城市道路路面沉積物粒徑分布研究

駱 輝 薛春霞 胡小波 張 燕 李 珍 崔成亮

(連云港市銳城建設(shè)工程有限公司， 江蘇 連云港 222000)

城市道路路面沉積物粒徑分布研究

駱 輝 薛春霞 胡小波 張 燕 李 珍 崔成亮

(連云港市銳城建設(shè)工程有限公司， 江蘇 連云港 222000)

為了解不同功能道路路面沉積物粒度分布特征，為海綿城市理念下透水路面建設(shè)過程中堵塞行為的預(yù)防提供系統(tǒng)科學(xué)的依據(jù)，在研究區(qū)域內(nèi)采集8種不同類型道路沉積物樣品，采用2000型激光粒度分析儀對(duì)粒度成分分析，使用應(yīng)用廣泛的溫德華氏粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沉積物進(jìn)行分類，?？思拔值碌膱D解法對(duì)平均粒徑、中值、分選系數(shù)、偏度及峰態(tài)五大參數(shù)分析。結(jié)果表明：不同功能的路面，其沉積物粒徑分布差異性較大，但基本上呈現(xiàn)對(duì)稱分布，中砂、粉粒質(zhì)量最多，粗砂、極粗砂和粘粒的含量相對(duì)較少，道路沉積物中80%以上的粒徑集中在500μm以下；所有路面沉積物的平均粒徑介于0.09～0.29mm之間，平均值為0.14mm，屬于細(xì)砂；道路沉積物中分選性一般，其中重交通區(qū)優(yōu)于人行道和其他下墊面的非機(jī)動(dòng)車道，分選性大小依次為：重交通區(qū)非機(jī)動(dòng)車道>重交通區(qū)機(jī)動(dòng)車道>林區(qū)機(jī)動(dòng)車道>住宅區(qū)機(jī)動(dòng)車道。研究結(jié)果對(duì)透水瀝青路面設(shè)計(jì)、病害防治提供指導(dǎo)性依據(jù)。

路面沉積物；粒度分布；粒度特性參數(shù)；分選性；偏度

粒徑不同的碎石、灰塵、土粒、草屑以及輪胎磨損物等固體顆粒物匯積于路表面，稱為路面沉積物，在晴天干燥期以風(fēng)為載體，以揚(yáng)塵形式進(jìn)入大氣環(huán)境中產(chǎn)生累積，在交通量大的城市道路表面更為嚴(yán)重，隨著海綿城市的建設(shè)，透水混凝土路面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，沉積物堵塞透水路面是路面病害之一，此問題亟待解決，研究沉積物粒徑特征對(duì)解決透水混凝土路面堵塞問題具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)處理

在集中降雨后，選擇晴朗無風(fēng)的天氣，考慮不同的道路結(jié)構(gòu)、不同功能區(qū)沉積物中存在的差異，選擇南京城區(qū)8種類型的道路進(jìn)行采樣，采樣地點(diǎn)如表1所示，采樣時(shí)間為2015年12月(冬季)、2016年1月(冬季)、2016年4月(春季)、2016年8月(夏季)、2016年10月(秋季)，在這5個(gè)月分別對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣方式為人工清掃，共采集樣品40個(gè)。

表1 采樣地點(diǎn)及特征

每個(gè)采樣點(diǎn)首先用鋼尺沿著行車輪跡量出長(zhǎng)寬為1m的正方形區(qū)域(見圖1)，然后用手搖自動(dòng)噴漆將區(qū)域固定做好標(biāo)記，在標(biāo)定區(qū)域內(nèi)用毛刷清掃，裝入塑料袋中密封，并當(dāng)場(chǎng)記錄樣品采集時(shí)間和位置。用鑷子去除沉積物中樹枝、頭發(fā)、煙頭等雜物，待自然風(fēng)干。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取樣圖

將收集的路面堵塞物樣品按以下步驟進(jìn)行預(yù)處理：

(1)樣品的分散。取5 g樣品放入小燒杯中，加入0.5 mol/L草酸鈉2 mL，用玻璃棒攪拌，浸泡，使樣品中的小團(tuán)快速充分分散達(dá)到原始狀態(tài)[1]。

(2)除去有機(jī)質(zhì)。路面沉積物中有機(jī)質(zhì)主要以碳的形式存在，故用過氧化氫(H2O2)去除[2]，在樣品中加入2 mL過氧化氫，攪拌搖晃，直至無明顯氣泡冒出。

(3)除去膠結(jié)物。樣品中可能含有碳酸鹽，故用HCl進(jìn)行分解，在樣品中加入1mL鹽酸，攪拌。反應(yīng)式為：CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑[3]。待反應(yīng)完全后，即可上機(jī)測(cè)試。

1.2 粒度測(cè)量方法

粒度分析方法主要取決于所研究顆粒物的大小及松密程度，粒徑較大的砂石多采用直接測(cè)量法，細(xì)顆粒多采用篩分法，粉砂、黏土等采用沉降法、小孔通過法、吸附法、比重計(jì)法和流水法，而對(duì)于固結(jié)的巖石只能采用薄片粒度分析法[4]。

目前參考我國(guó)沉積物的研究方法，當(dāng)粒度范圍在0.02～2000μm時(shí)，多采用激光粒度分析儀。本實(shí)驗(yàn)粒度特征在南京林業(yè)大學(xué)瀝青分析實(shí)驗(yàn)室利用2000型激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.3 粒度分級(jí)方法

路面沉積物粒度的分級(jí)采用應(yīng)用廣泛的溫德華氏粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別為極粗砂(2.0～1.0 mm)、粗砂(1.0～0.5 mm)、中砂(0.5～0.25 mm)、細(xì)砂(0.25～0.125 mm)、極細(xì)砂(0.125～0.063 mm)、粉粒(0.063～0.004 mm)與粘土(<0.004 mm)[5]。首先由累積曲線上讀得累積百分比處的顆粒直徑，然后采用福克及沃德的圖解法[6]計(jì)算粒度參數(shù)：平均粒徑(Mz)、中值(Md)、分選系數(shù)(Φ1)、偏度(Sk)與峰態(tài)(Kg)，進(jìn)而分析不同功能道路路面沉積物特征的水平分異。

2 路面沉積物特性分析

2.1 粒徑分布

路面沉積物顆粒大小是影響透水瀝青路面堵塞效應(yīng)的主要指標(biāo)，不同采樣點(diǎn)的樣品經(jīng)過粒度分析后，粒徑質(zhì)量比見表2及圖2。由圖可以看出，不同功能的路面，其沉積物粒徑分布差異性較大，但基本上呈現(xiàn)正態(tài)分布的特征，中砂、粉粒質(zhì)量最多，粗砂、極粗砂和粘粒的含量相對(duì)較少，甚至為零，各種功能的道路，80%以上的粒徑集中在500 μm以下。

本實(shí)驗(yàn)主要采用人工清掃的方式，粒徑小于0.04 mm的粘粒不容易被人工清掃的方式收集，同時(shí)，此種極小粒徑的顆粒物可能在大風(fēng)天氣懸浮于空氣中形成可吸入顆粒，或者隨著降雨過程被路面雨水徑流沖刷帶走。更大粒徑的路面沉積物在日常養(yǎng)護(hù)中容易被清理掉。

表2 不同功能道路沉積物粒徑含量表 單位：%

不同路面的粒徑分布差異與采樣點(diǎn)車流量、人流量、環(huán)境、天氣、累積等因素有關(guān)外，還受到路表面材質(zhì)類型和凹凸程度的影響。由圖2可以看出，重交通機(jī)動(dòng)車道的粒徑質(zhì)量分布最不均勻，瀝青路面的人行道上沉積物的粒徑分布最為均勻，居民區(qū)和教學(xué)區(qū)的粒徑均較小，可能是由于此區(qū)域人流量大，且無重型荷載，人群荷載碾壓較為充分，校園內(nèi)清掃及時(shí)，較粗顆粒的沉積物容易被去除掉。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比于瀝青路面，水泥路面表面平整度較差，產(chǎn)生的沉積物質(zhì)量更多，且粒徑偏大。

各個(gè)采樣路面的沉積物粒徑分布所呈現(xiàn)出來的差異，反映出路面沉積物來源的多樣性，同時(shí)也反映出沉積物受碾壓和人工清掃等人為活動(dòng)的影響非常大，故在進(jìn)行透水瀝青路面模擬堵塞實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須考慮到路面堵塞物的粗細(xì)程度和顆粒級(jí)配，將沉積物分為粗砂、細(xì)砂和全級(jí)配砂。

其中，標(biāo)準(zhǔn)差S的計(jì)算公式為：

圖2 不同采樣點(diǎn)路面沉積物粒徑質(zhì)量分布

2.2 粒度特征

總體而言，不同下墊面的道路沉積物類型主要為細(xì)砂和粉粒。主要通過平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)四個(gè)參數(shù)對(duì)路表面沉積物特征進(jìn)行研究分析，參數(shù)意義不盡相同。根據(jù)區(qū)域內(nèi)所采集樣本的試驗(yàn)結(jié)果，比對(duì)不同功能的路面沉積物粒徑，并結(jié)合影響沉積物粒度的主要因素進(jìn)行分析。

區(qū)域內(nèi)沉積物樣品粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況見圖3，所有路面沉積物的平均粒徑介于0.09～0.29 mm之間，平均值為0.14 mm，屬于細(xì)砂。道路的沉積物平均粒徑分布見圖4，圖中看出，各個(gè)道路中沉積物平均粒徑相差較大，其中以水泥為下墊面的機(jī)動(dòng)車道的平均粒徑最大，達(dá)到283μm，以瀝青為下墊面的機(jī)動(dòng)車道中平均粒徑最小，僅為98μm?？赡苁怯捎谒嗦访娴目鼓Σ列阅艿陀跒r青路面，在反復(fù)移動(dòng)荷載下更容易導(dǎo)致表層脫落。

平均粒徑(mm)分選系數(shù)

峰度偏度圖3 研究區(qū)域沉積物粒度參數(shù)占比

圖4 道路沉積物平均粒徑分布圖

道路沉積物的分選系數(shù)大小可以客觀反映道路沉積物中的均勻程度，路表沉積物的分選系數(shù)越小，分選性就越好。如果粒級(jí)范圍分布大，粒級(jí)特征不突出，分選性就差。所有道路中的分選系數(shù)集中在1.8～4.7之內(nèi)，平均值是2.63，且調(diào)查樣本中62%的分選為中等，所占比例為最大，按照Folk和Ward的分選性等級(jí)表可知，道路沉積物中分選性一般，其中重交通區(qū)要好于人行道和其他下墊面的非機(jī)動(dòng)車道中，分選性大小依次為：重交通區(qū)非機(jī)動(dòng)車道>重交通區(qū)機(jī)動(dòng)車道>林區(qū)機(jī)動(dòng)車道>住宅區(qū)機(jī)動(dòng)車道。

路面沉積物粒徑的平均值與中位數(shù)的相對(duì)變化通常由偏態(tài)來表征，當(dāng)偏態(tài)值Ski為零時(shí)，粒度分布曲線呈對(duì)稱分布，此時(shí)平均值和中位數(shù)重合；當(dāng)Ski>0時(shí)，表示道路沉積物的平均值在中位數(shù)右側(cè)，峰度偏向細(xì)端部；相反，當(dāng)Ski<0時(shí)，粒度則集中在細(xì)端。在調(diào)查的樣本中，47%的為近對(duì)稱，負(fù)偏和極負(fù)偏的分別為26%和32%。

3 結(jié)論

(1)不同功能的路面，其沉積物粒徑分布差異性較大，但基本上呈現(xiàn)對(duì)稱分布，中砂、粉粒質(zhì)量最多，粗砂、極粗砂和粘粒的含量相對(duì)較少，道路沉積物中80%以上的粒徑集中在500μm以下。

(2)所有路面沉積物的平均粒徑介于0.09～0.29 mm之間，平均值為0.14 mm，屬于細(xì)砂。道路沉積物中分選性一般，其中重交通區(qū)要好于人行道和其他下墊面的非機(jī)動(dòng)車道中，分選性大小依次為重交通區(qū)非機(jī)動(dòng)車道>重交通區(qū)機(jī)動(dòng)車道>林區(qū)機(jī)動(dòng)車道>住宅區(qū)機(jī)動(dòng)車道。

[1] 劉幼萍,童娟,李小妮．應(yīng)用馬爾文MS2000激光粒度分析儀分析河流泥沙顆粒[J]．水利科技與經(jīng)濟(jì),2005,11(6)：329-331.

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Astudyondistributionofgrainsizeofsedimentonthesurfaceinurbanroad

Luo Hui, Xue Chunxia, Hu Xiaobo, Zhang Yan, Li Zhen, Cui Chengliang

(Company of Ruicheng Construction Engineering, Lianyungang 222000, China)

In order to understand the distribution characteristics of grain size of the sediments on surface of roads with various functions, servicing as the scientific basis for the prevention of the blockage during the construction of porous pavement under the concept of "Sponge City", samples of eight different types of road sediments collected in the study area were analyzed in terms of components of grain size using laser granularity analyzer model 2000, and then were classified applying widely used Udden-Wentworth grade scale. Five parameters including average grain diameter, the median, the sorting coefficient, the skewness and the kurtosis were also analyzed using Folk and Ward graphic method. The results show that difference in terms of distribution of the sediment grain size is significant among roads with various functions. However, the distribution is basically in a symmetrical form, whereas medium sand and silt rank first in terms of quantity while coarse sand and clay content are relatively low, grain size of more than 80% of road sediment particle size is found to be below 500μm; The average grain size of all surface sediments are in a range from 0.09 to 0.29mm, with an average of 0.14mm, meaning that they can be classified as fine sand. All the sediments are found to be low in grain size selectivity, whereas the road under heavy traffic area is better than that of the pavement and other non-motor vehicle lanes. The order in terms of the grain size selectivity is

shown as follow: non-motor vehicle driveways in heavy traffic area>motor vehicle roads in heavy traffic area>motor vehicle roads in forest area>residential motor vehicle driveways. The results can provide guidance for the design of permeable asphalt pavement.

the sediment of the road; grain size distribution; parameters of size characteristic; selectivity；skewness

X52

A

2017-09-22; 2017-11-06修回

駱輝(1990-)，男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事工程環(huán)境方面的研究。E-mail:287356192@qq.com