+50%水→搅拌1分钟）。
成型工艺：采用插捣成型方式，分3层装料，每层装料后插捣30次，并保证间距、力度均匀一致，最后人工抹平表面。
养护工艺：试件常温下静置24h后拆模，放入标准养护室养护（温度20±2℃，相对湿度95%RH以上）。
空隙率测定：■
式中：V0—试体积，m3；
m1—试件浸水饱和状态下的质量，kg；
m2—试件正常状态下下的质量，kg；
在实际测试过程中，为防止陶粒内部空隙吸水造成空隙率测试数据的不准确，在操作过程中先将待测试的生态透水混凝土做浸水处理，将其处理至饱和面干状态，之后重新置于圆形试模中，称取得m2，加水至没过其上表面后得到m1，经计算得生态透水混凝土空隙率。
1.2 污染物去除率
表2总结了各污染物的净化方式，表3总结了各净化材料的污染物去除类型。
本文以污染物去除率表征生态透水混凝土试件对道路径流的阻滞效果，其计算方式见下公式：
?浊=■×100%
式中：
?浊—污染物去除率，%；
C0—污染物初始浓度，%；
C1—净化后污染物浓度，%。
1.3 水流速度控制
本试验采用的净化试验装置是全自动污水搅拌机，如图1。该装置可实现污水的搅拌与匀速排出，可储存配置污水约100L，适用于储存并搅拌污水进行净化试验，附带流量计可检测出水速度，最大出水速度可达165mL/s。
在对各组生态透水混凝土进行净化试验时，均采用同一污水水流速度进行模拟试验，水流速度v=55mL/s，本节试验将选取1倍、2倍、3倍的污水水流速度来分别模拟试验，即55mL/s、110mL/s、165mL/s，具体由电子流量计读出。在试件选择方面，选用了未掺加净化材料10%陶粒掺量和20%硅藻土掺量的三组试件进行试验。
2 试验结果
在不同水流速度下，得到生态透水混凝土对道路径流污染物的阻滞效果，见表4~表6。
现将生态透水混凝土试件的污染物去除率按污染物种类统计，见图2。
3 结论
对试验数据结果进行分析可以发现，在提高过水速度的过程中，各污染物去除率都呈现出下降的态势，尤其是污染物中氨氮的去除率下降尤为明显，对于无净化材料掺加的生态透水混凝土，其下降量可达95.1%。而总磷、总氮的去除率虽然也有下降，但总体下降幅度不大，最低仅有23.3%。这是因为，随着过水速度的提升，生态透水混凝土没有足够的时间吸附污水中的各污染物，而原本已被吸附在试件中的污染物在较大的水流速度冲刷下被裹挟带出试件，导致了生态透水混凝土试件的污染物去除率随着径流水流速度的提升而降低。
参考文献：
[1]William James. Current practices in modeling the management of storm-water impacts [M]. Boca Raton,Florida,U.S.A.:Lewis Publishers,CRC,1994.
[2]Sansalone, JJ, Buchberger, et al. Partitioning And First Flush Of Metals In Urban Roadway Storm Water[J],1997,123(2):134-143.
[3]Kayhanian, Masoud, Fruchtman, et al. Review Of Highway Runoff Characteristics: Comparative Analysis And Universal Implications[J],2012,46(20):6609-6624.
[4]Geonha Kim, Joonghyun, Jeongkon. Diffuse Pollution Loading From Urban Stormwater Runoff In Daejeon City, Korea[J],2007,85(1):9-16.
[5]Kurihara, Oshawa. Experimental study on the clogging of voids of porous concrete and porous asphalt [R].Shibaura Institute of Technology Campus Tokyo's:Technical Workshop 35th Kanto Branch Society of Civil Engineers,2008.
[6]Mayer, T.,Rochfort, et al.Environmental Characterization Of Surface Runoff From Three Highway Sites In Southern Ontario, Canada: 2. Toxicology[J],2011,46(2):121-136. |
