一种模拟雨水环境的道路材料有害组分浸出装置及其浸出方法

技术领域

本发明属于道路工程材料和雨水污染防治技术领域，具体涉及一种模拟雨水环境的道路材料有害组分浸出装置及其浸出方法。

背景技术

截至2019年，全国公路总里程达到501.25万公里，比上年增加16.60万公里。道路建设支撑着交通运输行业的飞速发展，同时也带来了巨量的天然砂石集料资源消耗。随着人们生态环保意识的不断增强，绿色发展成为各行各业的必然选择。近年来，天然砂石集料开始逐步限采、禁采，积极利用尾矿炉渣、建筑垃圾等固体废弃物替代天然集料成为道路工程行业绿色化转型的主要途径之一。然而，尾矿炉渣、建筑垃圾等固体废弃物作为道路材料的再利用是否真正绿色环保还存在疑点。尾矿炉渣如钢渣、铜渣等，可能含有多种重金属元素，而建筑垃圾如路面回收的废弃沥青混合料等，可能含有服役过程中长年累月积累的各类有害物质。近年来，我国酸雨发生的频率逐渐升高，在道路服役期间，这些有害物质在酸雨环境中的浸出行为值得关注和研究。

现已有环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)和《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》(HJ/T 300-2007)用于固体废物及其再利用产物、有机物和无机物的浸出毒性鉴别。其中《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》是以醋酸缓冲溶液为浸提剂，模拟工业废物中的有害组分在填埋场渗滤液的影响下，从废物中浸出的过程，与本发明适用环境不同。

《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》是以硝酸/硫酸混合溶液为浸提剂，模拟废物在无害化处理后再利用时，其中的有害组分在酸性降雨的影响下，从废物中浸出的过程。其主要流程是将浸提剂与待测样品按一定质量比(20:1或10:1)混合，在一定温度下持续震荡18±2小时。但此方法在用于道路材料的浸出过程研究时存在以下不足：

(1)不同地区的降雨量和酸雨成分不同，可分为硝酸型酸雨和硫酸型酸雨，对不同地区固废进行研究时不应一概而论；

(2)对于道路材料，其服役期可长达数十年，服役期间降水总量与道路材料本身的质量比远高于20:1，并且由于固废的成分复杂，不同成分的浸出存在一定先后顺序，可能某种有害成分在大部分时间无浸出风险，仅在某一时间段内浸出较为集中，造成了环境危害，而用高液固比一次性完成浸提过程则可能掩盖这一现象；

(3)对道路材料的浸出过程进行研究，需要涉及到沥青混凝土或水泥混凝土的浸出行为。与松散的固体废物颗粒不同，混凝土是经过压实过程制备而成的具有一定骨架结构的试块，质量一般不低于1kg，不满足《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》中对试样质量50-100g的要求；

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模拟雨水环境的道路材料有害组分浸出装置及其浸出方法，以分析道路材料服役期间在雨水冲刷和浸泡下的浸出过程，适用于实验室制备的各种类型的道路材料试样以及路面现场采集的芯样，并可以灵活调整实验参数模拟不同类型道路材料在特定降雨环境下的浸出行为，可用于分析用固体废弃物制备的道路材料有害组分在路面服役期间的浸出行为与潜在危害性，为实际工程应用提供指导，具有适应性强和操作简便等特点。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种模拟雨水环境的道路材料有害组分浸出装置，包括储液容器、水泵、浸出容器和收集容器，其中：

所述浸出容器为圆柱形容器，内径为10.5-11.5cm，高度至少为7cm；所述浸出容器的侧面底部设有进液口，与所述进液口所在侧面相对的侧面设有出液口；

所述储液容器、水泵、浸出容器和收集容器依次连接，所述水泵与所述浸出容器的进液口相连，所述浸出容器的出液口与所述收集容器相连。

按上述方案，所述储液容器用来存放配置好的浸提剂。

按上述方案，所述水泵流速可调节且稳定，其流速范围在0-100.0mL/min。

按上述方案，浸出容器中，所述出液口至少有一个，第一个出液口距离浸出容器底部的高度为6.5-7.5cm，相邻出液口的间隔距离为6.5-7.5cm。

按上述方案，所述储液容器容量为5-50L；所述收集容器容量为1-10L。

按上述方案，所述储液容器、水泵、浸出容器和收集容器通过胶管依次连接。

按上述方案，所述储液容器、浸出容器和收集容器均为带盖容器。

按上述方案，所述进液口和出液口均设有阀门。

提供一种采用上述浸出装置用于模拟雨水环境的道路材料有害组分的浸出方法，包括以下步骤：

1)制备道路材料的圆柱体试样，直径为9.5-10.5cm，置于浸出容器的底部；

2)根据当地气象局发布的雨水质量检测报告或实际收集雨水进行成分分析，按照其pH值与其中酸性物质含量比例，配制雨水模拟溶液作为浸提剂，将浸提剂倒入储液容器中；

3)设定水泵流速，打开浸出容器的进液口阀门和距离圆柱体试样上表面最近的出液口阀门，启动水泵，浸提剂将匀速持续地由储液容器通过进液口输往浸出容器，从下到上浸润圆柱体试样，再由浸出容器通过出液口输往收集容器；

4)定期从收集容器中取样以待分析其成分，通过对比不同实验条件和不同时间节点的浸出浓度可分析道路材料在不同环境下的浸出规律，将结果与相关国家标准进行对比分析其潜在环境危害性。

按上述方案，所述步骤1)中，制备道路材料的圆柱体试样，具体方法为：

对于沥青混凝土，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)要求制备圆柱体马歇尔试样；对于水泥混凝土或其他类型的道路材料，用钻芯机从板块状试件上取样得到圆柱体试样；对于正在服役的路面材料，直接用钻芯机在路面上取得圆柱体试样。

圆柱体试样的直径建议为9.5-10.5cm，直径＞11cm的试样无法放入容器内。对于直径较小的圆柱体试样或其它形状的试样，虽可以进行实验，但由于尺寸与试验装置差距较大，将导致浸提效果不佳。将制备好的试样放置在浸出容器底部，可根据实验内容决定放入的试样数量。

按上述方案，所述步骤1)中，圆柱体试样至少为一个。

按上述方案，浸出过程中，对储液容器中浸提剂的pH值进行监控，定期补充或更换新的浸提剂以保证浸提剂成分稳定。雨水中的酸性物质一般为硝酸和硫酸，考虑到硝酸具有易挥发性，且实验流程较长所需浸提剂容量较大，应定期补充或更换新的浸提剂以保证浸提剂成分稳定。

按上述方案，所述步骤3)中，水泵流速为1-20mL/min。根据实验内容选择合适的水泵流速，流速越慢浸提效果越充分，但实验时间越长。综合考虑浸提效果和实验效率，流速建议选择范围在1-20mL/min，具体数值可根据当地的年均降水量和实验所需模拟的浸出时长来计算。

按上述方案，所述步骤4)中，根据不同用途灵活选择浸出时长和浸提剂收集间隔时间。

按上述方案，所述步骤4)中，通过原子吸收光谱仪、等离子发射光谱仪或离子色谱仪对对收集容器中浸提剂的不同成分的含量进行测定：优选地，待检测成分包括Mn、V、As、Pb、Cu、Cd。

本发明提供一种道路材料模拟雨水环境的浸出装置及其浸出方法，贴合现实道路在雨水冲刷和浸泡下的浸出过程，一方面通过调整水泵流程，控制浸提剂均匀自然的浸润路面试样，还可以根据不同地区的雨水成分和降雨量灵活调整浸提剂的成分和流速，使浸出效果进一步贴近现实情况。另一方面，本发明中浸提剂的流向是从下到上的，浸提剂通过浸出容器侧面底部的进液口输往浸出容器中，从底部往上对试样进行浸润。试样与实际路面最大的区别在于上表面积，实际路面覆盖面积广，降雨也是均匀的，可以理解为大部分路面受到雨水的浸润是均匀的，而实验样品面积小，如果让浸提剂从上而下输入，很可能大部分雨水沿样品的侧壁流下，没有达成有效的浸提。让浸提剂自下而上渗过样品，可以保证样品一直保持均匀浸润状态，保证了浸提效果，同时有利于浸提剂的均匀流动，并将浸出组分及时的从出液口带离浸出容器。另外也不必担心水流方向相反会导致与浸提效果与真实情况相差较大，因为在水溶液中，离子间的静电力强度远大于离子受到的重力，即水流方向变化引起离子行为的变化是可以忽略不计的。

此外，本发明中将浸出容器、储水容器和收集容器分开，节省了实验空间，也保证了浸提效果。研究道路材料的服役行为动辄需要考虑数十年的周期。对于降雨量大的地区，数十年间积累的降水量可达到道路材料质量的100倍以上。而道路材料由于具有一定的骨架结构，对其进行研究的样品质量通常在1kg以上。那么按常规方法就需要准备100L的容器来进行浸出实验，即使准备了足够大的容器，也难以保证那么大量的浸提剂与样品充分接触。而本方法使缓慢的水流渗过样品，流出到收集容器的浸提剂可以在取样后弃去，只需在储液容器中定期补充浸提剂，节省了大量的实验空间，也可以保证所有的浸提剂都与样品发生过充分接触。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的浸出装置包括储液容器、水泵、浸出容器和收集容器，其中浸出容器侧面底部设置进液口，可使浸提剂自下而上渗过样品，样品一直保持均匀浸润状态，保证了浸提效果；通过调整水泵流程，可控制浸提剂均匀自然的浸润路面试样，此外还可以根据不同地区的雨水成分和降雨量灵活调整浸提剂的成分和流速，使浸出效果进一步贴近现实情况；本发明装置简单，节省了实验空间，降低了成本，更加贴合现实道路在雨水冲刷和浸泡下的浸出过程，且适用于实验室制备的各种类型的道路材料试样以及路面现场采集的芯样，适用性强，可用于分析用固体废弃物制备的道路材料有害组分在路面服役期间的浸出行为与潜在危害性，为实际工程应用提供指导。

2.本发明通过对路面材料样品进行均匀缓慢的浸润，不会对样品的结构造成冲击，可适用于具有一定骨架结构和孔隙的道路材料，还可以用来研究材料结构和浸出效果的关系，用于模拟不同类型的道路材料或道路材料在服役的不同阶段因路面病害发生了结构变化时引起的浸出性能变化。

3.本发明浸出容器壁上设计了不同高度的出液口，目的是适应不同高度的样品，可以更真实地模拟不同的路面情况。

4.由于浸提剂存放在储液容器中并且可以定期更新，理论上实验周期可以无限延长，可对试验过程灵活设计；浸出过程可以灵活的暂停，或者调整浸出条件，甚至对样品进行一些其他处理再继续浸出实验，观察处理前后浸出性能的变化，无需重新重复整个浸出过程。

附图说明

图1为本发明实施例中模拟雨水环境的道路材料浸出试验装置示意图；图中标号：1-储液容器，2-胶管，3-水泵，4-浸出容器，5-收集容器，6-试样，7-进液口，8-出液口。

图2为本发明实施例中V和As浸出浓度随时间变化的规律。

具体实施方式

本发明提供了一种模拟雨水环境的道路材料有害组分浸出方法。为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

如图1所述，本发明实施例提供一种模拟雨水环境的道路材料有害组分浸出装置，包括储液容器1、水泵3、浸出容器4和收集容器5，其中：

所述浸出容器4为圆柱形容器，内径为10.5-11.5cm，高度至少为7cm，侧面底部设有进液口7，与所述进液口7所在侧面相对的侧面设有出液口8；

所述储液容器1、水泵3、浸出容器4和收集容器5依次连接，所述水泵3与所述浸出容器4的进液口7相连，所述浸出容器4的出液口8与所述收集容器5相连。

其中一个实施例中，所述储液容器1用来存放配置好的浸提剂。

其中一个实施例中，所述水泵3流速可调节且稳定，其流速范围在0-100.0mL/min。

其中一个实施例中，浸出容器4中，所述出液口8至少有一个，第一个出液口与浸出容器底部的距离为6.5-7.5cm，相邻出液口的间隔距离为6.5-7.5cm。

其中一个实施例中，所述储液容器1容量为5-50L；所述收集容器5容量为1-10L。

其中一个实施例中，所述储液容器1、水泵3、浸出容器4和收集容器5通过胶管2依次连接。

其中一个实施例中，所述储液容器1、浸出容器4和收集容器5均为带盖容器。

其中一个实施例中，所述进液口7和出液口8均设有阀门。

本发明实施例提供一种采用上述浸出装置用于模拟雨水环境的道路材料有害组分的浸出方法，包括以下步骤：

1)制备道路材料的圆柱体试样6，直径为9.5-10.5cm，置于浸出容器4的底部；

2)根据当地气象局发布的雨水质量检测报告或实际收集雨水进行成分分析，按照其pH值与其中酸性物质含量比例，配制雨水模拟溶液作为浸提剂，将浸提剂倒入储液容器1中；

3)设定水泵3流速后，打开浸出容器4的进液口阀门和距离圆柱体试样上表面最近的出液口阀门，启动水泵，浸提剂将匀速持续地由储液容器1通过进液口7输往浸出容器4，从下往上浸润圆柱体试样6，再由浸出容器4通过出液口8输往收集容器5；

4)定期从收集容器5中取样以待分析其成分，通过对比不同实验条件和不同时间节点的浸出浓度可分析道路材料在不同环境下的浸出规律，将结果与相关国家标准进行对比分析其潜在环境危害性。

其中一个实施例中，所述步骤1)中，制备道路材料的圆柱体试样，具体方法为：

对于沥青混凝土，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)要求制备圆柱体马歇尔试样；对于水泥混凝土或其他类型的道路材料，用钻芯机从板块状试件上取样得到圆柱体试样；对于正在服役的路面材料，直接用钻芯机在路面上取得圆柱体试样。

其中一个实施例中，所述步骤1)中，圆柱体试样至少为一个。

其中一个实施例中，浸出过程中，对储液容器1中浸提剂的pH值进行监控，定期补充或更换新的浸提剂以保证浸提剂成分稳定。

其中一个实施例中，所述步骤3)中，水泵3流速为1-20mL/min。

其中一个实施例中，所述步骤4)中，根据不同用途灵活选择浸出时长和浸提剂收集间隔时间。

其中一个实施例中，所述步骤4)中，通过原子吸收光谱仪、等离子发射光谱仪或离子色谱仪对收集容器5中浸提剂的不同成分的含量进行测定，其中待检测成分包括Mn、V、As、Pb、Cu、Cd。

实施例：

以钢渣沥青混凝土为例，研究其在湖北省武汉市服役过程中在雨水环境下的浸出规律：

(1)准备实验装置：准备10L水箱作为储液容器1，准备5L带盖量杯作为收集容器5，准备内径11cm、高25cm且每隔7cm装有出液口8的圆柱形带盖玻璃容器作为浸出容器4，准备流速0-100.0mL/min的水泵3。按照图1用胶管2连接实验装置；

(2)制备钢渣沥青混凝土试样：以钢渣、钢渣粉、SBS改性沥青为原材料，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求制备圆柱体钢渣沥青混凝土试样。其体积参数如表1所示。

表1钢渣沥青混凝土试样的体积参数

将制备好的一块钢渣沥青混凝土试样放入浸出容器4底部，打开高度为7cm的出液口阀门，关闭其他出液口阀门，打开底部进液口阀门；

(3)配制浸提剂：以硫酸和硝酸质量比为1：1，与一定量去离子水混合，配制pH＝4.5的雨水模拟溶液作为浸提剂。将配制好的浸提剂装入10L的储液容器1中，在实验过程中每隔24h清洗储液容器1并更换浸提剂，以保证实验中所用浸提剂成分稳定；

(4)设定水泵3流速：根据湖北省武汉市年平均降水量约1200mm和20cm厚沥青路面单位面积上沥青混凝土的用量约600kg/m

(5)收集浸提剂：每隔6h将收集容器5中的浸提剂搅拌均匀，用胶头滴管取少量浸提剂样品通过等离子发射光谱仪对其进行成分分析。同时将收集容器清洗干净，进行下一轮浸提剂收集。为模拟道路材料服役阶段10年内的浸出过程，实验需进行120h，收集浸提剂样品10次；

(6)实验结果分析：对实验数据进行整理，得到了钢渣沥青混凝土在模拟雨水环境中浸出不同年份后各种元素的浸出浓度，如表2所示。

表2钢渣沥青混凝土在模拟雨水环境中浸出不同年份后各元素的浸出浓度(单位：g/mL)

为分析检出的V和As浸出浓度随时间变化的规律并分析其潜在危害性，可将实验数据整理成折线图并与国家标准中的相关要求进行对比，如图2所示。可以看出随着浸出时间的延长，V和As的浸出浓度均呈下降趋势。其中As的浸出浓度降低幅度较大，但初期可超过《地表水环境质量标准》中对一类地表水中As的浓度限值，可以判定在服役初期钢渣沥青混凝土浸出As的潜在危害性较大，需要严格控制。V的浸出浓度降低幅度较小，但与《钒工业污染物排放标准》(GB 26452-2011)中对V的浓度限值相差较大，且《地表水环境质量标准》对其浓度未做限定，可以判定钢渣沥青混凝土在服役过程中浸出V的危害性较小。

本发明提供的道路材料模拟雨水环境浸出方法不局限于沥青混凝土，还适用于任何尺寸合适的不同类型道路材料试样。且各实验步骤中的参数(如浸提剂成分、流速等)取值都可以根据实际情况(如当地的酸雨成分、降水量等)进行调整，在此不一一列举。因此，本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范畴下所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。