CN112458144A - 钢渣沥青混合料设计合理性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢渣沥青混合料设计合理性评价方法，使用模拟酸雨环境的浸出液促使钢渣沥青混合料试件中的重金属浸出，采用微生物方法识别和检测浸出液中的重金属毒性，根据毒性结果评价钢渣沥青混合料设计中选用的钢渣类型、掺量的合理性。研究表明，本发明检测结果精确，能够有效地掌握沥青钢渣混凝土重金属浸出特性和毒性风险，解决目前废旧钢渣替代骨料用于沥青混合料路面时，未考虑重金属的浸出特性和环境风险的不足，设计满足环境生态需求的钢渣沥青混合料。
Description
技术领域
本发明属于沥青混合料技术领域，尤其涉及一种钢渣沥青混合料设计合理性评价方 法。
背景技术
玄武岩集料作为目前高等级公路路面最常用的优质集料，具有力学强度高、耐磨、与 沥青黏附性好等优点，但玄武岩产地有限，主要分布在江西、福建、河南、河北等几个省份，大多道路工程的建设需要承担高额的石料运输费用。此外，由于大量的石料需求，许 多地区因岩石的过度开采形成了面积巨大的裸露边坡，植被破坏和水土流失现象严重。在 目前我国优质筑路集料稀缺的环境下，找到一种能部分或完全代替优质石料的新型筑路材料，减少石料的过度开挖，显得迫在眉睫。
钢渣是钢铁产业的主要固体废弃物，产量约是粗钢产量的12％-15％，也就是说每生产 1吨钢，便将产生约0.15吨的钢渣，现今我国已成为世界第一产钢大国，钢渣排放量年逾 1亿吨，但钢渣综合利用率仅有20％。目前全国钢渣积存量已超过10亿吨，未回收利用的钢渣被掩埋或者堆积于钢厂、山河农田之中，占用大片土地的同时也会造成严重的环境污染。钢渣的力学性能与轧制碎石相近，不仅坚硬耐磨，颗粒形状好，而且与沥青有良好的 黏附性，沥青包裹后能在一定程度上防止钢渣的膨胀，具有代替石料作沥青混合料骨料的 潜能。将钢渣用作沥青混合料的集料应用到道路工程领域，不但能降低道路建设成本，减 少天然石料的开发，还能保护生态环境，推动我国道路工程建设的可持续发展
路面使用阶段在雨水冲刷下，沥青混合料中的一些成分会浸出，引起路表径流的水污 染。由于钢渣含重金属离子，当钢渣用在道路工程中，在长期雨水特别是酸雨的长期冲刷 下，重金属离子可能会浸出，污染地下水和道路周边土地。重金属在土壤中的迁移性较差， 半衰期长，残留性高，潜伏时间长，很难在生物循环过程中被微生物分解，易被植物吸收 和生物体内富集，且具有食物链传递性和不易降解性，长期积累将严重影响着人们的健康 和生活。
路面主要受到雨水的淋滤及浸泡作用，钢渣中的重金属在雨水尤其是酸雨的淋滤下释 放迁移至地表水或地下水。在该场景下对污染物浸出影响最大的是降雨的pH值。已有研 究表明，当雨水处于弱酸性时，重金属活性明显增强，化学形态转化、迁移能力和生态危害能力亦明显加强。因此，当钢渣沥青混合料路面应用于酸雨地区时，其重金属的浸出情况将更加剧烈。然而，目前缺乏成熟的规范、标准和技术流程指导钢渣沥青混合料路面有毒重金属浸出规律及环境风险的研究，难以满足钢渣沥青混合料的环境生态要求。
张春刚在《钢渣沥青混凝土中重金属离子浸出实验研究》验证了钢渣能替代石料用在 沥青混合料中。通过TCLP(Toxicity Characteristic Leaching Procedure)方法对钢渣沥 青混合料重金属进行了浸出。探讨了钢渣及钢渣沥青混合料中重金属浸出行为,沥青种类 对重金属浸出的影响。结果表明,钢渣中Cu、V、Zn、As、Mn浸出浓度均超出标准。3种不 同沥青制成的AC-16沥青混合料中Cu、V、Zn、As、Mn浸出浓度相差不大,说明沥青种类 对重金属浸出影响不大。Cu、Zn浸出浓度在标准之内,As、Mn浸出浓度超出标准。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种满足环境生态需求的钢渣沥青混合料设计合理 性评价方法，该法基于重金属渗出毒性，能够有效地掌握沥青钢渣混凝土重金属浸出特性 和环境风险。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
钢渣沥青混合料设计合理性评价方法，使用模拟酸雨环境的浸出液促使钢渣沥青混合 料试件中的重金属浸出，采用微生物方法识别和检测浸出液中的重金属毒性，根据毒性结 果评价钢渣沥青混合料设计中选用的钢渣类型、掺量的合理性。包括以下步骤：
(1)钢渣沥青混合料的设计及试件制备；
(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取；
(3)微生物测试菌液配置及测试；
(4)重金属限制浓度的毒性标准；
(5)重金属渗出风险的钢渣沥青混合料设计合理性评价。
进一步的，步骤(1)中制备钢渣沥青混合料所用钢渣为转炉钢渣，钢渣粒径为4.75-32.5mm，钢渣替代部分集料的比例为0-100％，沥青混合料空隙率为4％-30％；所述试件为成型的柱状试件，直径101.6cm×厚63.5cm，成型方式采用标准击实成型。
进一步的，步骤(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，将试件连续浸没在装有浸提液的60cm×60cm×10cm的长方体浸提箱中，液/固＝5/1(L/kg)，浸提液温度为25℃，浸 提液更换周期为2天，每次更换浸提液后检测其重金属的浓度，共提取15次(共30天)， 并将15次浸提液汇集后制备后初始浸出液。
进一步的，步骤(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，所述浸提液由HNO3和H2SO4(模 拟酸雨环境)调配，浸提液的pH范围设定为3.0-6.5，控制-SO4 2-和-NO3 -的摩尔比为3:1；
进一步的，步骤(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，采用振荡过滤出去初始浸出液颗粒物杂质时，取1kg初始浸出液，置于往复振荡机上振荡5分钟，振荡强度为300转 /分钟，静置10分钟，而后用100目的滤膜过滤出去颗粒物杂质，制备出钢渣沥青混合料 浸出液，并将其采用pH调整为7.0。
进一步的，步骤(3)微生物测试菌液配置及测试，按以下操作进行：采用费式弧菌配置微生物菌液，将无毒高纯水费式弧菌采用3％NaCl稀释10倍激活发光性制备原始液，按照浸出液与费式弧菌原始液1:1的比例分别制备微生物测试液；将微生物测试液置于0.5ml的离心试管上下颠倒摇晃10次，将微生物测试液加入96孔白色酶标板中，每个试 样3个平行样品，20min后利用毒性仪测试钢渣沥青混合料浸出液发光强度记为I实验，微 生物测试液发光强度记为I空白，则钢渣沥青混合料浸出液发光抑制率Y如式(1)：
Y＝(I空白-I实验)/I空白×100％ (1)
进一步的，步骤(4)重金属限制浓度的毒性标准，按以下操作进行：制定微生物测试重金属渗出液的毒性标准时，选取铜、锌、镉、铅、总铬、汞、铍、钡、镍、银等危害 人体健康的有毒重金属；按照《GB-50853-2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》限制标 准表1分别制备相应浓度的重金属标准液，将标准液与费式弧菌原始液1:1标准混合混合 料液，20min后测定某种重金属标准混合料液的发光强度记为I标准，微生物测试液发光强 度记为I空白，则某种重金属标准混合料液发光抑制率B如式(2)：
B＝(I空白-I标准)/I空白×100％ (2)
表1重金属浸出限制标准
| 金属类型 | 铜 | 锌 | 镉 | 铅 | 总铬 | 汞 | 铍 | 钡 | 镍 | 银 |
| 限值(mg/L) | 100 | 5 | 100 | 1 | 5 | 15 | 0.02 | 100 | 5 | 5 |
进一步的，步骤(5)重金属渗出风险的钢渣沥青混合料设计合理性评价，按以下操作进行：
①若Y≤B，则认为钢渣沥青混合料毒性低于或等于全部重金属浸出限制标准的毒性，选 用的钢渣类型和掺量合理，钢渣沥青混合料设计合理；
②若Y＞B，则认为钢渣沥青混合料毒性高于某种重金属浸出限制标准的毒性，选用的钢 渣类型或掺量不合理，钢渣沥青混合料设计不合理。
针对目前钢渣沥青混合料重金属环境风险的问题，发明人建立了一种钢渣沥青混合料 设计合理性评价方法，使用模拟酸雨环境的浸出液促使钢渣沥青混合料试件中的重金属浸 出，采用微生物方法识别和检测浸出液中的重金属毒性，根据毒性结果评价钢渣沥青混合 料设计中选用的钢渣类型、掺量的合理性。该方法以重金属渗出的毒性风险为依据，选取 了对人体正常生理功能和人体健康有害的重金属，在模拟酸雨环境促使钢渣沥青混合料路 面重金属的浸出，依据浸出液中重金属的生物毒性综合优选钢渣类型和钢渣用量。研究表 明，本发明检测结果精确，能够有效地掌握沥青钢渣混凝土重金属浸出特性和毒性风险， 解决目前废旧钢渣替代骨料用于沥青混合料路面时，未考虑重金属的浸出特性和环境风险 的不足，设计满足环境生态需求的钢渣沥青混合料。
此外，本发明与前述张春刚文献报道的方法还存在以下诸多不同：
(1)文献主要将混合料磨碎后，采用10g为对象，本发明试件为成型的柱状试件，直径101.6cm×厚63.5cm，成型方式采用标准击实成型，以柱状试件为对象；
(2)文献将样品放入TCLP(pH＝2.88醋酸溶液)中浸提，并在室温下翻转震荡18h，本发明将试件连续浸没在装有浸提液的60cm×60cm×10cm的长方体浸提箱中，浸提液液/固＝5/1(L/kg)，浸提液温度为25℃，浸提液更换周期为2天，每次更换浸提液后检测其 重金属的浓度，共提取15次，并将15次浸提液汇集后制备后初始浸出液；
(3)文献将将浸取液0.45um中速滤纸上过滤，将过滤液用HNO3硝化至pH＜2,本发明将初始浸出液，置于往复振荡机上振荡5分钟，振荡强度为300转/分钟，静置10分钟， 而后用100目的滤膜过滤出去颗粒物杂质，制备出钢渣沥青混合料浸出液，并将其采用pH 调整为7.0；
(4)文献采用电感耦合等离子发射光谱仪分析滤液中金属离子浓度，本发明采用微 生物方法识别和检测浸出液中的重金属毒性；
(5)文献采用国家一类地表水标准评判浸出液浓度是否超标，本发明采用 《GB-50853-2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》作为毒性评价标准；
(6)文献采用了Cu(铜)、V(钒)、Zn(锌)、As(砷)、Mn(锰)、Cr(铬)，本发明 主要从人体健康角度出发，选取铜、锌、镉、铅、总铬、汞、铍、钡、镍、银等危害人体 健康的有毒重金属；
(7)本发明采用微生物方法识别和检测浸出液中的重金属毒性，根据毒性结果评价 钢渣沥青混合料设计中选用的钢渣类型、掺量的合理性，并以此来指导后续钢渣沥青混合 料的设计，对比文献不涉及。
附图说明
图1是本发明钢渣沥青混合料设计合理性评价方法的流程图。
具体实施方式
图1显示的是本发明钢渣沥青混合料设计合理性评价方法的流程图，以下参照前述具 体方法结合实例进一步说明。
实施例1
(1)采用粒径范围为4.75-16.0mm某钢渣替代10％集料，按照《JTG D50-2017公路沥青路面设计规范》制备空隙率为4％的AC-13沥青混合料，确保该沥青混合料各项路用性能满足要求，成型的柱状试件为直径101.6cm×厚63.5cm；
(2)由HNO3和H2SO4调配制备酸性环境浸提液，控制-SO4 2-和-NO3 -的摩尔比为3:1，用自来水先调配pH为6.5的浸提液，试件置于浸提液中时，其液/固＝5/1(L/kg)；将钢渣 沥青混合料试件浸没浸提液中30天，收集时间间隔为2天，浸提液温度为25℃；浸提液 更换周期为2天，每次更换浸提液后检测其重金属的浓度，共提取15次(共30天)，并 将15次浸提液汇集后制备后初始浸出液；
(3)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，浸提液由HNO3和H2SO4模拟酸雨环境调配，浸提液的pH范围设定为5.5，控制-SO42-和-NO3-的摩尔比为3:1。先采用自来水先调配 pH为3.0的浸提液，而后再按比例加水调整至5.5。
(4)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，采用振荡过滤出去初始浸出液颗粒物杂质时， 取1kg初始浸出液，置于往复振荡机上振荡5分钟，振荡强度为300转/分钟，静置10分钟，而后用100目的滤膜过滤出去颗粒物杂质，制备出钢渣沥青混合料浸出液，并将其采 用pH调整为7.0；
(5)采用费式弧菌配置微生物菌液，将一定量的无毒高纯水费式弧菌采用3％NaCl稀 释10倍激活发光性制备原始液，取100uL浸出液与100uL费式弧菌制备微生物测试液；将微生物测试液置于0.5mL的离心试管上下颠倒摇晃10次，将微生物测试液加入96孔 白色酶标板中，每个试样3个平行样品，20min后利用毒性仪测得并计算得到钢渣沥青混 合料浸出液发光抑制率Y＝30.5％；
(6)按照表1制备铜、锌、镉、铅、总铬、汞、铍、钡、镍、银的限制标准溶液浓 度，测试标准溶液与空白溶液的发光强度，计算得到重金属标准混合料液发光抑制率B如 表2所示。
表2重金属限制标准溶液的发光抑制率
| 金属类型 | 铜 | 锌 | 镉 | 铅 | 总铬 | 汞 | 铍 | 钡 | 镍 | 银 |
| 发光抑制率B(％) | 60.3 | 50.2 | 73.5 | 93.5 | 65 | 86 | 45.3 | 80 | 75 | 85 |
(7)重金属渗出风险的钢渣沥青混合料设计合理性评价如下：
按照前述评价标准，Y＜B,即钢渣沥青混合料浸出液发光抑制率Y(30.5％)＜全部重金 属标准混合料液的发光抑制率B。
因此认为钢渣沥青混合料毒性低于或等于全部重金属浸出限制标准的毒性，选用的钢 渣类型和掺量合理，钢渣沥青混合料设计合理。
实施例2
(1)采用粒径范围为4.75-19.0mm某钢渣替代30％集料，按照《JTG D50-2017公路沥青路面设计规范》制备空隙率为20％的OGFC-16多孔沥青混合料，确保该沥青混合料各项路用性能满足要求，成型的柱状试件为直径101.6cm×厚63.5cm；
(2)由HNO3和H2SO4调配制备酸性环境浸提液，控制-SO4 2-和-NO3 -的摩尔比为3:1，用自来水先调配pH为6.5的浸提液，试件置于浸提液中时，其液/固＝5/1(L/kg)；将钢渣 沥青混合料试件浸没浸提液中30天，收集时间间隔为2天，浸提液温度为25℃；浸提液 更换周期为2天，每次更换浸提液后检测其重金属的浓度，共提取15次(共30天)，并 将15次浸提液汇集后制备后初始浸出液；
(3)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，浸提液由HNO3和H2SO4模拟酸雨环境调配，浸提液的pH范围设定为5.6，控制-SO4 2-和-NO3-的摩尔比为3:1。先采用自来水先调配pH 为3.0的浸提液，而后再按比例加水调整至5.6；
(4)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，采用振荡过滤出去初始浸出液颗粒物杂质时， 取1kg初始浸出液，置于往复振荡机上振荡5分钟，振荡强度为300转/分钟，静置10分钟，而后用100目的滤膜过滤出去颗粒物杂质，制备出钢渣沥青混合料浸出液，并将其采 用pH调整为7.0；
(5)采用费式弧菌配置微生物菌液，将一定量的无毒高纯水费式弧菌采用3％NaCl稀 释10倍激活发光性制备原始液，取100uL浸出液与100uL费式弧菌制备微生物测试液；将微生物测试液置于0.5mL的离心试管上下颠倒摇晃10次，将微生物测试液加入96孔 白色酶标板中，每个试样3个平行样品，20min后利用毒性仪测得并计算得到钢渣沥青混 合料浸出液发光抑制率Y＝68.4％；
(6)按照表1制备铜、锌、镉、铅、总铬、汞、铍、钡、镍、银的限制标准溶液浓 度，测试标准溶液与空白溶液的发光强度，计算得到重金属标准混合料液发光抑制率B如 表2所示。
(7)重金属渗出风险的钢渣沥青混合料设计合理性评价如下：
按照前述评价标准，Y＞B，即钢渣沥青混合料浸出液发光抑制率Y(68.4％)＞大于重金 属(铜、锌、总铬、铍)的标准混合料液的发光抑制率B(60.3％、50.2％、65％、45.3％)。
因此钢渣沥青混合料毒性高于以上重金属浸出限制标准的毒性，选用的钢渣类型或掺 量不合理，钢渣沥青混合料设计不合理，需要重新从生物毒性角度，在设计环节，选择钢 渣类型或其掺量。
Claims (9)
1.一种钢渣沥青混合料设计合理性评价方法，其特征在于：使用模拟酸雨环境的浸出液促使钢渣沥青混合料试件中的重金属浸出，采用微生物方法识别和检测浸出液中的重金属毒性，根据毒性结果评价钢渣沥青混合料设计中选用的钢渣类型、掺量的合理性。
2.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于包括以下步骤，如图1所示：
(1)钢渣沥青混合料的设计及试件制备；
(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取；
(3)微生物测试菌液配置及测试；
(4)重金属限制浓度的毒性标准；
(5)重金属渗出风险的钢渣沥青混合料设计合理性评价。
3.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于步骤(1)中制备钢渣沥青混合料所用钢渣为转炉钢渣，钢渣粒径为4.75-32.5mm，钢渣替代部分集料的比例为0-100％，沥青混合料空隙率为4％-30％；所述试件为成型的柱状试件，直径101.6cm×厚63.5cm，成型方式采用标准击实成型。
4.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于步骤(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，将试件连续浸没在装有浸提液的60cm×60cm×10cm的长方体浸提箱中，液/固＝5/1(L/kg)，浸提液温度为25℃，浸提液更换周期为2天，每次更换浸提液后检测其重金属的浓度，共提取15次，并将15次浸提液汇集后制备后初始浸出液。
5.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于步骤(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，所述浸提液由HNO3和H2SO4调配，浸提液的pH范围设定为3.0-6.5，控制-SO4 2-和-NO3 -的摩尔比为3:1；
6.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于步骤(2)钢渣沥青混合料浸出液的提取时，采用振荡过滤出去初始浸出液颗粒物杂质时，取1kg初始浸出液，置于往复振荡机上振荡5分钟，振荡强度为300转/分钟，静置10分钟，而后用100目的滤膜过滤出去颗粒物杂质，制备出钢渣沥青混合料浸出液，并将其采用pH调整为7.0。
7.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于步骤(3)微生物测试菌液配置及测试，按以下操作进行：采用费式弧菌配置微生物菌液，将无毒高纯水费式弧菌采用3％NaCl稀释10倍激活发光性制备原始液，按照浸出液与费式弧菌原始液1:1的比例分别制备微生物测试液；将微生物测试液置于0.5ml的离心试管上下颠倒摇晃10次，将微生物测试液加入96孔白色酶标板中，每个试样3个平行样品，20min后利用毒性仪测试钢渣沥青混合料浸出液发光强度记为I实验，微生物测试液发光强度记为I空白，则钢渣沥青混合料浸出液发光抑制率Y如式(1)：
Y＝(I空白-I实验)/I空白×100％ (1)
8.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于步骤(4)重金属限制浓度的毒性标准，按以下操作进行：制定微生物测试重金属渗出液的毒性标准时，选取铜、锌、镉、铅、总铬、汞、铍、钡、镍、银等危害人体健康的有毒重金属；按照《GB-50853-2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》限制标准表1分别制备相应浓度的重金属标准液，将标准液与费式弧菌原始液1:1标准混合混合料液，20min后测定某种重金属标准混合料液的发光强度记为I标准，微生物测试液发光强度记为I空白，则某种重金属标准混合料液发光抑制率B如式(2)：
B＝(I空白-I标准)/I空白×100％ (2)
表1重金属浸出限制标准
9.根据权利要求1所述的合理性评价方法，其特征在于步骤(5)重金属渗出风险的钢渣沥青混合料设计合理性评价，按以下操作进行：
①若Y≤B，则认为钢渣沥青混合料毒性低于或等于全部重金属浸出限制标准的毒性，选用的钢渣类型和掺量合理，钢渣沥青混合料设计合理；
②若Y＞B，则认为钢渣沥青混合料毒性高于某种重金属浸出限制标准的毒性，选用的钢渣类型或掺量不合理，钢渣沥青混合料设计不合理。
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