改革開放以來，我國公路建設取得了巨大成就，公路建設理念也發生了深刻變化，已經從暢通、耐久、安全、舒適、節約等基本要求，逐漸注重公路在全壽命週期內對生態環境的低衝擊和低影響。在此背景下，公路瀝青的生態環保問題引起了道路和環境工作者的共同關注。研究表明，瀝青這種複雜有機物，不僅在高溫施工時會釋放出瀝青煙汙染大氣環境，而且在路面使用階段的雨水沖刷下，瀝青中的一些成分會浸出，引起路表徑流的水汙染。相比於瀝青煙的汙染，瀝青水汙染具有汙染時間更長、範圍更廣等危害特點。但是，與瀝青煙在產生機理、釋放規律和抑制方法等方面取得的進展相比，瀝青水汙染尚未引起道路工作者足夠的重視，也未取得顯著成果。因此，路面瀝青作為水環境的汙染源，道路工作者必須高度重視並著手研究瀝青的水汙染問題。
本文在查閱瀝青水汙染現有研究成果的基礎上，在野外汙染物測試方面，通過比較屋面和路面徑流中汙染物類型，明確了公路路面瀝青引起的汙染物種類；在室內試驗方面，歸納了瀝青室內浸出試驗的方法，瀝青浸出引起的汙染程度和影響因素；在數值模擬方面，介紹了分子動力學在瀝青分子聚集和擴散分析中的進展。
屋面和路表徑流中汙染物的種類及來源
屋面徑流汙染
在不同屋面材料徑流汙染比較方面：研究人員分析了同一區域內瀝青防水屋面、瓦屋面和水泥混凝土屋面在多場降雨過程中徑流汙染物種類和濃度。研究發現：瀝青屋面徑流中多環芳烴汙染最嚴重，其平均濃度是瓦屋面的12倍；重金屬Cu、Cd的濃度大小順序為瀝青屋面>瓦屋面>水泥屋面，Zn、Pb的濃度的大小排序為瓦屋面>瀝青屋面>水泥屋面，懸浮物和總磷濃度排序為瓦屋面>瀝青屋面>水泥屋面，化學需氧量和總氮排序為瀝青屋面>水泥屋面>瓦屋面；在汙染物濃度方面，研究人員統計分析了國內7座城市3種屋面共28項研究成果，發現我國城市屋面雨水徑流水質COD、總懸浮物含量、TN、TP及氨氮含量中除TP外均不滿足地表水V類水質標準，水質汙染嚴重。從總體上看，水泥屋面最好，瓦屋面其次，瀝青屋面最差。
由上可知，降雨條件下瀝青中有害成分確實會浸出，在各種屋面材料中，瀝青屋面產生的徑流汙染最嚴重。
路表徑流汙染
在路表徑流汙染物種類方面：與瀝青屋面相比，儘管道路使用的瀝青種類有所不同，但路表瀝青所受條件更為嚴苛，其路表徑流汙染更為嚴重。目前，研究人員測得的各條道路徑流汙染物種類並不完全相同，但是主要汙染成分或指標為COD、SS、PAHs、重金屬、N/P營養物、氯化物、油和脂等。
在汙染物濃度方面：路表徑流汙染物濃度普遍高於屋面徑流，且比地表水水質標準的限值高出數倍。
在路表徑流的汙染物來源方面，普遍認為SS是路表徑流最主要的汙染物，其主要來源是輪胎磨損顆粒、築路材料磨損顆粒、運輸物品的洩露、剎車連接裝置產生的顆粒，以及其他與車輛運行有關的顆粒物、大氣降塵及除冰劑等。重金屬有Pb、Zn、Pt、Cr、Cu、Ni等，但以Pb和Zn為主，Pb主要來自汽車尾氣的排放，Zn主要來自輪胎的磨耗和剎車連動裝置的腐蝕。氯化物主要來自除冰劑和農藥的使用。油和脂主要來自燃料或潤滑油的洩漏。毒性有機物中汽油輕烴主要來自汽車潤滑油的洩漏。毒性有機物中PAHs主要來自瀝青路面或者被輪胎磨耗出的瀝青顆粒。
由上所述，路表徑流中汙染物的種類及其來源已經基本明確，其中大部分有機固體、PAHs和酚均由路面瀝青浸出產生。
瀝青成分浸出的室內試驗研究
瀝青浸出試驗方法
為了模擬瀝青中成分的浸出過程，一些學者通過室內的浸出試驗，測試水與瀝青接觸後水質的變化，分析瀝青成分的浸出特性。目前，瀝青浸出試驗主要分靜態浸出和動態浸出兩大類。靜態浸出主要是採用蒸餾水、去離子水、飲用水等浸泡瀝青樣品，並在一定浸泡時間後測試水質。與靜態浸出不同的是，動態浸出試驗採用水循環、水攪動的方式增加水樣與瀝青的接觸，提高瀝青中成分的浸出效率。靜態和動態浸出試驗中，各個研究者採用的浸泡時間、水樣與瀝青的質量比例、水樣ｐＨ值和瀝青樣品形態等不盡相同。
考慮到上述浸出試驗主要以瀝青為對象，而路面瀝青是以薄膜形式裹覆礦料形成瀝青混凝土，並以混凝土整體接受雨水浸泡的，為此開展了瀝青混凝土的浸出試驗。但試驗結果發現未被瀝青裹覆的礦料也會對水質產生影響，干擾了瀝青對水質汙染的判斷和分析。
由上可知，已有瀝青浸出試驗方法只是簡單實現了瀝青與水的接觸，並不能模擬輪胎產生的動水壓力沖刷裹覆在礦料表面瀝青膜的路表實際情況，且浸出試驗時各個研究者採用的瀝青樣品尺寸、液固比、浸出時間等也不盡相同，適合於道路瀝青的浸出試驗方法還不完備。
瀝青浸出液汙染程度
瀝青浸出試驗後，許多研究人員對浸泡瀝青之後的水樣進行了水質分析。儘管各個研究者在浸出試驗中採用的瀝青種類、液固比和浸泡時間等不同，但總體趨勢基本一致，即浸泡瀝青後，水質均出現了不同程度的汙染，表現為水質的鹼性增大，水的需氧量和總硬度提高，水中含氧化合物和含氮化合物增多，多環芳烴類增大，個別瀝青浸出液甚至出現了高致癌的苯酚。
由上可知，瀝青對水具有明顯的汙染，但由於缺乏適合道路瀝青的統一浸出試驗方法，尤其是現有浸出試驗方法沒有考慮車輪引起動水壓力對瀝青膜的劇烈沖刷作用，這可能導致現有研究低估了路面瀝青的水汙染程度。不僅如此，目前只進行了瀝青對水質汙染的測試與分析，而針對遇水前後瀝青組分和技術性能的變化特性卻沒有開展研究。
瀝青浸出影響因素分析
以浸出試驗為基礎，各國學者分析了瀝青的油源、液固比、水pH值、水中Cl-含量等因素對瀝青成分浸出的影響。結果發現，不同油源瀝青浸出液中多環芳烴的濃度差異很大；液固比為18:1時瀝青的浸出效率最高；高溫、弱酸有利於瀝青中組分的浸出；NaCl加大了瀝青與水的接觸面積，可促使瀝青中成分浸出。
由上可知，在研究瀝青組分浸出的影響因素時，主要考慮了一些常規的因素，對瀝青膜厚度、瀝青老化程度、瀝青各組分含量比例等因素都沒有系統研究。
瀝青分子聚集和擴散行為的數值模擬研究
對於瀝青這種複雜有機體系，除了關注宏觀性能之外，一些學者注重從微觀層次分析瀝青分子的聚集和擴散行為。其中，分子動力學模擬已成為研究瀝青分子結構、瀝青－集料界面作用的重要方法。
在研究瀝青聚集行為方面，目前已採用分子動力學，開展了瀝青質分子結構構建和瀝青質分子間聚集狀態特徵的研究，成功獲得了聚集狀態受自身結構、溫度和組分影響的變化特徵；採用分子動力學對3種不同單體接枝前後ＳＢＳ與瀝青相容變化進行了分析，得到了與試驗一致的結論。
在瀝青－集料界面方面，目前已經建立了瀝青－集料界面的分子結構模型，並用於界面破壞的預估；建立瀝青砂漿界面模型，分析瀝青砂漿界面上瀝青的擴散、遷移及結構變化情況，並通過界面能計算，成功解釋了溫度變化對瀝青砂漿黏結失效的影響；為了考察不同溶劑環境中瀝青質分子在岩石表面的吸附情況，採用分子動力學研究了正庚烷、甲苯和吡啶3種溶劑中瀝青質分子在羥基化石英錶面的吸附機理；利用分子模擬軟件構建水/乳化劑/瀝青體系，通過分子動力學模擬對乳化瀝青的乳化和穩定機制進行研究，並結合試驗證明了分子模擬技術表徵乳化瀝青乳化和穩定機制的有效性。
由上可知，分子動力學在分析瀝青聚集和瀝青－集料界面擴散方面顯示出很大優勢，但目前的研究主要集中在瀝青自身集聚狀態、瀝青與改性劑相容性、瀝青與集料界面的黏結和破壞狀態等方面，針對瀝青－水界面內瀝青分子遷移或擴散的研究卻非常少。
綜上所述，路面瀝青對水環境具有毋庸置疑的汙染；儘管開展了一些簡單的瀝青浸出試驗，但由於沒有考慮動水壓力的沖刷作用，且缺乏統一的路面瀝青浸出試驗方法，導致瀝青引起的水汙染程度還不明確；瀝青浸出前後，其組分、技術性能和官能團的變化特徵尚未可知；雖然分子動力學在分析瀝青分子結構、瀝青－集料界面黏結和破壞方面取得了一些進展，但針對瀝青－水界面，尤其是瀝青分子向水中遷移規律的研究還非常少；由於在試驗技術方法和理論計算方面的不足，導致目前很難提出預防或控制瀝青有害成分浸出汙染的方法。
思考與分析
目前，圍繞著瀝青對水環境的影響主要開展了3個方面的初步研究。（1）通過對比分析不同屋面材料對徑流的影響，證明了瀝青有害成分浸出的事實；分析路表徑流中汙染物的種類，基本明確了來自於道路瀝青的汙染物種類。（2）採用簡單的瀝青浸出試驗，分析與瀝青接觸後水質的變化及影響因素。（3）採用分子動力學分析瀝青分子結構的聚集狀態。但是，目前的浸出試驗裝置和方法沒有考慮路面瀝青實際狀態和服役條件，數值模擬技術也沒有針對瀝青－水界面開展研究，導致在路面瀝青水汙染方面存在許多亟待解決的問題，主要包括：
(1)從水質的角度來看，有：如何研發動水沖刷試驗儀，以模擬動水對路面瀝青膜的實際沖刷作用？動水沖刷瀝青後，水質出現何種變化？(2)從瀝青的角度來看，有：動水沖刷時瀝青薄膜何種成分或何種組分容易浸出？動水沖刷後，瀝青組分、官能團和路用技術性質發生了何種變化？(3)從瀝青－水界面角度來看，有：如何採用分子動力學分析瀝青－水界面中瀝青有害成分的浸出規律？(４)從防治瀝青水汙染的角度來看，有：如何預防道路瀝青中有害成分的浸出？瀝青引起水汙染後，採用何種方法加以緩解？
結語
本文通過查閱和總結路面瀝青水汙染的現有研究成果，在路面瀝青引起的水汙染物種類、模擬路面瀝青水汙染的室內浸出試驗和基於分子動力學的瀝青擴散行為等3個方面進行了分析與思考，初步提出了今後路面瀝青水汙染研究的方向。
閱讀更多 公路養護技術 的文章
