CN112250348B - 净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料及其制备与应用，沥青路面材料包括沥青、赤泥及级配集料，沥青与赤泥的体积比为1:(0.3‑0.4)，沥青与赤泥的质量之和与级配集料的质量比为(0.04‑0.06):1；制备时，先将沥青加热熔融，并分别将赤泥及级配集料加热干燥；再将沥青、赤泥及级配集料混合均匀并在模具中用击实仪击实，之后静置，即得到沥青路面材料试件；将沥青路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路雨水径流污染物进行净化。与现有技术相比，本发明沥青路面材料同时具有物理吸附拦截作用及化学净化作用，对于悬浮物污染物、重金属铁污染物、重金属铅污染物、生化类污染物、总氮污染物和总磷污染物的净化效果有显著提升。

Description

净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料及其制备与应用
技术领域
本发明属于透水路面水净化技术领域，涉及净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料及其制备与应用。
背景技术
由于工业排放、交通排放、融雪剂洒布、大气沉降等原因，城市地表聚集了大量污染物，在降雨或洒水车作业时，大部分污染物被水流携带形成地表径流，产生面源污染，进而对周边河流、土壤、地下水等造成威胁。多孔隙透水沥青路面由于其具有大量的孔隙结构，能够在水流通过时截留并吸附一定的污染物而表现出一定的净化效果，但是净化作用有限，难以满足道路径流污染物的净化要求。
发明内容
本发明的目的是提供净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料及其制备与应用，沥青路面材料为含有赤泥和级配集料的多孔隙沥青路面材料，具有高效水净化效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料，该沥青路面材料包括沥青、赤泥及级配集料，所述的沥青与赤泥的体积比为1:(0.3-0.4)，所述的沥青与赤泥的质量之和与级配集料的质量比为(0.04-0.06):1。其中，赤泥作为填料。
进一步地，所述的沥青为高黏沥青，该高黏沥青的黏度>20000Pa·s。在多孔隙沥青路面中采用高黏沥青，因为多孔隙沥青路面易于松散，需要高黏沥青提供较强的黏附性能。
进一步地，所述的赤泥的粒径为1-75μm，干容重为0.65-0.90g/cm3，比重为2.70-2.98g/cm3。赤泥优选为改性赤泥，改性赤泥是通过对于工业炼铝产生的赤泥饼状废弃物进行烘干、研磨、筛分制成，改性增强了其物理净化作用。赤泥是一种高含水量的炼铝废弃物，烘干(例如在100℃下)去除赤泥中的水分，颗粒不会因为含水而胶结，有利于将赤泥研磨成细小颗粒；通过将赤泥研磨成粒径为1-75μm的细小颗粒，并将大颗粒筛除，有利于其在高粘沥青中分散，且由于增加了比表面积因而提升了对径流水的净化效果。
进一步地，所述的赤泥中含有钠元素、钾元素、铁元素及铝元素。
进一步地，所述的级配集料中的集料为玄武岩。
进一步地，所述的级配集料中，集料的粒径分布为：0.075mm筛孔对应的集料通过率(即通过质量与总质量之比)为4-6％，0.15mm筛孔对应的集料通过率为6-7％，0.3mm筛孔对应的集料通过率为7.5-8.5％，0.6mm筛孔对应的集料通过率为10-11％，1.18mm筛孔对应的集料通过率为12-13％，2.36mm筛孔对应的集料通过率为14-15％，4.75mm筛孔对应的集料通过率为19-20％，9.5mm筛孔对应的集料通过率为73-75％，13.2mm筛孔对应的集料通过率为95-96％，16mm筛孔对应的集料通过率为100％。这种级配方式对污染物有显著物理截留作用。
净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将沥青加热熔融，并分别将赤泥及级配集料加热干燥；
2)将沥青、赤泥及级配集料混合均匀并在模具中用击实仪击实，之后静置，即得到所述的沥青路面材料试件。
进一步地，步骤1)中，加热熔融的温度为180-195℃，加热干燥的温度为175-185℃，加热干燥的时间为55-65min。
进一步地，步骤2)中，静置时间为20-30h。
净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料的应用，将所述的沥青路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路径流污染物进行净化。道路径流污染物包括悬浮物污染物(SS)、重金属铁(Fe)污染物、重金属铅(Pb)污染物、生化类污染物(COD，即Chemical OxygenDemand，化学需氧量)、总氮污染物(TN)和总磷污染物(TP)。
赤泥是炼铝所产生的大量工体废弃物，研究表明，赤泥粉末表面有丰富的孔隙结构，比表面积大，对部分有机物及重金属离子有显著的吸附与降解作用，将赤泥掺入多孔透水沥青路面与其水净化特性相结合，能够进一步发挥提高水净化性能。
因此，本发明提出一种含有赤泥的沥青混合料，其中的赤泥具有发达的孔隙结构，比表面积大，并与特定级配集料共同产生了滤网效应；含钠、钾、铁、铝元素较多，碱析出后能沉淀重金属离子，三价铁离子和三价铝离子与磷酸根离子的络合沉淀，单价钠离子和钾离子与氨根离子之间的离子交换同样净化了水中污染物。测试结果表明，本发明沥青路面材料对于总磷等其他径流污染物净化十分显著，与常规的石灰岩矿粉多孔沥青混合料相比，极大提高了对径流污染物的净化效果。
本发明中采用赤泥作为高黏沥青的填料，其原因是：1.赤泥的添加可以实现固体废弃物的资源化再利用，同时，赤泥沥青在多孔沥青路面中具有净化面源污染的作用；2.赤泥作为一种固体废弃物可以代替多孔隙沥青路面中的玄武岩矿粉，有助于处理工业废弃物。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明沥青路面材料具有物理吸附拦截作用。赤泥颗粒利用其发达孔隙结构和较大比表面积有吸附径流污染物的作用；玄武岩集料粒径级配，对于雨水中的污染物有显著的物理吸附截留作用，与赤泥沥青共同产生沉积物架桥滤网效应，吸附截留更多污染物。
2)本发明沥青路面材料还具有化学净化作用。赤泥在雨水的作用下析出氧化铝和氧化铁类碱性物质，能够有效沉淀径流污染物，三价铁离子和三价铝离子与磷酸根的络合沉淀，单价钠离子和钾离子与氨根离子的交换能够净化总磷、总氮以及铁、铝的污染，对于总磷有明显的去除效果。
3)相对于石灰岩矿粉沥青混合料，本发明沥青路面材料对于悬浮物污染物、重金属铁污染物、重金属铅污染物、生化类污染物、总氮污染物和总磷污染物的净化效果有显著提升。
附图说明
图1为本发明赤泥沥青混合料与常规石灰岩矿粉沥青混合料的污染物净化效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
赤泥亦称红泥，是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物，含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，因而得名。铝含量高的铝土矿采用拜耳法炼铝，所产生的赤泥称为拜尔法赤泥。本实施例所采用的赤泥即为拜耳法赤泥，赤泥颗粒细小且不均匀，粒度分布主要集中在1-75μm。赤泥具有较高的比表面积，内部具有丰富的毛细孔，因而赤泥吸湿性强，含水率高。赤泥干容重0.65-0.90g/cm3，比重2.70-2.98g/cm3。其来源及生产工艺见表1。改性赤泥是通过对于工业炼铝产生的赤泥饼状废弃物进行烘干、研磨和脱碱处理制成，其主要物理指标见表2。
表1赤泥的来源及生产工艺
Figure BDA0002784055850000041
本实施例中所用原料如下：
沥青：国产高黏沥青，目前在多孔隙沥青路面中应用广泛，技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的技术要求；
石灰岩矿粉：石灰岩磨细得到的粉末，技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的技术要求；
赤泥：中铝河南分公司采用拜耳法生产的赤泥，主要矿物组成为钙水化石榴石、钠硅渣、赤铁矿、金红石、锐钛矿、石英等，具体技术指标见表2。
集料：玄武岩集料，级配如表3所示，级配范围反映了所用集料的粒径大小及其所占比例。
表3玄武岩集料各粒径的通过率
Figure BDA0002784055850000042
按国产高黏沥青1体积份，赤泥0.33体积份，油石比5wt％制备沥青混合料，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行混合料制备，具体制备及应用步骤如下：
a)加热高黏沥青至185℃，由于所用沥青为高黏沥青，故在胶浆制备中需要保证较高温度，设定为185℃。
b)赤泥在180℃的烘箱中加热保温60±5min，保证填料干燥的同时与沥青的加热温度接近。
c)向搅拌锅将加入加热好的玄武岩集料并用小铲子均匀搅拌，加入沥青胶浆后搅拌90s，加入赤泥后再搅拌90s，将沥青混合料倒入马歇尔模具中(直径101.6mm)，并使用击实仪击实，放置24小时后取下模具。
d)将试件放入降雨模拟设备中，以200ml/min的速度通过降雨设备模拟降雨，均匀地洒布至试件上表面，并在试件底部收集过滤之后的水样，储存于采样瓶中，置于4℃条件保存，便于后面的水净化效果测试。
对本实施例制备的赤泥沥青混合料试件和常规石灰岩矿粉沥青混合料进行水净化效果试验，试验方法如表4所示。使用HACH-DR3900分光光度计设备对净化前后的雨水进行各项含量的测定，利用HACH-2100Q浊度计测量净化前后雨水的浊度与悬浮固体含量，利用前后测得的差值，除以原本雨水中的污染物浓度，计算得到污染物的净化率。
表4污染物指标的参考标准
Figure BDA0002784055850000051
由图1可以看出，石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料对悬浮物SS、重金属Fe、Pb和生化类污染物COD、TP、TN的净化率分别为：22.5％、17.6％、9.6％、12.9％、7.4％、10.5％。赤泥PA-13多孔透水沥青混合料对悬浮物SS、重金属Fe、Pb和生化类污染物COD、TP、TN的净化率分别为：56.8％、44.7％、36.6％、31.0％、50.8％、37.9％。其中PA是指多孔透水沥青混合料，13是指集料公称最大粒径为13mm。
对比可知，赤泥PA-13多孔透水沥青混合料相对于石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料对各项污染物的净化效果平均提高超过两倍。
其中，石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料对总磷几乎没有净化率，仅有7.40％，而赤泥PA-13多孔透水沥青混合料对总磷的净化率达到了50.80％，净化效果相对提高了586.49％，物理净化机理：依靠吸附在悬浮物表面，伴随悬浮物的吸附截留而被净化；化学净化机理：络合作用，生成磷酸铝盐和磷酸铁盐，并以沉淀的形式被净化，因此赤泥中的铁离子和铝离子可以提升多孔沥青混合料对总磷的净化率。
石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料对总氮净化率很低，仅有10.50％，赤泥PA-13多孔透水沥青混合料对总氮的净化率达到37.90％，净化效果相对提高了260.95％。总氮中的氨根离子与赤泥表面的钠离子、钾离子存在一定的离子交换，因此赤泥填料的钠离子、钾离子能提高对总氮的净化率。
石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料和赤泥PA-13多孔透水沥青混合料对悬浮物的净化效果均较明显，前者净化率达到22.50％，而后者提高到了56.80％，净化效果相对提高了约1.5倍。悬浮颗粒物的净化主要依靠多孔隙沥青混合料中混合料颗粒的比表面积以及孔隙率，进行物理吸附。
石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料对生化类污染物COD(化学需氧量)净化率很低，仅有12.90％，赤泥PA-13多孔透水沥青混合料对生化类污染物COD的净化率达到了31.00％，净化效果相对提高了140.31％。化学需氧量COD主要依靠悬浮物物理吸附和截留而被净化。
石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料对重金属铅净化率极低，仅有9.60％，而赤泥PA-13多孔透水沥青混合料对重金属铅的净化率达到了33.60％，净化效果相对提高了2.5倍。
石灰岩矿粉PA-13多孔透水沥青混合料对重金属铁有一定的净化效果，净化率达到17.60％，而赤泥PA-13多孔透水沥青混合料对重金属铁的净化效果较明显，净化率提高到了44.70％，净化效果相对提高了约1.5倍。
重金属污染物包括物理和化学净化机理。物理净化机理：重金属被吸附在悬浮物，悬浮物截留而被净化；化学净化机理：赤泥的碱浸出会沉淀重金属离子，形成氢氧化铁和氢氧化铅沉淀。
总之，与加入普通石灰岩矿粉相比，加入赤泥可以显著提高多孔隙沥青混合料对悬浮固体、重金属铁、重金属铅、氨氮污染物、磷污染物和生化类污染物COD的净化效果，尤其是对总磷、总氮和金属铅污染物的净化效果均有极大幅度提高。因此，将本发明沥青路面材料用于道路径流污染物的净化，可以直接有效地提高多孔隙沥青混凝土的水净化效果，并可以应用于不同程度径流污染环境，对缓解城市面源污染具有重要意义。
实施例2：
净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料该沥青路面材料包括沥青、赤泥及级配集料，沥青与赤泥的体积比为1:0.3，沥青与赤泥的质量之和与级配集料的质量比为0.06:1。
其中，沥青为高黏沥青，该高黏沥青的黏度为20000Pa·s。
赤泥的粒径为1-20μm，干容重为0.70-0.90g/cm3，比重为2.70-2.78g/cm3。赤泥中含有钠元素、钾元素、铁元素及铝元素。
级配集料中的集料为玄武岩。级配集料中，集料的粒径分布为：0.075mm筛孔对应的集料通过率为4％，0.15mm筛孔对应的集料通过率为7％，0.3mm筛孔对应的集料通过率为7.5％，0.6mm筛孔对应的集料通过率为11％，1.18mm筛孔对应的集料通过率为12％，2.36mm筛孔对应的集料通过率为15％，4.75mm筛孔对应的集料通过率为19％，9.5mm筛孔对应的集料通过率为75％，13.2mm筛孔对应的集料通过率为95％，16mm筛孔对应的集料通过率为100％。
沥青路面材料的制备方法包括以下步骤：
1)将沥青加热熔融，并分别将赤泥及级配集料加热干燥；
2)将沥青、赤泥及级配集料混合均匀并用击实仪击实，之后静置，即得到沥青路面材料。
步骤1)中，加热熔融的温度为195℃，加热干燥的温度为185℃，加热干燥的时间为55min。
步骤2)中，静置时间为30h。
将沥青路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路径流污染物进行净化。
实施例3：
净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料该沥青路面材料包括沥青、赤泥及级配集料，沥青与赤泥的体积比为1:0.4，沥青与赤泥的质量之和与级配集料的质量比为0.04:1。
其中，沥青为高黏沥青，该高黏沥青的黏度为20000Pa·s。
赤泥的粒径为50-75μm，干容重为0.65-0.70g/cm3，比重为2.90-2.98g/cm3。赤泥中含有钠元素、钾元素、铁元素及铝元素。
级配集料中的集料为玄武岩。级配集料中，集料的粒径分布为：0.075mm筛孔对应的集料通过率为6％，0.15mm筛孔对应的集料通过率为6％，0.3mm筛孔对应的集料通过率为8.5％，0.6mm筛孔对应的集料通过率为10％，1.18mm筛孔对应的集料通过率为13％，2.36mm筛孔对应的集料通过率为14％，4.75mm筛孔对应的集料通过率为20％，9.5mm筛孔对应的集料通过率为73％，13.2mm筛孔对应的集料通过率为96％，16mm筛孔对应的集料通过率为100％。
沥青路面材料的制备方法包括以下步骤：
1)将沥青加热熔融，并分别将赤泥及级配集料加热干燥；
2)将沥青、赤泥及级配集料混合均匀并用击实仪击实，之后静置，即得到沥青路面材料。
步骤1)中，加热熔融的温度为180℃，加热干燥的温度为175℃，加热干燥的时间为65min。
步骤2)中，静置时间为20h。
将沥青路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路径流污染物进行净化。
实施例4：
净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料该沥青路面材料包括沥青、赤泥及级配集料，沥青与赤泥的体积比为1:0.35，沥青与赤泥的质量之和与级配集料的质量比为0.05:1。
其中，沥青为高黏沥青，该高黏沥青的黏度为20000Pa·s。
赤泥的粒径为30-55μm，干容重为0.70-0.80g/cm3，比重为2.80-2.90g/cm3。赤泥中含有钠元素、钾元素、铁元素及铝元素。
级配集料中的集料为玄武岩。级配集料中，集料的粒径分布为：0.075mm筛孔对应的集料通过率为5％，0.15mm筛孔对应的集料通过率为6.5％，0.3mm筛孔对应的集料通过率为8％，0.6mm筛孔对应的集料通过率为10.5％，1.18mm筛孔对应的集料通过率为12.5％，2.36mm筛孔对应的集料通过率为14.5％，4.75mm筛孔对应的集料通过率为19.5％，9.5mm筛孔对应的集料通过率为74％，13.2mm筛孔对应的集料通过率为95.5％，16mm筛孔对应的集料通过率为100％。
沥青路面材料的制备方法包括以下步骤：
1)将沥青加热熔融，并分别将赤泥及级配集料加热干燥；
2)将沥青、赤泥及级配集料混合均匀并用击实仪击实，之后静置，即得到沥青路面材料。
步骤1)中，加热熔融的温度为187℃，加热干燥的温度为180℃，加热干燥的时间为60min。
步骤2)中，静置时间为25h。
将沥青路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路径流污染物进行净化。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料，其特征在于，该沥青路面材料包括沥青、赤泥及级配集料，所述的沥青与赤泥的体积比为1:(0.3-0.4)，所述的沥青与赤泥的质量之和与级配集料的质量比为(0.04-0.06):1；
所述的级配集料中，集料的粒径分布为：0.075mm筛孔对应的集料通过率为4-6％，0.15mm筛孔对应的集料通过率为6-7％，0.3mm筛孔对应的集料通过率为7.5-8.5％，0.6mm筛孔对应的集料通过率为10-11％，1.18mm筛孔对应的集料通过率为12-13％，2.36mm筛孔对应的集料通过率为14-15％，4.75mm筛孔对应的集料通过率为19-20％，9.5mm筛孔对应的集料通过率为73-75％，13.2mm筛孔对应的集料通过率为95-96％，16mm筛孔对应的集料通过率为100％。
2.根据权利要求1所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料，其特征在于，所述的沥青为高黏沥青，该高黏沥青的黏度>20000Pa·s。
3.根据权利要求1所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料，其特征在于，所述的赤泥的粒径为1-75μm，干容重为0.65-0.90g/cm3，比重为2.70-2.98g/cm3。
4.根据权利要求1所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料，其特征在于，所述的赤泥中含有钠元素、钾元素、铁元素及铝元素。
5.根据权利要求1所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料，其特征在于，所述的级配集料中的集料为玄武岩。
6.如权利要求1至5任一项所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将沥青加热熔融，并分别将赤泥及级配集料加热干燥；
2)将沥青、赤泥及级配集料混合均匀并在模具中用击实仪击实，之后静置，即得到所述的沥青路面材料。
7.根据权利要求6所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，加热熔融的温度为180-195℃，加热干燥的温度为175-185℃，加热干燥的时间为55-65min。
8.根据权利要求6所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，静置时间为20-30h。
9.如权利要求1至5任一项所述的净化径流污染物的多孔赤泥沥青路面材料的应用，其特征在于，将所述的沥青路面材料铺设于道路上，对透过材料的道路径流污染物进行净化。
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