任重昕 楊 林 白 浪

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040) (哈爾濱工業(yè)大學)

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，哈爾濱，150040) (哈爾濱工業(yè)大學)

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，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試程序，進行瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣的效果評價。結果表明：納米TiO2顆粒以干摻工藝摻入瀝青混合料后，混合料的動穩(wěn)定度均有顯著提高，各組瀝青混合料的相對變形均呈現(xiàn)下降趨勢；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)濟指標。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，其劈裂強度和凍融劈裂強度均較未摻入時明顯降低，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，其對尾氣的吸收/降解效果可達到NOx氣體組分降解24%左右。同時，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，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，上世紀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。這些污染物不僅對公路沿線的動植物帶來危害，而且對整個林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴重的破壞[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構的主要形式。機動車的尾氣成分十分復雜，含多種化學物質(zhì)，其中污染物的主要成分有CO、NOx(特別是NO和NO2)、SO2、碳氫化合物和碳煙微粒等[3-5]。NOx和CO對人體有較大的危害性，這類污染物能引起動物發(fā)生中毒反應，甚至致癌致死。SO2會引致酸雨的產(chǎn)生，嚴重危害林區(qū)樹木的正常生長，嚴重的會造成森林成片枯萎死亡[6-8]。

本文針對機動車運行中產(chǎn)生的近地層流動污染源[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，以達到凈化機動車尾氣、改善空氣質(zhì)量、保護林區(qū)生態(tài)環(huán)境的目的。隨著社會經(jīng)濟和文明的不斷發(fā)展，環(huán)境保護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中，本文的光催化瀝青路面結構會有廣闊的應用前景。

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、軟化點為74.1 ℃、延度為29.5 cm、密度1.03 g/cm3；薄膜加熱試驗(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、無風化和雜質(zhì)。細集料選用石灰?guī)r粉碎的機制砂，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

本文研究的對象為瀝青路面混合料，最大公稱粒徑為13 mm，礦料級配類型為開級配，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。通過試配，本文確定的礦料級配如表2所示。

表2 試驗用礦料級配(OGFC-13)

2 結果與分析

2.1 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能

按現(xiàn)行的試驗標準進行瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能試驗，旋轉壓實次數(shù)為50次，成型時溫度控制在155～165 ℃，壓實次數(shù)為12次往返。

將其在標準養(yǎng)護室內(nèi)，養(yǎng)生48 h后，進行高溫車轍試驗，采用動穩(wěn)定度指標和相對變形指標對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能進行評價。各組瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能試驗結果見表3。

表3 各組瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能試驗結果

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，達到了848.0%。同時，可以發(fā)現(xiàn)兩種摻加方式會對瀝青混合料的動穩(wěn)定度產(chǎn)生不同的影響：以干摻法摻入納米TiO2顆粒時，動穩(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，其動穩(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變形均呈現(xiàn)下降的趨勢?？梢钥闯觯酝鈸椒〒饺?0%和等摻法摻入20%的納米TiO2，其相對變形的試驗結果較為接近。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)濟指標。

2.2 瀝青混合料的水穩(wěn)定性能

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

試驗條件：常溫試件在25 ℃恒溫水槽中浸水2 h后，測試最大破壞荷載。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，測試劈裂強度(見表4)。

表4 各組瀝青混合料的水穩(wěn)定性能試驗結果

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，其劈裂強度和凍融劈裂強度均較未摻入時明顯降低，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價

本文采用瀝青路面材料仿真測試程序，進行瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣的效果評價。試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm。

試驗的環(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，進行環(huán)境空氣成分檢測，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價指標。各組瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣NOx的試驗結果見表5。

表5 各組瀝青混合料吸收/降解汽車尾氣試驗結果

由表5可知，在摻加方式為外摻法時，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。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，即達到礦粉質(zhì)量的40%以上時，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 結論

納米TiO2顆粒以干摻工藝摻入瀝青混合料后，混合料的動穩(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變形均呈現(xiàn)下降的趨勢。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)濟指標。

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，其劈裂強度和凍融劈裂強度均較未摻入時明顯降低，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汽車尾氣降解能力時，應選用等摻法的工藝摻入，其對尾氣的吸收/降解效果可達到NOx氣體組分降解24%左右。同時，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”國家科技支撐項目(2012BAJ19B00)。

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

2013年12月24日。

U421； U416.217

責任編輯：張 玉。