一種具有分解汽車尾氣功能的雙層OGFC路面

吳世濤，陳峙昂，劉黎萍，黃　璞（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

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一種具有分解汽車尾氣功能的雙層OGFC路面

吳世濤，陳峙昂，劉黎萍，黃璞
（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

摘要：應(yīng)用雙層OGFC路面結(jié)構(gòu)，將納米二氧化鈦以拌合的方式添加到雙層結(jié)構(gòu)的上層。通過試驗(yàn)測試了雙層OGFC路面的動(dòng)穩(wěn)定度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，對比了添加納米二氧化鈦的雙層OGFC和單層OGFC路面的降解尾氣的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙層OGFC路面具有較好的使用性能；減薄添加納米二氧化鈦的瀝青層厚度，對尾氣降解功能的影響不顯著。添加納米二氧化鈦的雙層OGFC路面具有排水、尾氣吸收的功能，研究結(jié)果可用于降低城市交通引發(fā)的大氣污染，鋪筑環(huán)境友好型路面。

關(guān)鍵詞：雙層OGFC路面；納米二氧化鈦；尾氣吸收

汽車尾氣已經(jīng)成為城市空氣的主要污染源之，尾氣中含有的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠铮℉C）、氮氧化物（NOx，以NO為主）會(huì)對人體的健康造成直接危害。納米二氧化鈦在紫外線的作用下，可以將大多數(shù)的有機(jī)物催化降解為H2O和CO2，將無機(jī)污染物降解為相應(yīng)的無機(jī)離子等無害物質(zhì)［1-2］。孫立軍、徐海銘等［3-5］研究了納米二氧化鈦的涂覆和拌合的不同添加方式，并進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，表明拌合添加到瀝青混合料中的方法，具有較好的降解尾氣的效果，也具有較好的耐久性；OGFC級配空隙率大，光與有害物質(zhì)可以深入混合料內(nèi)部，有助于納米二氧化鈦催化分解有害氣體。譚憶秋等［6］的研究結(jié)果表明表面光催化涂層對路面的抗滑性有較大影響，涂層的耐久性受環(huán)境溫度的影響；而以摻入方式添加的到路面材料后，具有較好的降解尾氣的效果［6］。孫立軍、魏鵬等［3，7］分別研發(fā)了尾氣降解氣體反應(yīng)室，孫立軍課題組研發(fā)的分解尾氣測試系統(tǒng)可以得到穩(wěn)定的溫度環(huán)境，并提供室內(nèi)紫外線源，相比之下更為先進(jìn)。

汽車行駛時(shí)產(chǎn)生噪音主要由輪胎與路面的摩擦以及車體與空氣的動(dòng)力作用這兩部分組成。車輛在高速行駛時(shí)輪胎——路面噪聲將成為交通噪聲的主要部分。OGFC面層的多空隙結(jié)構(gòu)能夠有效降低輪胎——路面之間的噪聲，降低效果可以達(dá)到5 dB以上［8-9］。研究表明，在OGFC面層厚度處在一定范圍內(nèi)時(shí)，面層降噪效果與面層厚度存在正相關(guān)的關(guān)系［9-10］，通常使用的OGFC面層厚度為5 cm。

納米二氧化鈦材料價(jià)格昂貴，按照徐海銘［5］提出的將納米二氧化鈦以混合料質(zhì)量0.39％的含量拌合到5 cm厚OGFC面層中的方案測算，會(huì)導(dǎo)致道路工程的造價(jià)增加一倍。為了降低造價(jià)需要降低添加納米二氧化鈦的瀝青面層的厚度，而為了保證OGFC路面的降噪性能，又需要保證OGFC面層厚度。本研究應(yīng)用了雙層OGFC的路面結(jié)構(gòu)，上層為小粒徑OGFC-10瀝青混合料，下層采用大粒徑的OGFC-16混合料。雙層OGFC結(jié)構(gòu)的上層以直接拌合的方式添加納米二氧化鈦材料，下層OGFC用以保證路面的降噪功能。但是雙層OGFC結(jié)構(gòu)的降解尾氣的效果和使用性能仍然需要研究論證。

2　試件準(zhǔn)備

2.1瀝青混合料試驗(yàn)

OGFC-10的目標(biāo)空隙率定為20％，OGFC-16的目標(biāo)空隙率定為18％。由于特定的空隙率要求，因此需要按照馬歇爾設(shè)計(jì)法進(jìn)行級配設(shè)計(jì)。在“公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范”給出的級配范圍內(nèi)，取中線、中線兩側(cè)各2組級配，共5組級配來成型馬歇爾試件，分別測試空隙率［11］。去掉空隙率過大或者過小的級配，并微調(diào)級配曲線，得到OGFC-10和OGFC-16最接近于目標(biāo)空隙率的級配曲線，如圖1、圖2所示。

圖1　OGFC-10瀝青混合料級配曲線Fig.1 OGFC-10 asphalt mixture gradation curve

圖2　OGFC-16瀝青混合料級配曲線Fig.2 OGFC-16 asphalt mixture gradation curve

2.2瀝青用量的確定

試驗(yàn)使用SBS改性瀝青。對每一組初選的礦料級配，按“公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范”［11］給出的集料的表面積計(jì)算方式和瀝青膜厚度計(jì)算方式，得到每一組瀝青混合料的初試瀝青用量，從而得到初試油石比。由初試油石比兩側(cè)各選2個(gè)油石比，共5組進(jìn)行飛散試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及控制范圍來選擇最佳油石比，并對最佳油石比進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。最終，確定OGFC-10的最佳油石比為4.4％，OGFC-16的最佳油石比為4.3％。

表1　最佳油石比驗(yàn)證Tab.1 Verification of optimal asphalt content

2.3試件制作成型

采用碾壓成型機(jī)來成型板件。瀝青混合料的拌和溫度為175℃，壓實(shí)溫度為150℃。試驗(yàn)組是添加TiO2雙層OGFC結(jié)構(gòu)，由于采用了兩種混合料，按照分開拌合一次成型的方式制成，混合料用量在表2中列出。試驗(yàn)組中的TiO2以0.39％的含量添加在上層。對照組為5 cm厚的單層OGFC-10結(jié)構(gòu)，同樣以0.39％的含量添加TiO2。另對試驗(yàn)組和對照組分別設(shè)空白組，不添加TiO2，其他條件相同。

表2　試驗(yàn)組單個(gè)試件混合料用量表Tab.2 Mixture quantity of single specimen for experimental group

3　降解汽車尾氣功能試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)儀器

1）試驗(yàn)采用FGA-4100（5 G）型汽車尾氣分析儀，檢測汽車尾氣中各類排放物的濃度，包括碳?xì)浠衔铮℉C，主要是丙烷）、一氧化碳、氮氧化物（NO，主要是一氧化氮）；

2）UV-A型紫外輻照計(jì)，用來測量365 nm的紫外線強(qiáng)度值；石英玻璃容器，具有良好的光學(xué)性能，可以透過90％左右的紫外線；

3）2瓶配置的汽車尾氣，組分的含量同標(biāo)準(zhǔn)汽車尾氣含量相同，1號瓶HC含量為3 000 PPmol、CO含量6％，2號瓶NO含量3 000 PPmol；

4）紫外燈光源箱，提供穩(wěn)定的紫外線輻射強(qiáng)度，并控制了試驗(yàn)溫度，為室內(nèi)試驗(yàn)的定量研究做準(zhǔn)備。

3.2試驗(yàn)步驟

1）將不同要求成型的試塊置于石英玻璃容器底部。

2）蓋上石英容器，將尾氣分析儀取樣端固定于容器內(nèi)，并確保容器處于密閉狀態(tài)。通入一定量的汽車尾氣，記錄下容器內(nèi)各氣體濃度的初始值。

3）根據(jù)試驗(yàn)需要，將裝有納米二氧化鈦和汽車尾氣的石英容器置于紫外線燈光源下，并用紫外輻照計(jì)測量紫外線輻照強(qiáng)度值。

4）每隔5 min記錄容器中各氣體濃度值，持續(xù)60 min，以觀測短期分解效果。

在測量氣體含量時(shí)，汽車尾氣分析儀會(huì)從箱體中抽取一部分氣體，而添加等量的空氣進(jìn)入箱體，所以測量本身會(huì)對箱體內(nèi)的氣體含量造成影響；并且尾氣本身會(huì)和氧氣發(fā)生反應(yīng)（NO最顯著），因此每組試驗(yàn)都設(shè)不添加納米二氧化鈦的空白組，其他試驗(yàn)條件都相同。對于每一次試驗(yàn)石英容器的內(nèi)的初始?xì)怏w含量始終保持相同，各組分的含量見表3所示。

表3　反應(yīng)箱初始?xì)怏w含量Tab.3 Initial gas content of reaction box

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1路用性能

分別測試了上層添加納米二氧化鈦的雙層OGFC、未添加納米二氧化鈦的雙層OGFC、不添加納米二氧化鈦的AC面層的動(dòng)穩(wěn)定度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度，每組設(shè)3個(gè)試件，具體的試驗(yàn)過程不再贅述，測試結(jié)果如表4所示。

表4　路用性能測試結(jié)果Tab.4 Test results of pavement performance

雙層OGFC結(jié)構(gòu)的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了9 500次·mm-1以上，略低于AC面層，遠(yuǎn)大于路用的要求值。雙層OGFC結(jié)構(gòu)具有較好的高溫抗車轍能力。

在滲水試驗(yàn)中雙層OGFC試塊的底部和邊緣都有大量的水滲出，雙層結(jié)構(gòu)形成了發(fā)達(dá)的連通孔隙；OGFC-10和OGFC-16的交接面上也存在充分的連通孔隙；滲水系數(shù)達(dá)到960 ml·min-1，雙層OGFC結(jié)構(gòu)有較好的排水性能。

對比添加二氧化鈦和未添加的雙層OGFC面層的動(dòng)穩(wěn)定度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)以及構(gòu)造深度，兩者之間的差異性很小，說明添加二氧化鈦對結(jié)構(gòu)本身的影響很小。

4.2降解汽車尾氣

在結(jié)果分析計(jì)算中，將試驗(yàn)組和對照組測得的濃度值減去該時(shí)刻空白組的值，用此方法來消除其他因素的影響，所以試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)反映出納米二氧化鈦降解尾氣的效果。計(jì)算方法如下所示。

其中：f為累計(jì)分解百分率；m0為反應(yīng)箱初始?xì)怏w含量，試驗(yàn)中相同；m1i為試驗(yàn)組或?qū)φ战Mi時(shí)刻氣體含量；m2i為空白組i時(shí)刻氣體含量。

將尾氣降解試驗(yàn)分析結(jié)果整理到圖3、圖4、圖5中，添加二氧化鈦的雙層OGFC結(jié)構(gòu)在紫外線作用下，對CO、HC、NO都有顯著的分解效果。對比添加納米二氧化鈦雙層OGFC和添加納米二氧化鈦單層OGFC，發(fā)現(xiàn)對于3種主要尾氣成分兩者之間的變化趨勢基本相一致，差異不顯著。分解速度前期較快，后期較平緩，這是由于前期尾氣含量較高，當(dāng)含量下降后分解速度變緩慢。說明減薄含納米二氧化鈦的OGFC面層厚度不會(huì)對尾氣的分解效果造成顯著影響。

圖3　CO分解效果對比Fig.3 Comparison of decomposition effect of CO

圖4　HC分解效果對比Fig.4 Comparison of decomposition effect of HC

圖5　NO分解效果對比Fig.5 Comparison of decomposition effect of NO

5　結(jié)論與展望

通過以上的試驗(yàn)研究可以得出以下結(jié)論。

1）雙層OGFC路面的具有較好的抗滑性能、高溫抗車轍能力和排水性能，添加納米二氧化鈦之后性能沒有降低。

2）上層添加納米二氧化鈦的雙層OGFC路面具有較好的降解尾氣的效果，降低了拌合納米二氧化鈦的瀝青層厚度，減少了納米二氧化鈦的使用量約40％，提高了納米二氧化鈦的利用效率，降低了成本。

3）添加納米二氧化鈦的雙層OGFC路面具有排水、降噪、分解汽車尾氣的功能，是一種行車舒適、環(huán)境友好的路面，在城市中使用可以帶來較大的社會(huì)效益。

添加納米二氧化鈦的OGFC的面層厚度仍然存在繼續(xù)探討的地方，由于試驗(yàn)條件的限制，雙層OGFC面層的降噪功能并沒有通過試驗(yàn)測試；在有條件的情況下應(yīng)鋪設(shè)試驗(yàn)路來實(shí)測納米二氧化鈦雙層OGFC路面的尾氣降解效果和使用性能。

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（責(zé)任編輯王建華）

Double-layer OGFC Pavement with the Function of Automobile Exhaust Decomposition

Wu Shitao，Chen Zhiang，Liu Liping，Huang Pu
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract：This study presents a double-layer OGFC asphalt pavement structure，in which titanium dioxide was added in top layer in mixing way. Dynamic stability，permeability coefficient，friction coefficient and the texture depth were tested through pilot testing. The comparison of gas exhaustion efficiency of the double-layer OGFC and single-layer OGFC was conducted. Tests showed that the double-layer OGFC asphalt pavement had excellent road performance and reducing the thickness of asphalt containing nanometer titanium dioxide didn’t affect the exhaust decomposition. Double-layer OGFC asphalt pavement with nanometer titanium is good at water drainage and exhaust decomposition. The results can be used to reduce the air pollution caused by urban traffic and construct environmentally-friendly pavements.

Key words：double-layer OGFC；nanometer titanium dioxide；exhaust decomposition

中圖分類號：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）02-0022-05

收稿日期：2015－09-29

基金項(xiàng)目：國家國際科技合作項(xiàng)目（2010DFB83490）；上海市科技項(xiàng)目（10dz1200402）

作者簡介：吳世濤（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭?/p>

通訊作者：劉黎萍（1968—），女，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)闉r青路面結(jié)構(gòu)與材料。