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)

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Nano-TiO2摻量對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)

為了評價Nano-TiO2添加到OGFC-13瀝青混合料中對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價系統(tǒng)，進(jìn)行了檢測評價. 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，而對瀝青混合料的路用性能影響較小. 相對AC-13而言，OGFC-13對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，同時也具有良好的環(huán)保及社會經(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摻量對汽車尾氣降解效果的評價和對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，分析評價不同Nano-TiO2摻量對汽車尾氣中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)行對比.

2 試驗(yàn)方法和評價指標(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)時檢測儀對氣體反應(yīng)室中的氣體每隔5 min進(jìn)行一次檢測，周期為60 min.

2.3 評價指標(biāo)

鑒于汽車尾氣中的NO等氣體在空氣中會自行降解反應(yīng)、模擬降解系統(tǒng)的氣密性、尾氣分析儀吸收等原因會對反應(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價降解效果，這是一個動態(tài)指標(biāo)，定義為t時刻不添加Nano-TiO2與添加Nano-TiO2時反應(yīng)室中濃度差值與t時刻不添加Nano-TiO2時氣體反應(yīng)室內(nèi)濃度的比值，計算公式如下：

(1)

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

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配及油石比見表1.

4 Nano-TiO2對OGFC-13的影響

4.1 Nano-TiO2添加量對降解效果的影響

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，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，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對瀝青混合料路用性能影響

為了評價將Nano-TiO2添加到瀝青混合料中代替50%礦粉對瀝青混合料的路用性能的影響， 對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 礦料級配類型對降解效果的影響

為了評價不同級配類型對于降解效果的影響，本研究采用開級配OGFC-13與密級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，相對于OGFC-13瀝青混合料，AC-13瀝青混合料對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)相對于AC-13瀝青混合料，在OGFC-13瀝青混合料中添加Nano-TiO2對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.

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[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