可降解汽車(chē)尾氣的瀝青混合料開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用

李威睿，彭 庚，伍燕華，董學(xué)乾，徐世法

(1.北京建筑大學(xué)，北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)中心,北京 100044；2.濮陽(yáng)市公路管理局，河南 457000；3.濮陽(yáng)市通達(dá)路橋工程監(jiān)理有限公司，河南 457000；4.北京建筑大學(xué)，未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心,北京 100044)

0 引 言

隨著我國(guó)汽車(chē)擁有量持續(xù)增加，汽車(chē)尾氣中的二氧化硫、碳氧化物、氮氧化物等多種污染物已成為降低我國(guó)空氣質(zhì)量的主要因素之一。人們針對(duì)汽車(chē)尾氣危害采取了多種措施，例如鼓勵(lì)乘坐公共交通，調(diào)整汽車(chē)動(dòng)力裝置，改善燃油質(zhì)量，凈化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外尾氣等[1-4]。此外，在道路工程領(lǐng)域，研究人員利用光催化材料，開(kāi)發(fā)了可降解汽車(chē)尾氣中有害氣體的環(huán)保型路面[5-6]。

關(guān)于光催化材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，光觸媒催化劑在紫外光照射的條件下可以快速分解空氣中的NOx、SO2等有害氣體[7-9]，并且由于其降解產(chǎn)物具有親水性及自清潔的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境不會(huì)再產(chǎn)生污染[10-11]。目前應(yīng)用最廣泛的光觸媒催化劑是二氧化鈦，因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、制備簡(jiǎn)單、無(wú)毒無(wú)害、化學(xué)穩(wěn)定性好且催化性能強(qiáng)[12]。在21世紀(jì)初，荷蘭、日本等國(guó)家為了凈化道路周邊的尾氣，最先嘗試將TiO2光催化材料應(yīng)用于道路工程中[13-15]。但總體而言，目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究大都還處于室內(nèi)試驗(yàn)階段，大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)體工程的案例較少。普通二氧化鈦降解材料存在一些問(wèn)題，如感光作用頻段窄以及對(duì)有害氣體的降解效率低；并且普通二氧化鈦的團(tuán)聚作用顯著，其與瀝青的相容性差，在通過(guò)高速剪切或微波震蕩分散后，容易再次發(fā)生團(tuán)聚[16-18]，不僅給施工帶來(lái)不便，還明顯降低施工后的降解效果。而通常的二氧化鈦改性方法，成本太高，難以在道路工程領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用[19-20]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)二氧化鈦改性得到納米二氧化鈦基光催化降解材料(WLSF-TiO2)，拓寬太陽(yáng)光作用的波段來(lái)提高其對(duì)尾氣中有害氣體的降解率，將WLSF-TiO2添加到瀝青混合料中并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和工程應(yīng)用對(duì)其降解效果以及對(duì)路用性能的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 納米二氧化鈦基光催化降解材料

試驗(yàn)用納米二氧化鈦基光催化降解材料(WLSF-TiO2)呈白色粉末狀，粒徑不大于0.001 mm，比重不小于2.9 g/cm3。以三聚氰胺、尿素作為低成本氮源，采用濺射法、脈沖激光沉積法以及溶膠-凝膠法等方法制備氮摻雜復(fù)合改性納米二氧化鈦，可將太陽(yáng)光的作用波段從小于387 nm拓寬至小于450 nm，提高了對(duì)汽車(chē)尾氣的降解能力。

1.2 SBS改性瀝青

選用北京市政路橋建材集團(tuán)有限公司提供的熱塑性丁苯橡膠(styrene-butadiene-styrene,SBS)改性瀝青進(jìn)行瀝青混合料相關(guān)試驗(yàn)及試驗(yàn)路鋪筑，SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 集 料

試驗(yàn)用集料產(chǎn)自河北省淶水縣，粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為機(jī)制砂，礦粉由石灰?guī)r磨制，其性能滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/E 42—2005)[21]中的技術(shù)規(guī)定，性能參數(shù)分別見(jiàn)表2、表3、表4。

表2 粗集料性能參數(shù)

表3 細(xì)集料性能參數(shù)

表4 礦粉性能參數(shù)

1.4 配合比設(shè)計(jì)

按照超薄磨耗層級(jí)配范圍要求進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，混合料設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表5，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

表5 混合料設(shè)計(jì)級(jí)配

圖1 超薄磨耗層級(jí)配曲線

依據(jù)混合料設(shè)計(jì)級(jí)配下各檔礦料的組合情況及前期試驗(yàn)基礎(chǔ)，確定瀝青用量為4.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的壓力為600 kPa，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100次，SBS改性瀝青超薄磨耗層混合料性能指標(biāo)見(jiàn)表6，其中VMA為瀝青混合料試件的礦料間隙率，VFA為瀝青混合料試件的有效瀝青飽和度。

表6 SBS改性瀝青超薄磨耗層混合料性能指標(biāo)

Note: The gross bulk density of the specimen is calculated by volume method. It is suggested that the voidage of the ultra-thin wearing course should be greater than 10%, and the voidage of the mixture should be adjusted accordingly with the size of the voidage.

2 可降解汽車(chē)尾氣的瀝青混合料降解效果評(píng)價(jià)及路用性能

2.1 可降解汽車(chē)尾氣的瀝青混合料的制備

制備可降解汽車(chē)尾氣的瀝青混合料的過(guò)程如下：(1)將按級(jí)配稱量好的集料(170 ℃保溫5 h)倒入拌和鍋(170 ℃保溫1 h)中干拌90 s；(2)將稱量好的SBS改性瀝青(163 ℃)加入拌和鍋攪拌90 s；(3)將礦粉和一定比例的WLSF-TiO2添加至拌合鍋中攪拌90 s，即制備完成。

2.2 室內(nèi)汽車(chē)尾氣降解效果評(píng)價(jià)方法

采用課題組自主研發(fā)的汽車(chē)尾氣降解系統(tǒng)對(duì)WLSF-TiO2降解汽車(chē)尾氣效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，該系統(tǒng)包括氣體來(lái)源系統(tǒng)、氣體反應(yīng)室和實(shí)時(shí)氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)[22]，實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 課題組自主研發(fā)的汽車(chē)尾氣降解系統(tǒng)實(shí)物圖

試驗(yàn)采用額定功率為5 kW的本田EC6500CX汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為氣體來(lái)源系統(tǒng)提供尾氣，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行5 min后可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即可接入盛有瀝青混合料試件(添加或不添加光觸媒材料)的氣體反應(yīng)室收集尾氣，收集時(shí)間為90 s，氣體反應(yīng)室采用光強(qiáng)約24 W/m2的紫外燈管模擬自然光照射。通過(guò)FGA-4100型汽車(chē)尾氣分析儀作為氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體反應(yīng)室中各氣體濃度隨時(shí)間的變化，分析可降解汽車(chē)尾氣瀝青混合料對(duì)主要污染物(NOx、碳?xì)浠衔?HC)、CO)的降解效果。

汽車(chē)尾氣降解效果評(píng)價(jià)指標(biāo)由有害氣體平均降解率(Y)確定，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

Y=(A-B)/A

(1)

式中：Y為有害氣體平均降解率；A為未添加降解材料氣體濃度；B為添加降解材料氣體濃度。

2.3 不同種類、摻量的光降解材料對(duì)室內(nèi)尾氣降解效果評(píng)價(jià)

在課題組前期室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，擬定添加混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.3%、0.4%的WLSF-TiO2和混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、0.4%、0.5%的普通二氧化鈦光降解材料制備可降解汽車(chē)尾氣的超薄磨耗層瀝青混合料試件。

通過(guò)與未添加降解材料的試件比較，評(píng)價(jià)不同種類、摻量的可降解汽車(chē)尾氣的超薄磨耗層瀝青混合料試件對(duì)尾氣中NOx、HC和CO三種氣體的光催化降解效果。不同種類、摻量的光降解材料對(duì)汽車(chē)尾氣中有害氣體降解效果見(jiàn)圖3。由圖3(a)分析可知，隨著WLSF-TiO2摻量的增加，NOx、HC、CO三種氣體的平均降解率逐漸提高。當(dāng)添加量高于0.3%后，三種氣體的平均降解率增長(zhǎng)速度明顯變緩，即WLSF-TiO2摻量為0.4%時(shí)三種有害氣體平均降解率在摻量為0.3%的基礎(chǔ)上分別僅增加了0.09%、0.39%、0.25%。因此，綜合降解效果和經(jīng)濟(jì)性因素，建議WLSF-TiO2摻量以混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.3%為宜。分析圖3(b)可知，隨著普通二氧化鈦光降解材料摻量的增加，NOx、HC、CO三種氣體的平均降解率逐漸提高。當(dāng)添加量高于0.4%后，三種氣體的平均降解率增長(zhǎng)速度明顯變緩，因此考慮經(jīng)濟(jì)性因素，建議普通二氧化鈦光降解材料用量為0.4%。

通過(guò)對(duì)比分析添加0.4%普通二氧化鈦光降解材料與添加0.3%WLSF-TiO2對(duì)汽車(chē)尾氣中NOx、HC、CO三種主要有害氣體的平均降解率，來(lái)評(píng)價(jià)不同種類的光降解材料對(duì)室內(nèi)尾氣降解效果。不同降解材料對(duì)NOx、HC、CO三種氣體平均降解率的影響見(jiàn)表7。

分析表7可知，添加了0.4%普通二氧化鈦的瀝青混合料對(duì)NOx、HC和CO三種主要有害氣體的降解率分別為9.98%、7.46%和12.15%，而添加了0.3%WLSF-TiO2的瀝青混合料對(duì)三種主要有害氣體的降解率分別達(dá)到了13.86%、10.25%和16.24%，對(duì)比發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性二氧化鈦基降解材料比普通二氧化鈦光降解材料對(duì)三種主要有害氣體的降解效果分別提高了38.87%、37.40%和33.66%。這是由于普通納米二氧化鈦顆粒感光作用波段窄，WLSF-TiO2將普通納米二氧化鈦的感光作用頻段由小于387 nm拓寬至小于450 nm，所以在相同紫外光強(qiáng)度條件下，WLSF-TiO2具有更高的光催化活性，因此添加WLSF-TiO2的瀝青混合料相比添加普通二氧化鈦的瀝青混合料對(duì)尾氣降解效果更好。

綜上，表明添加0.3% WLSF-TiO2的瀝青混合料對(duì)三種主要有害氣體的降解率較添加了0.4%普通二氧化鈦的瀝青混合料提高30%以上。

圖3 不同種類、摻量的降解材料對(duì)有害氣體降解率的影響

表7 不同降解材料對(duì)NOx、HC、CO三種氣體的平均降解率

2.4 路用性能評(píng)價(jià)

分別制備未添加降解材料、添加0.4%普通二氧化鈦和添加0.3%WLSF-TiO2的瀝青混合料試件，并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度、高溫車(chē)轍、凍融劈裂以及低溫彎曲試驗(yàn)，以此來(lái)評(píng)價(jià)可降解汽車(chē)尾氣瀝青混合料的路用性能。三種瀝青混合料路用性能指標(biāo)見(jiàn)表8。

表8 三種瀝青混合料路用性能指標(biāo)

對(duì)比表8三種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、馬歇爾穩(wěn)定度、殘留馬歇爾穩(wěn)定度比、凍融劈裂強(qiáng)度比以及低溫彎曲破壞應(yīng)變五個(gè)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)未添加降解材料的瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均最大，添加0.3%WLSF-TiO2的瀝青混合料次之，添加0.4%普通二氧化鈦的瀝青混合料最小，但都滿足規(guī)范要求。相對(duì)于未添加降解材料的瀝青混合料，添加0.3%WLSF-TiO2的瀝青混合料比添加0.4%普通二氧化鈦的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度、馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度比、凍融劈裂強(qiáng)度比以及低溫彎曲破壞應(yīng)變等指標(biāo)分別提高了2.94%、4.43%、0.91%、0.58%和2.99%?？梢?jiàn)，添加0.3%的WLSF-TiO2相對(duì)于添加0.4%的普通二氧化鈦降解材料，對(duì)瀝青混合料的高低溫及疲勞性能影響更小。

3 實(shí)體工程驗(yàn)證

2019年8月1日在北京市景山前街預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程中應(yīng)用可降解汽車(chē)尾氣瀝青混合料(添加0.3%的WLSF-TiO2)鋪筑了長(zhǎng)150 m、厚度為20 mm的可降解汽車(chē)尾氣瀝青路面，見(jiàn)圖4。并對(duì)該路面的抗滑性能、滲水系數(shù)以及平整度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表9。2019年8月1日至10日同時(shí)期對(duì)鋪筑了汽車(chē)尾氣降解超薄層的景山前街和相鄰未使用降解材料的五四大街路段進(jìn)行了汽車(chē)有害尾氣濃度的檢測(cè)與對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片見(jiàn)圖5，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表10。

由表9可知，可降解汽車(chē)尾氣瀝青混凝土路面的抗滑性能、滲水系數(shù)以及平整度良好，添加0.3%的WLSF-TiO2材料對(duì)路面的路用性能影響不大，滿足規(guī)范的技術(shù)要求。

從表10可看出，未使用降解材料的五四大街路段NOx、HC、CO的濃度分別為0.068 mg/m3、0.135 mg/m3、4.312 mg/m3；鋪筑了汽車(chē)尾氣降解超薄層的景山前街NOx、HC、CO濃度分別為0.059 mg/m3、0.118 mg/m3、3.756 mg/m3；鋪筑了汽車(chē)尾氣降解超薄層的景山前街對(duì)NOx、HC、CO的平均降解率分別為13.23%、12.59%、12.89%。結(jié)果表明，鋪筑了汽車(chē)尾氣復(fù)合改性降解超薄層的景山前街對(duì)路幅范圍內(nèi)汽車(chē)尾氣中主要污染物的降解效果達(dá)到10%以上。

圖4 可降解汽車(chē)尾氣瀝青路面

圖5 汽車(chē)尾氣濃度檢測(cè)

表9 實(shí)體工程檢測(cè)結(jié)果

表10 汽車(chē)尾氣濃度檢測(cè)與對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)兩種二氧化鈦光降解材料對(duì)汽車(chē)尾氣中主要污染物NOx、HC、CO均有降解效果，且WLSF-TiO2降解效果最優(yōu)。綜合降解效果、經(jīng)濟(jì)性和路用性能方面考慮，確定普通二氧化鈦光降解材料最佳摻量為混合料質(zhì)量的0.4%、WLSF-TiO2為0.3%。

(2)添加0.3%WLSF-TiO2的瀝青混合料對(duì)三種主要有害氣體NOx、HC、CO的降解效果較添加了0.4%普通二氧化鈦的瀝青混合料提高30%以上，且對(duì)瀝青混合料的高低溫及疲勞性能影響更小。

(3)經(jīng)過(guò)北京景山前街鋪筑的可降解汽車(chē)尾氣瀝青混凝土路面的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)添加0.3%的WLSF-TiO2對(duì)路面的抗滑性能、滲水系數(shù)以及平整度影響不大，路用性能滿足規(guī)范要求；試驗(yàn)段對(duì)汽車(chē)尾氣中主要污染物的降解效果達(dá)到10%以上。