可降解汽车尾气的沥青混合料开发及工程应用

2021-05-10李威睿伍燕华董学乾徐世法

硅酸盐通报 2021年4期

李威睿，彭庚，伍燕华，董学乾，徐世法

(1.北京建筑大学，北京市城市交通基础设施工程技术中心,北京 100044；2.濮阳市公路管理局，河南 457000；3.濮阳市通达路桥工程监理有限公司，河南 457000；4.北京建筑大学，未来城市设计高精尖创新中心,北京 100044)

0 引言

随着我国汽车拥有量持续增加，汽车尾气中的二氧化硫、碳氧化物、氮氧化物等多种污染物已成为降低我国空气质量的主要因素之一。人们针对汽车尾气危害采取了多种措施，例如鼓励乘坐公共交通，调整汽车动力装置，改善燃油质量，净化发动机机外尾气等[1-4]。此外，在道路工程领域，研究人员利用光催化材料，开发了可降解汽车尾气中有害气体的环保型路面[5-6]。

关于光催化材料，国内外学者研究发现，光触媒催化剂在紫外光照射的条件下可以快速分解空气中的NOx、SO2等有害气体[7-9]，并且由于其降解产物具有亲水性及自清洁的特点，对环境不会再产生污染[10-11]。目前应用最广泛的光触媒催化剂是二氧化钛，因为其价格便宜、制备简单、无毒无害、化学稳定性好且催化性能强[12]。在21世纪初，荷兰、日本等国家为了净化道路周边的尾气，最先尝试将TiO2光催化材料应用于道路工程中[13-15]。但总体而言，目前国内外的相关研究大都还处于室内试验阶段，大规模应用于实体工程的案例较少。普通二氧化钛降解材料存在一些问题，如感光作用频段窄以及对有害气体的降解效率低；并且普通二氧化钛的团聚作用显著，其与沥青的相容性差，在通过高速剪切或微波震荡分散后，容易再次发生团聚[16-18]，不仅给施工带来不便，还明显降低施工后的降解效果。而通常的二氧化钛改性方法，成本太高，难以在道路工程领域大规模推广应用[19-20]。

针对上述问题，本文通过对二氧化钛改性得到纳米二氧化钛基光催化降解材料(WLSF-TiO2)，拓宽太阳光作用的波段来提高其对尾气中有害气体的降解率，将WLSF-TiO2添加到沥青混合料中并结合室内试验和工程应用对其降解效果以及对路用性能的影响进行评价。

1 实验

1.1 纳米二氧化钛基光催化降解材料

试验用纳米二氧化钛基光催化降解材料(WLSF-TiO2)呈白色粉末状，粒径不大于0.001 mm，比重不小于2.9 g/cm3。以三聚氰胺、尿素作为低成本氮源，采用溅射法、脉冲激光沉积法以及溶胶-凝胶法等方法制备氮掺杂复合改性纳米二氧化钛，可将太阳光的作用波段从小于387 nm拓宽至小于450 nm，提高了对汽车尾气的降解能力。

1.2 SBS改性沥青

选用北京市政路桥建材集团有限公司提供的热塑性丁苯橡胶(styrene-butadiene-styrene,SBS)改性沥青进行沥青混合料相关试验及试验路铺筑，SBS改性沥青主要技术指标见表1。

表1 SBS改性沥青主要技术指标

1.3 集料

试验用集料产自河北省涞水县，粗集料为石灰岩，细集料为机制砂，矿粉由石灰岩磨制，其性能满足《公路工程集料试验规程》(JTG/E 42—2005)[21]中的技术规定，性能参数分别见表2、表3、表4。

表2 粗集料性能参数

表3 细集料性能参数

表4 矿粉性能参数

1.4 配合比设计

按照超薄磨耗层级配范围要求进行级配设计，混合料设计级配见表5，级配曲线见图1。

表5 混合料设计级配

图1 超薄磨耗层级配曲线

依据混合料设计级配下各档矿料的组合情况及前期试验基础，确定沥青用量为4.8%(质量分数)，采用旋转压实仪成型试件，旋转压实仪的压力为600 kPa，旋转压实次数为100次，SBS改性沥青超薄磨耗层混合料性能指标见表6，其中VMA为沥青混合料试件的矿料间隙率，VFA为沥青混合料试件的有效沥青饱和度。

表6 SBS改性沥青超薄磨耗层混合料性能指标

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 可降解汽车尾气的沥青混合料降解效果评价及路用性能

2.1 可降解汽车尾气的沥青混合料的制备

制备可降解汽车尾气的沥青混合料的过程如下：(1)将按级配称量好的集料(170 ℃保温5 h)倒入拌和锅(170 ℃保温1 h)中干拌90 s；(2)将称量好的SBS改性沥青(163 ℃)加入拌和锅搅拌90 s；(3)将矿粉和一定比例的WLSF-TiO2添加至拌合锅中搅拌90 s，即制备完成。

2.2 室内汽车尾气降解效果评价方法

采用课题组自主研发的汽车尾气降解系统对WLSF-TiO2降解汽车尾气效果进行评价，该系统包括气体来源系统、气体反应室和实时气体浓度检测系统[22]，实物图如图2所示。

图2 课题组自主研发的汽车尾气降解系统实物图

试验采用额定功率为5 kW的本田EC6500CX汽油发动机作为气体来源系统提供尾气，发动机运行5 min后可达到稳定状态，即可接入盛有沥青混合料试件(添加或不添加光触媒材料)的气体反应室收集尾气，收集时间为90 s，气体反应室采用光强约24 W/m2的紫外灯管模拟自然光照射。通过FGA-4100型汽车尾气分析仪作为气体浓度检测系统实时检测气体反应室中各气体浓度随时间的变化，分析可降解汽车尾气沥青混合料对主要污染物(NOx、碳氢化合物(HC)、CO)的降解效果。

汽车尾气降解效果评价指标由有害气体平均降解率(Y)确定，计算公式见式(1)。

Y=(A-B)/A

(1)

式中：Y为有害气体平均降解率；A为未添加降解材料气体浓度；B为添加降解材料气体浓度。

2.3 不同种类、掺量的光降解材料对室内尾气降解效果评价

在课题组前期室内试验的基础上，拟定添加混合料质量分数分别为0.2%、0.3%、0.4%的WLSF-TiO2和混合料质量分数分别为0.3%、0.4%、0.5%的普通二氧化钛光降解材料制备可降解汽车尾气的超薄磨耗层沥青混合料试件。

通过与未添加降解材料的试件比较，评价不同种类、掺量的可降解汽车尾气的超薄磨耗层沥青混合料试件对尾气中NOx、HC和CO三种气体的光催化降解效果。不同种类、掺量的光降解材料对汽车尾气中有害气体降解效果见图3。由图3(a)分析可知，随着WLSF-TiO2掺量的增加，NOx、HC、CO三种气体的平均降解率逐渐提高。当添加量高于0.3%后，三种气体的平均降解率增长速度明显变缓，即WLSF-TiO2掺量为0.4%时三种有害气体平均降解率在掺量为0.3%的基础上分别仅增加了0.09%、0.39%、0.25%。因此，综合降解效果和经济性因素，建议WLSF-TiO2掺量以混合料质量分数的0.3%为宜。分析图3(b)可知，随着普通二氧化钛光降解材料掺量的增加，NOx、HC、CO三种气体的平均降解率逐渐提高。当添加量高于0.4%后，三种气体的平均降解率增长速度明显变缓，因此考虑经济性因素，建议普通二氧化钛光降解材料用量为0.4%。

通过对比分析添加0.4%普通二氧化钛光降解材料与添加0.3%WLSF-TiO2对汽车尾气中NOx、HC、CO三种主要有害气体的平均降解率，来评价不同种类的光降解材料对室内尾气降解效果。不同降解材料对NOx、HC、CO三种气体平均降解率的影响见表7。

分析表7可知，添加了0.4%普通二氧化钛的沥青混合料对NOx、HC和CO三种主要有害气体的降解率分别为9.98%、7.46%和12.15%，而添加了0.3%WLSF-TiO2的沥青混合料对三种主要有害气体的降解率分别达到了13.86%、10.25%和16.24%，对比发现复合改性二氧化钛基降解材料比普通二氧化钛光降解材料对三种主要有害气体的降解效果分别提高了38.87%、37.40%和33.66%。这是由于普通纳米二氧化钛颗粒感光作用波段窄，WLSF-TiO2将普通纳米二氧化钛的感光作用频段由小于387 nm拓宽至小于450 nm，所以在相同紫外光强度条件下，WLSF-TiO2具有更高的光催化活性，因此添加WLSF-TiO2的沥青混合料相比添加普通二氧化钛的沥青混合料对尾气降解效果更好。

综上，表明添加0.3% WLSF-TiO2的沥青混合料对三种主要有害气体的降解率较添加了0.4%普通二氧化钛的沥青混合料提高30%以上。

图3 不同种类、掺量的降解材料对有害气体降解率的影响

表7 不同降解材料对NOx、HC、CO三种气体的平均降解率

2.4 路用性能评价

分别制备未添加降解材料、添加0.4%普通二氧化钛和添加0.3%WLSF-TiO2的沥青混合料试件，并进行马歇尔稳定度、高温车辙、冻融劈裂以及低温弯曲试验，以此来评价可降解汽车尾气沥青混合料的路用性能。三种沥青混合料路用性能指标见表8。

表8 三种沥青混合料路用性能指标

对比表8三种沥青混合料的动稳定度、马歇尔稳定度、残留马歇尔稳定度比、冻融劈裂强度比以及低温弯曲破坏应变五个指标，发现未添加降解材料的沥青混合料各项指标数值均最大，添加0.3%WLSF-TiO2的沥青混合料次之，添加0.4%普通二氧化钛的沥青混合料最小，但都满足规范要求。相对于未添加降解材料的沥青混合料，添加0.3%WLSF-TiO2的沥青混合料比添加0.4%普通二氧化钛的沥青混合料动稳定度、马歇尔稳定度、残留稳定度比、冻融劈裂强度比以及低温弯曲破坏应变等指标分别提高了2.94%、4.43%、0.91%、0.58%和2.99%。可见，添加0.3%的WLSF-TiO2相对于添加0.4%的普通二氧化钛降解材料，对沥青混合料的高低温及疲劳性能影响更小。

3 实体工程验证

2019年8月1日在北京市景山前街预防性养护工程中应用可降解汽车尾气沥青混合料(添加0.3%的WLSF-TiO2)铺筑了长150 m、厚度为20 mm的可降解汽车尾气沥青路面，见图4。并对该路面的抗滑性能、渗水系数以及平整度进行了检测，结果见表9。2019年8月1日至10日同时期对铺筑了汽车尾气降解超薄层的景山前街和相邻未使用降解材料的五四大街路段进行了汽车有害尾气浓度的检测与对比，现场检测照片见图5，检测结果见表10。

由表9可知，可降解汽车尾气沥青混凝土路面的抗滑性能、渗水系数以及平整度良好，添加0.3%的WLSF-TiO2材料对路面的路用性能影响不大，满足规范的技术要求。

从表10可看出，未使用降解材料的五四大街路段NOx、HC、CO的浓度分别为0.068 mg/m3、0.135 mg/m3、4.312 mg/m3；铺筑了汽车尾气降解超薄层的景山前街NOx、HC、CO浓度分别为0.059 mg/m3、0.118 mg/m3、3.756 mg/m3；铺筑了汽车尾气降解超薄层的景山前街对NOx、HC、CO的平均降解率分别为13.23%、12.59%、12.89%。结果表明，铺筑了汽车尾气复合改性降解超薄层的景山前街对路幅范围内汽车尾气中主要污染物的降解效果达到10%以上。