文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

收稿日期:2004-05-20

作者简介:何伟宏(1971-),男,广东省梅州市人,本科,工程师

隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

何伟宏1

,刘 洋2

,陈克军

2

(1.广东省路桥建设发展有限公司,广东 广州 510635;2.重庆交通科研设计院,重庆市400067)

摘 要:通过隧道内污渍状况的现状调查、试样采集、组分分析和污渍发生源推定4项内容,对公路隧道内饰涂装工程的涂料选择提供指导。

关键词:隧道;污渍;耐沾污性;涂料

文章编号:1009-6477(2004)04-0097-07 中图分类号:U457 文献标识码:A

Analysis on Current Situation of Blots in Tunnels and

Countermeasures for Selection of Coating

HE NG Wei -hong 1,LIU Yang ,C HE N Ke -Jun 2

Abstract:This paper aims at providing guidance to the choices of painting for the coating project on the inner surface of tunnels on highwa ys,in ter ms of four aspects as follows:the investigation of present conditions,co-l lection of samples,analysis of compositions and deduction of sources of the dark blot conditions in tunnels.

Key words:tunnel;blot;pollution-assistant;c oating 公路隧道内属强污染环境,车辆尾气排放的浓度高,油性物质(有机排放物)和道路扬尘不断在隧道内壁粘附堆积,造成了隧道环境污染,影响了隧道景观。本文通过污渍污染的现状调查、试样采集、组分分析和污渍发生源推定4项内容,较为准确地给出了隧道污渍的污染特征及其特性,在公路隧道内饰涂装工程中,可对耐沾污性涂料的选择提供指导。1 调查对象与调查内容 1.1 调查对象

公路隧道:汕梅高速路右线3座隧道莲花山隧道:2902m 代表特长隧道柚树下隧道:1523m 代表长隧道竹子寮隧道:287m 代表短隧道

城市隧道:重庆市石板坡长江大桥南坪隧道

1.2 调查内容

调查内容主要是:了解不同隧道污渍的污染程度及污渍的物理特性,包括其形态(采集到的样品)、色泽、附着状态和分布特征等。 1.3 调查方法

根据调查的主要内容,拟采用的调查方法见表1。

表1 隧道污渍调查方法

项 目方 法

仪 器附着状态色 泽形 态分布特征目测拍照数码相机数码相机数码相机数码相机密 度

重量法电子天平,米尺

2 样品采集

2.1 采样点位置

为了使采集的样品具有代表性,选择了不同地区和不同营运时间的隧道进行调查和采样。广东汕梅高速路右线3座隧道(莲花山隧道、柚树下隧道、竹子寮隧道)均位于郊外,分别代表特长、长、短3种类型的隧道。莲花山隧道和柚树下隧道分别设置5个采样点,分别位于隧道进口处、隧道长1/4处、隧道中部、隧道长3/4处和出口处(见图1a 和b)。竹子寮隧道的采样点分别位于隧道进口、中部和出口(见图1c)。重庆市石板坡长江大桥南坪隧道位于城市中,隧道长200m 左右,因此采样点分别布置在隧道出口和中部(见图1d)。 2.2 采样方法

对莲花山和柚树下隧道按全长均分成5个断

公路交通技术 2004年8月 第4期 Technology of Highway and Transport Aug.2004 No.4

表2 隧道污渍物理特征

隧 道位置项 目

特 征 描 述

莲花山隧

隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

道、柚树下隧道、竹子寮隧道重庆市长江大桥南坪隧道

拱顶

侧壁

拱顶侧壁附着状态、色泽、形态、分布特征、密度

污渍吸附于隧道壁上,呈土灰色,光滑平面处呈均匀分布,吸附层较薄,凹槽处相对较多。收集在一起成粉状微粒。密度小于侧壁(

隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

见图2)。

粉状微粒多吸附于隧道壁上,较大的尘粒沉淀堆积在沟槽内,多呈灰黑色,光滑平面处呈均匀分布,吸附层较薄,凹槽处相对较多。收集在一起呈细粒状,手感有较多的粒状物质存在。密度大于拱顶(见图3和图4)。

多粘附于隧道壁上,表面呈松散吸附状,呈深灰色,由于隧道顶部粗糙,污渍分布不均匀。收集在一起呈粉粒状。密度远高于广东3座隧道。

多粘附于隧道壁上,较大的尘粒沉淀堆积沟槽内,呈黑色,由于隧道壁较粗糙,污渍分布不均匀。收集在一起呈粒状,明显有较大的颗粒。密度稍高于拱顶,但远高于广东3座隧道。

面,竹子寮隧道均分为3个断面、重庆市石板坡长江大桥南坪隧道取2个断面(如图1所示),每个断面取拱顶和边墙2个点,每个点在1m 2的范围内采集污渍。

3 调查结果

汕梅高速公路北清段3座隧道位于郊外,出口和入口处较为空旷,污染物易于扩散,环境空气质量较好。另外,该路线通车时间较短,车流量相对较小。因此,3座公路隧道的污渍堆集密度较小,平均密度为15g/m 2,大大低于重庆石板坡长江大桥南坪隧道的100g/m 2。关于隧道污渍物理特征的详细描述见表2。

污渍形态与分布图片见图2、图3和图4。4 污渍组分分析 4.1 分析内容与方法

98 公 路 交 通 技 术 2004年

化学分析是为了确定隧道污渍的主要成分。根据隧道内的环境和交通污染的特征,大致推断污渍的来源是机动车尾气和道路扬尘。根据有关研究结果表明,机动车尾气的组分主要为C粒、总烃类等有机气体,还包括少量的无机气体,如NO X、SO2等;道路扬尘的成分较复杂,主要以土壤成分为主,还含有沙尘、粉煤灰以及其它由车辆碾压、粘带、散落以及车轮扬起的粉尘。

因此,污渍组分可归纳为有机和无机2大类,有机组分包括10个分析因子。无机组分包括非金属组分、金属组分和离子组分等19个分析因子。分析项目与分析方法见表3。

4.2 分析结果

4.2.1 不同隧道内污渍含量特征

根据隧道污渍组分的理化特性和来源,可以把相关分析指标归纳为4个部分:有机组分和3组无机组分(水溶性离子组分、金属组分和土壤特征组分)。有机组分包括有机质、有机N、总烃、甲苯、苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、苯乙烯和异丙苯等10种组分。水溶性离子组分包括F-、Cl-、SO42-、NO3-、NH4+、Na+、K+、Ca2+和Mg2+等9种组分。金属组分包括Fe、Cu、Zn、Mn、Pb等5种常见金属。另外一种就是以N、P和SiO2为代表的土壤特征组分。

图5给出了4座隧道污渍组分的平均含量特征。这种特征主要体现在2个方面:

(1)隧道长度的影响

从图5可以看出,使用年限相同且同处于广东的3座隧道中,2座较长隧道的无机组分的含量基本相等,但是莲花山隧道的有机组分含量则明显低于柚树下隧道。与竹子寮隧道相比,这2座隧道的有机组分和土壤特征组分的含量明显偏高。造成这种现象的原因可能包括以下两方面:一方面,在较长隧道内车流速度相对较慢,机动车尾气污染较严重。另一方面,隧道越长通风效果越差,尾气和扬尘等污染物越不易扩散。对于较短的竹子寮隧道而言,不但车流速度相对较快,而且隧道内空气易于流通,有利于污染物的扩散。

(2)隧道使用年限或区域差异的影响

对于2座短隧道而言,其土壤特征组分含量基本相同。但是,与重庆南坪隧道相比,竹子寮隧道的有机组分平均含量明显偏低,离子组分和金属组分的平均含量则明显偏高。重庆南坪隧道已经使用了20多年,在长期的使用过程中,有大量的污染物吸附或粘附在隧道壁上,增加了隧道壁的粗糙程度和表面积,空气中的污染物就更容易吸附在上面,因此,污渍中的有机组分会明显增加。另外,由于使用年限很长,污渍中的许多水溶性组分会与其它组分发生充分的化学反应,形成相对稳定的化合物。特别是重庆具有高温、高湿的气候条件,有利于加速隧道污渍组分间的化学反应,许多水溶性的组分和金属经过化学反应会生成难溶性或微溶性的化合物。Ravishabkara(Ravishabkara, A.R.,1997)对大气颗粒物与气相物质间的界面反应研究表明,SO2很容易在潮湿的小颗粒物表面被氧化转化为SO42-,而硫酸盐颗粒物能引起各种非匀相反应,特别是一些需要酸性介质的非匀相反应。如污染物中的CaCO3在湿度较高的条件下会与空气中的SO2反应生成微溶的CaSO4(其中包含SO2与其它物质的氧化转化)。

99

2004年 第4期 何伟宏,等:隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

表3 隧道污渍组分分析项目与分析方法

分析指标分析方法仪 器方 法 来 源

C 重铬酸钾容量法

外加热法

电炉、自动控温器 土壤农化分析 全碳量的测定,1996

N半微量凯氏法紫外分光光度法 土壤农化分析 全N的测定,1996:41-44

P钼锑抗比色法分光光度计 土壤农化分析 全P的测定,1996:66-70

Si(SiO2%)硅目酸比色法分光光度计 土壤农化分析 SiO2的测定,1996:155-157 Fe原子吸收光谱法原子吸收 土壤农化分析 土壤全量铁的测定,1996:162-163 Cu

Zn Mn 酸溶法原子吸收

农业环境监测原理与应用 土壤全量铜、锌、锰的测定,

1998:93-95

Pb原子吸收光谱法原子吸收 农业环境监测原理与应用 土壤全量铅的测定,1998:91-92 F-

CL-

SO42-

NO3-

NH4+ Na+ K+ Ca2+ Mg2+离子色谱法离子色谱仪

溪旦立主编 环境工程分析手册 环境监测卷 1996。

国家环保局 水和废水分析方法 ,1989。

环境污染分析方法 ,1989。

APHA,AWWA,WPCF.standard method for the examination of water and

wastewater.17th ed.1989.

非离子氨分光光度法分光光度计 环境工程分析手册 环境监测卷 1996:385-390

有机质重铬酸钾容量法

稀释热法

油浴锅、滴定管

农业环境监测原理与应用 土壤有机质的测定,1996:33-

36

有机N剀氏法分光光度计 农业环境监测原理与应用 土壤硝态氮的测定,1998:104-105总烃气相色谱法气相色谱中华人民共和国国家标准环境空气 总烃的测定(GB/T15263-94)

甲苯

邻二甲苯

间二甲苯对二甲苯苯乙烯异丙苯气相色谱法气相色谱仪

中华人民共和国国家标准:居住区大气环境中苯、甲苯和二甲苯

的卫生检验标准方法(GB11737)。

中华人民共和国国家标准:水质苯系物的测定 气相色普法

(GB11890-89)。

重庆南坪隧道污渍的水溶性组分含量偏低的原因可能在于此。因此,隧道的区域差异和使用年限差异也是污渍组分含量不同的主要原因之一。

关于隧道污渍4类组分具体含量特征详细分述如下。

有机组分的含量特征

通过分析发现,在所研究的4座隧道中,重庆南坪隧道污渍中有机质平均含量最多,为149.09g/ kg,其次是柚树下隧道,莲花山和竹子寮隧道相对较少。这些有机质有很大部分来自土壤粉尘、机动车扬尘,但也有很大部分来自机动车尾气。

根据钟春敏[2000]、鲁萍[2001]等人对机动车尾气的研究表明,机动车尾气中含的有机组分主要是总烃[2][3],而且总烃浓度高达22.74mg/m3[6]。但其中也含有一定量的苯类物质[4][5]。

本项目也专门对机动车尾气中的有机组分作了分析,在各个隧道污渍中,机动车尾气的有机组分主要以总烃为主,几乎占了尾气组分总量的80%以上。苯类物质含量相对较少。

离子组分的含量特征

莲花山隧道离子组分含量最高,为226.62g/ kg,其次为竹子寮隧道(201.39g/kg),柚树下隧道为182.49g/kg,最小的是重庆南坪隧道,为107.12 g/kg。在各个隧道污渍的阴阳离子组分中,以钙离子和硫酸根离子含量最高。这与城市大气颗粒物中的水溶性组分含量相似[10]。

100

公 路 交 通 技 术 2004年

在3座试验隧道中,除竹子寮隧道的进拱外,其它各个监测点的阴离子都接近60%,且主要为硫酸根离子;阳离子约占40%,主要为钙离子。但是在重庆南坪隧道的结果却相反。

主要土壤组分的特征

根据熊毅[1977]、青长乐[1993]等人的研究显示,土壤中除了氧的含量外,硅元素的含量最高,平均为33%。土壤中硅元素主要是以SiO2及其矿物的形式存在,土壤中含SiO2的代表性矿物主要有石英、长石、云母和角闪石等。氮和磷的平均含量较低,分别为1.0%和0.08%,但是这2种元素却是土壤的主要营养元素。各隧道的土壤特征组分中SiO2的含量极高,其范围在229.93g/kg~323.92g/kg。N和P的含量极低,二者的最高含量均在重庆南坪隧道污渍的土壤特性组分中,分别为2.82g/kg和0.72g/kg。

金属组分的含量特征

铁在5种代表性的金属组分中含量最高,其次为锌和锰,铜的含量最小。这些金属含量虽小,但是它们在污渍的多相化学反应中扮演着重要角色。它们不仅参与许多化学反应,而且还对许多氧化还原反应起催化作用。

这些金属组分含量虽小,但是它对隧道涂装质量的影响很大。它会加速隧道涂层的腐蚀和氧化,从而加速隧道涂层的老化。

4.2.2 不同断面上污渍分布特征

不同的污渍组分在不同的隧道和不同的断面上的分布不尽相同。图6展示了4类组分在不同断面上的分布特征。从图中可以看出,土壤组分和金属组分的分布特征相似,二者均在隧道口处含量相对较高,在隧道内部含量相对较低;有机组分和离子组分的分布特征相近,二者在隧道中部的含量相对较高。主要原因可能为:在隧道外部,车速相对较快,道路扬尘污染较为严重。随着车辆引起的气流,扬尘会被车辆带入隧道内。随着车辆速度减慢,和隧道内空气流速的降低,道路扬尘会在隧道入口处沉降或吸附在隧道壁上。随着隧道的深入,扬尘的浓度会逐渐降低,但机动车尾气的浓度会逐渐增加。因此,在隧道的不同断面,道路扬尘和机动车尾气的吸附和沉降量就不相同。从而造成隧道污渍组分含量分布的差异。

由于试样采集量的预计偏差、部份试样的仪器分析量不足,城市隧道只获得2个有效样品数据,无法进行断面分析。在以后的工作和研究中将做进一步的补充和探讨。

4.2.3 污渍组分的相关性分析

通过对29种污渍组分的相关性分析结果可以看出,5种金属组分间具有较高的相关性,Fe-Cu-Zn-Mn-Pb一组的相关系数大于0.446,多数金属间显著相关。这说明这5种金属来源相同。

另外,在水溶性组分中,4个阴离子间具有的相关系数大于0.324,其中F-Cl--NO3-之间具有极显著相关性。它们与钙离子之间也有较高的相关性。说明4个阴离子来源相同,而且,它们多以

隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

101 2004年 第4期 何伟宏,等:隧道内污渍现状分析与涂料选择对策

盐的形式存在。但是4个阴离子与总烃、有机氮、有机质和甲苯之间具有显著的负相关性。说明有机组分和阴离子组分的来源不同。与其它学者的研究结果[7][8][9][10]进行比较,发现这些水溶性组分的特征与大气颗粒物中的相似。因此,说明隧道污渍中的水溶性组分主要来自道路扬尘和煤烟尘。

在有机物组分中,有机质与总烃、苯、甲苯、间二甲苯、已丙苯和苯乙烯具有显著相关性,总烃与所有的有机组分都有较高的相关性。因此,说明各有机组分的来源相同,或者说主要污染源对有机组分的贡献率相似。

在土壤的代表组分中,SiO2与N和P并没有明显的相关性,但是N和P之间是显著相关的。说明SiO2的主要来源可能包括道路扬尘、矿尘、煤烟尘等多种污染源,而N和P主要是来自土壤扬尘。

5 适合隧道污染环境的涂料的耐沾污性分析与评价

涂装表层材料的耐沾污性对隧道整体景观性能和营运管理成本有直接的影响。因此选择具有耐沾污性的涂料就显得非常重要。

实际上,造成涂膜耐沾污性差的根本原因在于:一是因为涂膜是亲水性的或亲油性的;二是因为涂膜的结构不密实,涂膜中存在有大量的微细孔隙,这样,在污渍粘附于涂膜表面后,就会因为毛细力的作用而以水或油为介质被吸附进涂膜中。因而,要解决涂膜耐沾污性不良的问题,必须从涂膜亲水性、亲油性和致密性等方面着手解决。

在有机涂料中,以丙烯酸树脂、氟树脂、硅树脂的耐沾污性最为显著。以099高耐沾污水性丙烯酸涂料为例,采用 建筑涂料涂层耐沾污性试验方法 (GB9780-88),用粉煤灰作污染源,将其涂刷在涂层样板上。再用一箱水(容积15L,高度2m)在1min 内流完冲洗涂层样板。通过测定反射系数,计算其耐沾污性。通过与普通水性涂料优等品和合格品的比较(如表4),099高耐沾污水性丙烯酸涂料的污染率远比普通水性涂料优等品和合格品低,说明其耐沾污性远高于普通水性涂料。

表4 耐沾污性比较

项 目

所用材料

耐沾污性(%) 099高耐沾污水性丙烯酸涂料 3.60

普通水性涂料优等品15

普通水性涂料合格品20

高耐沾污水性丙烯酸涂料的主材树脂为丙烯酸酯,其疏水性与氟、硅树脂相比要差,与水的接触角较小,亲水污渍的附着、堆积倾向大。在此意义上,高耐污水性丙烯酸涂料的耐沾污性不是最佳。氟树脂涂料,特别是聚四氟乙烯树脂涂料形成的涂层具有增油增水性能,不粘性能优异,清洗特别容易。其界面张力为1.85 10-2N m-1,接触角=118 ,是各种材料中最大的,因此很难被普通液体润湿,与其它物质的黏附性很低。

影响污渍对涂层附着的因素还有涂膜聚合物的交联键能和涂膜的Tg。由于隧道涂装需采用水性乳液涂料,它的成膜方法不是通过化学交联来实现,而是通过变形颗粒堆积聚结方式成膜,所以衡量它的抗污能力是考察涂膜的Tg,高耐污水性丙烯酸涂料的Tg达到59 ,涂膜受温度变化的影响小,涂膜硬度高,污渍粒子难于嵌附入膜。而通用水泥漆的Tg为28 ,涂膜较软,不能有效地阻止污渍的粘附和浸入。从材料经济性与抗污功能要求的综合考虑,高耐污水性丙烯酸涂料是可行的,由于氟、硅涂料价格较高,经济性还比不上高耐污水性丙烯酸涂料,但其抗污性能高于高耐污水性丙烯酸涂料,因此针对不同的隧道要从其经济性和功能性两方面来综合考虑。

6 结论

(1)污渍的物理特性:隧道污渍多呈粉粒状,吸附或粘附于隧道壁上。粗糙的表面上沉积的污渍较多,光滑平面处沉积量较少,且呈均匀分布。拱顶吸附量较少,颗粒较细,色泽较浅;侧壁吸附量较多,颗粒较粗,色泽较深。使用年限较长的隧道,单位面积上的污渍沉积量较大,色泽也较深,收集在一起呈粒状,会有较大的凝结物块存在。

(2)使用年限和地理位置相同的隧道,较长隧道的有机组分和土壤特征组分的含量明显偏高。长隧道内机动车尾气污染较严重和较差的通风效果可能是主要原因。

(3)对于长度相同的隧道,使用年限越长,其污渍的有机组分含量会越大,水溶性组分会逐渐反应,形成相对稳定的化合物。当然,区域环境的差异也会使污渍组分含量有所不同。

(4)污渍的有机组分来源相似,除了土壤粉尘中的有机质之外,机动车尾气具有极高的贡献率。隧道污渍中的水溶性组分来源与有机组分不同,其

(下转第113页)

102

公 路 交 通 技 术 2004年

当必须设置弃料场时,之前应进行软土处理。

(3)不宜在上游汇水面积过大的沟、谷设置弃料场

本条考虑的主要是上游来水量对弃料场挡渣、排水措施工程数量多少的影响和水土流失的影响。在上游汇水面积过大的沟、谷,上游来水量大,设置弃料场挡渣措施和排水措施工程数量大,且易造成弃料场严重的水土流失。

(4)弃料场不宜占用沟渠

当必须占用沟渠时,应对沟渠进行改道处理,并设置防冲刷措施。

(5)弃料场宜设的地理位置

弃料场宜设在凹地或沟、谷的顶部,也可设置在坡地、平地上,不宜设置在沟、谷的中、下部。

通过取、弃料场的调研及分析可知:凹地作为弃料场不仅可以最大限度地减少料场挡渣墙工程数量和弃渣引起的水土流失,且可以减少占地;当在沟、谷的顶部弃料时,可以减少挡渣墙工程数量、占地和水土流失;在沟、谷的中、下部弃料时,相对平地可以减少占地,但是可能影响行洪,挡渣墙需考虑洪水水压力的影响,工程数量大,同时一般水土流失较在沟、谷顶部大;坡地、平地设置弃料场可以通过挡渣措施减少水土流失,但挡渣工程数量一般较大。

4 结语

取、弃料场是公路工程一个重要的区域,也往往是公路建设中环境保护比较薄弱的地方。取、弃料场的环境保护包括设计、施工和营运3个阶段,本文对设计阶段取、弃料场选址的环保要求进行了探讨,相信将促进我国公路工程环保事业进一步的发展。

(上接第102页)

主要来自于道路扬尘和煤烟尘。土壤组分中SiO2主要来源于道路扬尘、矿尘、煤烟尘等多种污染源,而N和P主要是来自土壤扬尘。5种金属组分来源相同,可能来源于矿尘或冶金尘。

(5)隧道污渍中的各种组分均会影响隧道涂装的质量和使用寿命,其中,以金属组分最为突出。

(6)根据隧道的强污染环境,选择隧道内饰涂料要有针对性,要从经济性和功能性两方面综合考虑。高耐污水性丙烯酸涂料、氟、硅涂料都是较好的选择。

参考文献

[1] 汪 宏,王联果 道路建筑物表面污染机理分析及治

理对策[J].公路交通技术,2002,(1).

[2] 鲁 萍 锦州市区机动车尾气与空气污染相关性的探

讨[J].辽宁城乡环境科技,2001,21(6):43-44.

[3] 钟春敏,胡细全.内燃机代用燃料的废气排放探讨[J].

河北工业科技,2000,18(1):10-13.[4] 简颖涛,陈 才,叶兆贤,祁士华,吴建勋.广佛公路(盐

步段)两侧挥发性有机物(VOC)污染研究[J] 中国环境监测,2001,17(12)

[5] 唐永銮,刘攸弘,等.广州汽车尾气污染的动态规律及

对策研究[M].广州:中山大学出版社,1992.

[6] 邓顺熙,赵剑强,成 平.城市道路机动车排放总烃与

非甲烷烃的关系[J] 交通环保,1999,22(3):12-14. [7] 赵大伟.重庆地区大气干降尘化学组分及其在中和酸

雨酸度中的作用[A].西南地区酸雨研究论文集[C].

1991,13(5):33-36.

[8] 陈克军,等.重庆市大气TSP特征分析[J].重庆环境科

学,2003,25(4):43-45.

[9] 陈克军,等.重庆市降雨酸度影响因子分析[J] 矿物岩

石地球化学通报,2003,(4).

[10] 陈思龙,等 重庆大气颗粒物与酸性降水关系研究

[J] 重庆环境科学,1991,13(5):26-32.

[11] Ravishabkara, A.R.Heterogeneous and multip haxe chem-

istry in the troposphere.science.1997,276:1058.

[12] 史瑞和.土壤农化分析[M] 北京:农业出版社,1996.

[13] GB9266-88,建筑涂料涂层耐洗刷性的测定[S]

113

2004年 第4期 卢汝生,等:公路施工取弃料场选址的环保要求探讨