林區(qū)公路瀝青路面氮氧化物污染治理1)

任重昕 楊 林 白 浪

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (哈爾濱工業(yè)大學(xué))

林區(qū)公路瀝青路面氮氧化物污染治理1)

任重昕 楊 林 白 浪

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (哈爾濱工業(yè)大學(xué))

用納米TiO2的光催化特性，將其摻入到公路的瀝青路面中，在太陽光中紫外線的照射下，與吸附到瀝青道路表面的氮氧化物NOx發(fā)生光催化降解反應(yīng)，研究了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能；采用瀝青路面材料仿真測(cè)試程序，進(jìn)行瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣的效果評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：納米TiO2顆粒以干摻工藝摻入瀝青混合料后，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有顯著提高，各組瀝青混合料的相對(duì)變形均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；外摻20%的納米TiO2后，瀝青混合料可以得到較為理想的高溫穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。納米TiO2顆粒以干摻法和等摻法兩種方式摻入瀝青混合料后，其劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度均較未摻入時(shí)明顯降低，且隨著納米TiO2摻量的增加而不斷下降。選用等摻法的工藝摻入，其對(duì)尾氣的吸收/降解效果可達(dá)到NOx氣體組分降解24%左右。同時(shí)，納米TiO2摻量最優(yōu)值為礦粉質(zhì)量的20%～40%。

林區(qū)公路；污染治理；納米TiO2；氮氧化物；光催化降解

我國林區(qū)面積小，森林覆蓋率低，屬于少林國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，東北和內(nèi)蒙古林區(qū)共有森林面積3 590.09萬hm2，占全國森林總面積的16.68%[1]。同時(shí)，上世紀(jì)80年代后期，我國的林區(qū)公路得到了迅速發(fā)展，汽車保有量迅猛增長，所產(chǎn)生的尾氣排放量十分巨大。這些污染物不僅對(duì)公路沿線的動(dòng)植物帶來危害，而且對(duì)整個(gè)林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞[2]。

我國已建成的高速公路路面中，90%以上是半剛性基層瀝青路面，其在今后仍將是路面結(jié)構(gòu)的主要形式。機(jī)動(dòng)車的尾氣成分十分復(fù)雜，含多種化學(xué)物質(zhì)，其中污染物的主要成分有CO、NOx(特別是NO和NO2)、SO2、碳?xì)浠衔锖吞紵熚⒘５萚3-5]。NOx和CO對(duì)人體有較大的危害性，這類污染物能引起動(dòng)物發(fā)生中毒反應(yīng)，甚至致癌致死。SO2會(huì)引致酸雨的產(chǎn)生，嚴(yán)重危害林區(qū)樹木的正常生長，嚴(yán)重的會(huì)造成森林成片枯萎死亡[6-8]。

本文針對(duì)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行中產(chǎn)生的近地層流動(dòng)污染源[9]，利用納米TiO2光催化的特性，將其摻入到公路的瀝青路面中，在太陽光中紫外線的照射下，與吸附到瀝青道路表面的氮氧化物NOx發(fā)生光催化降解反應(yīng)，以達(dá)到凈化機(jī)動(dòng)車尾氣、改善空氣質(zhì)量、保護(hù)林區(qū)生態(tài)環(huán)境的目的。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和文明的不斷發(fā)展，環(huán)境保護(hù)思想越來越被人們所重視，在未來林區(qū)公路和城市道路的建設(shè)中，本文的光催化瀝青路面結(jié)構(gòu)會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

瀝青采用優(yōu)質(zhì)SBS改性瀝青，針入度為55.0 mm、軟化點(diǎn)為74.1 ℃、延度為29.5 cm、密度1.03 g/cm3；薄膜加熱試驗(yàn)(163 ℃，5 h)后，質(zhì)量損失率0.22%、針入度比84.6%、殘留延度20.7 cm。

粗集料選用黑龍江省玉泉縣出產(chǎn)的上面層優(yōu)質(zhì)玄武巖碎石，表面潔凈、干燥、無風(fēng)化和雜質(zhì)。細(xì)集料選用石灰?guī)r粉碎的機(jī)制砂，滿足潔凈、干燥、無雜質(zhì)的工程要求。礦粉采用干燥、潔凈的石灰石加工而得。納米TiO2采用河南華榮環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的銳鈦礦相納米TiO2粉體材料，粒徑為10～15 nm，具有較強(qiáng)的光催化活性，光吸收波長400～660 nm。

本研究根據(jù)摻加納米TiO2方式和摻量的不同分為7組，其中的摻入方式分為外摻法(按比例額外加入相同質(zhì)量的礦粉)和等摻法(按比例等量替代相同質(zhì)量的礦粉)，見表1。

表1 納米TiO2的摻加方式和摻量

本文研究的對(duì)象為瀝青路面混合料，最大公稱粒徑為13 mm，礦料級(jí)配類型為開級(jí)配，可使摻入的納米TiO2顆粒與瀝青混合料的接觸面積較大，與NOx等污染物充分反應(yīng)。通過試配，本文確定的礦料級(jí)配如表2所示。

表2 試驗(yàn)用礦料級(jí)配(OGFC-13)

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能

按現(xiàn)行的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為50次，成型時(shí)溫度控制在155～165 ℃，壓實(shí)次數(shù)為12次往返。

將其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)生48 h后，進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)和相對(duì)變形指標(biāo)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。各組瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 各組瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，納米TiO2顆粒以干摻工藝摻入瀝青混合料后，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有顯著的提高，其中以外摻20%納米TiO2顆粒的增長幅度最大，達(dá)到了848.0%。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)兩種摻加方式會(huì)對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度產(chǎn)生不同的影響：以干摻法摻入納米TiO2顆粒時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度隨著納米顆粒摻量的增加而顯著提高；而摻加方式選為等摻法時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度隨著納米顆粒摻量的增加反而降低。

由表3可見，摻入納米TiO2顆粒后，各組瀝青混合料的相對(duì)變形均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)?？梢钥闯?，以外摻法摻入10%和等摻法摻入20%的納米TiO2，其相對(duì)變形的試驗(yàn)結(jié)果較為接近。綜合考慮各種原材料的成本和林區(qū)公路瀝青路面的路用性能，外摻20%的納米TiO2后，瀝青混合料可以得到較為理想的高溫穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.2 瀝青混合料的水穩(wěn)定性能

本文采用改進(jìn)的洛特曼試驗(yàn)，進(jìn)行瀝青混合料水穩(wěn)性能試驗(yàn)，以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型，試件為直徑10 cm的圓柱體試件。

試驗(yàn)條件：常溫試件在25 ℃恒溫水槽中浸水2 h后，測(cè)試最大破壞荷載。凍融試件在真空條件下飽水15 min，然后在常溫下飽水30 min，置于-18 ℃的環(huán)境中16 h，而后在60 ℃的恒溫水槽中浸水24 h。將兩種環(huán)境中的試件以5 mm/min的速率，測(cè)試劈裂強(qiáng)度(見表4)。

表4 各組瀝青混合料的水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，納米TiO2顆粒以干摻法和等摻法兩種方式摻入瀝青混合料后，其劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度均較未摻入時(shí)明顯降低，且隨著納米TiO2摻量的增加而不斷下降。兩種摻加方式對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能并無明顯的影響。

2.3 瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣的效果評(píng)價(jià)

本文采用瀝青路面材料仿真測(cè)試程序，進(jìn)行瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣的效果評(píng)價(jià)。試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm。

試驗(yàn)的環(huán)境條件：汽車尾氣連續(xù)作用30 min→陽光照射120 min→水淋15 min→暴露在空氣中24 h；在陽光照射120 min前后，進(jìn)行環(huán)境空氣成分檢測(cè)，采用NOx成分的降低百分比作為瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。各組瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣NOx的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 各組瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，在摻加方式為外摻法時(shí)，NOx氣體組分的降解率隨納米TiO2摻量增加而顯著增加。比較兩種不同的摻加方式，等摻法的NOx的降解率明顯高于外摻法的降解率，相差約15%，說明等摻法具有較大的優(yōu)勢(shì)。這是由于隨著納米TiO2摻量的不斷增加，可以顯著地提高瀝青混合料的吸收/降解汽車尾氣的效率，但摻量增加到一定程度后，即達(dá)到礦粉質(zhì)量的40%以上時(shí)，NOx氣體組分降解率的增速基本維持不變，說明納米TiO2摻量在瀝青混合料中存在最優(yōu)值，該值為礦粉質(zhì)量的20%～40%。

3 結(jié)論

納米TiO2顆粒以干摻工藝摻入瀝青混合料后，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有顯著提高。摻入納米TiO2顆粒后，各組瀝青混合料的相對(duì)變形均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。外摻20%的納米TiO2后，瀝青混合料可以得到較為理想的高溫穩(wěn)定性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

納米TiO2顆粒以干摻法和等摻法兩種方式摻入瀝青混合料后，其劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度均較未摻入時(shí)明顯降低，且隨著納米TiO2摻量的增加而不斷下降。

將納米TiO2摻入瀝青混合料中用以提高其對(duì)汽車尾氣降解能力時(shí)，應(yīng)選用等摻法的工藝摻入，其對(duì)尾氣的吸收/降解效果可達(dá)到NOx氣體組分降解24%左右。同時(shí)，納米TiO2摻量在瀝青混合料中存在最優(yōu)值，該值為礦粉質(zhì)量的20%～40%。

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Pollution Control of NOxon Asphalt Pavement in the Forest Region Highway/

Ren Zhongxin, Yang Lin

(Northeast Forestry of University, Harbin 150040, P. R. China); Bai Lang(Harbin Institute of Technology)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-111～113

We used the photo catalytic properties of nano-TiO2to generate the photo catalytic degradation reactions with NOxon the UV irradiation, and studied the stability in high temperature and water environment. We used the asphalt pavement simulation program to estimate the degradation of exhaust from the automobiles. The dynamics stability of asphalt mixture has a significant increase after nano-TiO2mixed by the dry method. On the mixture of 20% nano-TiO2, the asphalt mixture can get a better stability in high temperature and economic indicators. The cleavage strength and freeze-thaw splitting strength are all decreased as the mixture of nano-TiO2is increased after mixed by the dry and equal method. The ratio of degradation to the exhaust from the automobiles can reach to 24% after the nano-TiO2mixed by equal method. The optical mixture of nano-TiO2in the asphalt mixture is 20% to 40% by weight.

Forest region highway; Pollution control; Nano-TiO2, NOx; Photo catalytic degradation

1) “十二五”國家科技支撐項(xiàng)目(2012BAJ19B00)。

任重昕，女，1977年9月生，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，工程師。E-mail:renfish2002@yeah.net。

2013年12月24日。

U421； U416.217

責(zé)任編輯：張 玉。