Nano-TiO2摻量對(duì)OGFC-13降解尾氣效果及路用性能影響

徐世法， 韓昊岳， 許 鷹, 柴林林, 段文志

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程技術(shù)中心， 北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 首都世界城市順暢交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100044；3.北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心, 北京 100000)

?

Nano-TiO2摻量對(duì)OGFC-13降解尾氣效果及路用性能影響

徐世法1， 韓昊岳1， 許 鷹2, 柴林林2, 段文志3

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程技術(shù)中心， 北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 首都世界城市順暢交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100044；3.北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心, 北京 100000)

為了評(píng)價(jià)Nano-TiO2添加到OGFC-13瀝青混合料中對(duì)汽車尾氣的降解效果及路用性能的影響，配制了Nano-TiO2摻量分別為30%、50%、70%(礦粉等體積代替比例)的OGFC-13瀝青混合料，利用所開發(fā)的尾氣降解效果模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)，進(jìn)行了檢測評(píng)價(jià). 結(jié)果表明，在OGFC-13中添加Nano-TiO2可降解尾氣中的NO、HC、CO等有害氣體，且降解效果隨Nano-TiO2添加量的增加而提高，而對(duì)瀝青混合料的路用性能影響較小. 相對(duì)AC-13而言，OGFC-13對(duì)尾氣降解效果更明顯. 綜合考慮經(jīng)濟(jì)與技術(shù)因素，推薦Nano-TiO2在OGFC-13中的摻量為50%.

OGFC瀝青混合料； Nano-TiO2摻量； 汽車尾氣； 降解效果； 路用性能

近年來，北京市空氣中的PM2.5濃度較高，影響著人們的生活質(zhì)量. 汽車尾氣成為大氣中PM2.5的主要來源之一，開展具有汽車尾氣降解功能的路面材料與技術(shù)研究，賦予道路降解空氣中PM2.5成分的功能， 對(duì)實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)2030年空氣中PM2.5濃度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義，同時(shí)也具有良好的環(huán)保及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.

Nano-TiO2為一種光催化材料可降解空氣中的有機(jī)物質(zhì)，其自身具有無毒、價(jià)格低廉等特點(diǎn). 近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者將Nano-TiO2添加到瀝青路面中，對(duì)其降解尾氣中的NO、HC和CO等進(jìn)行了一定的研究.

OGFC瀝青混合料具有抗滑排水減噪等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊. 但關(guān)于Nano-TiO2摻量對(duì)汽車尾氣降解效果的評(píng)價(jià)和對(duì)瀝青混合料路用性能影響的研究，國內(nèi)外較少.

本文將以O(shè)GFC-13為載體，分析評(píng)價(jià)不同Nano-TiO2摻量對(duì)汽車尾氣中NO、HC、CO等氣體降解效果和混合料路用性能的影響， 并與AC-13進(jìn)行對(duì)比.

2 試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 汽車尾氣降解模擬系統(tǒng)

本研究所研發(fā)的汽車尾氣降解模擬系統(tǒng)包括氣體反應(yīng)室和尾氣實(shí)時(shí)檢測儀.

2.1.1 氣體反應(yīng)室

氣體反應(yīng)室是自主研發(fā)的圓柱形無色透明有機(jī)玻璃密閉容器，該反應(yīng)室可以模擬不同光催化劑添加量及不同光照強(qiáng)度等條件，采用風(fēng)扇保證尾氣在氣體反應(yīng)室中的均勻性.

2.1.2 尾氣實(shí)時(shí)檢測儀

本試驗(yàn)所采用的儀器可以精確檢測CO、CO2、HC、NO、O2五種氣體的含量. 本研究主要采用該儀器檢測CO、HC和NO三種氣體.

2.1.3 尾氣來源

試驗(yàn)過程中，開啟發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，開啟氣體反應(yīng)室進(jìn)氣閥門，向反應(yīng)室鼓入發(fā)電機(jī)尾氣，通氣3 min后停止通入尾氣，關(guān)閉反應(yīng)室所有通氣閥.

2.2 測試方法

將制備好的含有Nano-TiO2的車轍板試件放到模擬尾氣測試系統(tǒng)后，密閉氣體反應(yīng)室；開動(dòng)發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，向氣體反應(yīng)室中通氣3 min；待氣體穩(wěn)定后，打開氣體反應(yīng)室中的紫外線燈管；采用尾氣實(shí)時(shí)檢測儀對(duì)氣體反應(yīng)室中的氣體每隔5 min進(jìn)行一次檢測，周期為60 min.

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

鑒于汽車尾氣中的NO等氣體在空氣中會(huì)自行降解反應(yīng)、模擬降解系統(tǒng)的氣密性、尾氣分析儀吸收等原因會(huì)對(duì)反應(yīng)室內(nèi)尾氣濃度造成一定的影響，采取不摻加Nano-TiO2的空白車轍板試件比對(duì)試驗(yàn)以降低以上因素的影響. 即通過實(shí)測摻加Nano-TiO2的車轍板試件降解率與空白試件降解率之差來表征實(shí)際降解效果.

本文采用降解率來評(píng)價(jià)降解效果，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，定義為t時(shí)刻不添加Nano-TiO2與添加Nano-TiO2時(shí)反應(yīng)室中濃度差值與t時(shí)刻不添加Nano-TiO2時(shí)氣體反應(yīng)室內(nèi)濃度的比值，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Pt為氣體t時(shí)刻降解率；Ct，空為t時(shí)刻不添加Nano-TiO2時(shí)氣體反應(yīng)室內(nèi)各氣體濃度；Ct，TiO2為t時(shí)刻添加Nano-TiO2時(shí)氣體反應(yīng)室內(nèi)各氣體濃度.

3 Nano-TiO2摻加方式及瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

將Nano-TiO2等體積代替礦粉添加到OGFC-13和AC-13兩種瀝青混合料中，Nano-TiO2添加量按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：mTiO2表示Nano-TiO2質(zhì)量(g)；m礦表示礦粉質(zhì)量(g)；ρTiO2表示Nano-TiO2密度，取4.26 g/cm3；ρ礦表示礦粉的密度，取2.681 g/cm3.

采用OGFC-13和AC-13兩種瀝青混合料作為Nano-TiO2的載體材料，兩種瀝青混合料的級(jí)配及油石比見表1.

4 Nano-TiO2對(duì)OGFC-13的影響

4.1 Nano-TiO2添加量對(duì)降解效果的影響

將Nano-TiO2分別等體積代替30%、50%和70%的礦粉添加到瀝青混合料中，CO、HC和NO三種氣體的降解率見圖1～圖3.

表1 瀝青混合料級(jí)配及油石比

可見，將Nano-TiO2等體積代替礦粉添加到瀝青混合料中，在光照條件下，可以降解尾氣中的NO、HC、CO三種氣體，且三種氣體的降解效率在一定范圍內(nèi)隨著TiO2的添加量增加而不斷增加，當(dāng)TiO2添加量在50%以上時(shí)，隨添加量的增加降解效率的增加逐漸變緩.

分析原因可知，由于Nano-TiO2光催化作用的必要條件為紫外光，將Nano-TiO2直接添加到混合料中，隨著Nano-TiO2摻量增加，Nano-TiO2與光觸面積不斷增加，降解效率隨之增加. 但混合料中的集料和瀝青結(jié)合料包裹在Nano-TiO2表面，且內(nèi)部與底部的Nano-TiO2無法與紫外線接觸，從而減小了Nano-TiO2的光觸面積，降低Nano-TiO2的光催化降解效果. 所以當(dāng)Nano-TiO2添加量在50%以上時(shí)，隨添加量的增加，降解效率的增加逐漸變緩.

綜合考慮降解效果和經(jīng)濟(jì)因素，推薦Nano-TiO2摻加量為50%.

4.2 Nano-TiO2對(duì)瀝青混合料路用性能影響

為了評(píng)價(jià)將Nano-TiO2添加到瀝青混合料中代替50%礦粉對(duì)瀝青混合料的路用性能的影響， 對(duì)OGFC-13瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水損害性能進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表2.

表2 OGFC-13瀝青混合料路用性能

可見，用Nano-TiO2代替50%礦粉，OGFC-13瀝青混合料的孔隙率略有減小，高溫抗車轍性能有所提高，其他性能變化較小 ，都滿足規(guī)范要求.

5 礦料級(jí)配類型對(duì)降解效果的影響

為了評(píng)價(jià)不同級(jí)配類型對(duì)于降解效果的影響，本研究采用開級(jí)配OGFC-13與密級(jí)AC-13并添加50%Nano-TiO2進(jìn)行檢測，其結(jié)果見圖4～圖7.

可見，采用Nano-TiO2代替50%的礦粉，相對(duì)于OGFC-13瀝青混合料，AC-13瀝青混合料對(duì)NO、HC、CO三種氣體的降解效率有所下降，其原因在于OGFC-13空隙率較大，使Nano-TiO2與紫外線的光觸面積增加，進(jìn)而使Nano-TiO2的光催化性能得以充分發(fā)揮.

6 結(jié)論

1)將Nano-TiO2等體積代替礦粉添加到OGFC-13瀝青混合料中，隨著Nano-TiO2添加量的增加對(duì)尾氣降解效率提高，當(dāng)添加量超過50%，隨添加量增加降解效率增加逐漸變緩，考慮經(jīng)濟(jì)和降解效果性因素，推薦Nano-TiO2摻量為50%.

2)相對(duì)于AC-13瀝青混合料，在OGFC-13瀝青混合料中添加Nano-TiO2對(duì)尾氣的降解效率較高，

分析其原因，OGFC-13空隙率較大，有利于Nano-TiO2光催化性能的發(fā)揮.

3)在瀝青混合料中添加Nano-TiO2， OGFC-13瀝青混合料的高溫性能有所提高，其他路用性能變化較小，且滿足規(guī)范要求.

4)由于Nano-TiO2光催化作用的必要條件是光照，因此，在瀝青混合料內(nèi)部的Nano-TiO2其光催化性能得不到充分發(fā)揮，勢必造成Nano-TiO2的浪費(fèi). 建議進(jìn)一步開展其它更有效地發(fā)揮Nano-TiO2催化功能的載體方式的研究，如涂覆或其他薄層等. 此外，摻加Nano-TiO2瀝青混合料的耐久性也需要進(jìn)一步研究.

[1] Fujishima A. Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode [J]. Nature, 1972, 238(7): 37-38

[2] Fujishima A. Hashimoto K. TiO2photoca- talysis fundamentals and applications [M]. BKC Inc, 1999: 65-77

[3] Fujishima A. Photocatalytic materials and applications [J]. Function and Materials, 2000, 20(1): 9-15

[4] NAKAMURAR,TANAKAT, NAKATOY. Mechanism for visible light responses in anodic photocurrents at N-doped TiO2film electrons [J]. The Journal of Physical Chemistry B,2004,108(30):10617-10620

[5] Hashimoto K, Irie H, Fujishima A. TiO2photo-catalysis: A historical overview and future prospects[J]. Jpn J Appl Phys, 2005, 44:8269-8285

[6] 孫立軍，徐海銘，李劍飛，等. Nano-TiO2處治汽車尾氣效果與應(yīng)用方法的研究[J]. 公路交通科技, 2011(4):153-158

[7] 譚憶秋,李洛克,魏鵬,等. 可降解汽車尾氣材料在瀝青路面中的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)[J].中國公路學(xué)報(bào),2010(6):21-27

[8] 錢春香,趙聯(lián)芳,付大放,等.路面材料負(fù)載Nano-TiO2光催化降解氮氧化物(英文)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2005(4):422-427

[9] 都雪靜,許洪國,關(guān)強(qiáng),等. 納米TiO2含量對(duì)汽車尾氣因子降解效能影響試驗(yàn)研究[J]. 公路交通科技,2007(10):155-158

[10] 張文剛,鄒雨芯,孫國慶,等.TiO2瀝青混合料光催化性能影響因素研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012(3):38-41，50

[責(zé)任編輯：佟啟巾]

Influence of Automobile Exhaust Degradation and Pavement Performance of Nano-TiO2Content in OGFC-13

Xu Shifa1, Han Haoyue1， Xu Ying2， Chai Linlin2， Duan Wenzhi3

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing Urban Transportation Infrastructure Engineering Technology Research Center，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044;2.School of Civil and Traffic Engineering，Capital World Metropolis Transportation Coordinate and Innovation Center，Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044;3.Urban Road Maintenance and Administration Center of Beijing, Beijing 100000)

OGFC-13 asphalt mixtures of different nano-titanium dioxide content (30%,50%,70% volume replacement of mineral powder ) were designed for the evaluation of effect of nano-titanium dioxide content on automobile exhaust degradation and the influence of road performance. A system evaluating the degradation effect was developed. The test results showed that NO, HC, CO and other harmful emission could be efficiently degraded by adding nano- titanium dioxide to the asphalt mixture. The automobile exhaust degradation increases with the amount of nano- titanium dioxide added, and nano-titanium dioxide has little influence on pavement performance. OGFC-13 has relatively better degradation effect when compared with AC-13. Finally, nano-titanium dioxide content of 50% replacement of mineral powder is recommended considering the economic and technical factors.

OGFC asphalt mixture; content of Nano-TiO2; automobile exhaust degradation； pavement performance

1004-6011(2016)03-0061-04

2016-06-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51078017)

徐世法(1963—)，男，教授，博士，研究方向：路面材料、道路工程.

U414; U416.2

A