林区公路沥青路面氮氧化物污染治理1)

任重昕 杨 林 白 浪

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (哈尔滨工业大学)

林区公路沥青路面氮氧化物污染治理1)

任重昕 杨 林 白 浪

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (哈尔滨工业大学)

用纳米TiO2的光催化特性，将其掺入到公路的沥青路面中，在太阳光中紫外线的照射下，与吸附到沥青道路表面的氮氧化物NOx发生光催化降解反应，研究了沥青混合料的高温稳定性能、水稳定性能；采用沥青路面材料仿真测试程序，进行沥青混合料吸收/降解汽车尾气的效果评价。结果表明：纳米TiO2颗粒以干掺工艺掺入沥青混合料后，混合料的动稳定度均有显著提高，各组沥青混合料的相对变形均呈现下降趋势；外掺20%的纳米TiO2后，沥青混合料可以得到较为理想的高温稳定性能和经济指标。纳米TiO2颗粒以干掺法和等掺法两种方式掺入沥青混合料后，其劈裂强度和冻融劈裂强度均较未掺入时明显降低，且随着纳米TiO2掺量的增加而不断下降。选用等掺法的工艺掺入，其对尾气的吸收/降解效果可达到NOx气体组分降解24%左右。同时，纳米TiO2掺量最优值为矿粉质量的20%～40%。

林区公路；污染治理；纳米TiO2；氮氧化物；光催化降解

我国林区面积小，森林覆盖率低，属于少林国家。据统计，东北和内蒙古林区共有森林面积3 590.09万hm2，占全国森林总面积的16.68%[1]。同时，上世纪80年代后期，我国的林区公路得到了迅速发展，汽车保有量迅猛增长，所产生的尾气排放量十分巨大。这些污染物不仅对公路沿线的动植物带来危害，而且对整个林区生态系统产生了严重的破坏[2]。

我国已建成的高速公路路面中，90%以上是半刚性基层沥青路面，其在今后仍将是路面结构的主要形式。机动车的尾气成分十分复杂，含多种化学物质，其中污染物的主要成分有CO、NOx(特别是NO和NO2)、SO2、碳氢化合物和碳烟微粒等[3-5]。NOx和CO对人体有较大的危害性，这类污染物能引起动物发生中毒反应，甚至致癌致死。SO2会引致酸雨的产生，严重危害林区树木的正常生长，严重的会造成森林成片枯萎死亡[6-8]。

本文针对机动车运行中产生的近地层流动污染源[9]，利用纳米TiO2光催化的特性，将其掺入到公路的沥青路面中，在太阳光中紫外线的照射下，与吸附到沥青道路表面的氮氧化物NOx发生光催化降解反应，以达到净化机动车尾气、改善空气质量、保护林区生态环境的目的。随着社会经济和文明的不断发展，环境保护思想越来越被人们所重视，在未来林区公路和城市道路的建设中，本文的光催化沥青路面结构会有广阔的应用前景。

1 材料与方法

沥青采用优质SBS改性沥青，针入度为55.0 mm、软化点为74.1 ℃、延度为29.5 cm、密度1.03 g/cm3；薄膜加热试验(163 ℃，5 h)后，质量损失率0.22%、针入度比84.6%、残留延度20.7 cm。

粗集料选用黑龙江省玉泉县出产的上面层优质玄武岩碎石，表面洁净、干燥、无风化和杂质。细集料选用石灰岩粉碎的机制砂，满足洁净、干燥、无杂质的工程要求。矿粉采用干燥、洁净的石灰石加工而得。纳米TiO2采用河南华荣环保科技有限公司生产的锐钛矿相纳米TiO2粉体材料，粒径为10～15 nm，具有较强的光催化活性，光吸收波长400～660 nm。

本研究根据掺加纳米TiO2方式和掺量的不同分为7组，其中的掺入方式分为外掺法(按比例额外加入相同质量的矿粉)和等掺法(按比例等量替代相同质量的矿粉)，见表1。

表1 纳米TiO2的掺加方式和掺量

本文研究的对象为沥青路面混合料，最大公称粒径为13 mm，矿料级配类型为开级配，可使掺入的纳米TiO2颗粒与沥青混合料的接触面积较大，与NOx等污染物充分反应。通过试配，本文确定的矿料级配如表2所示。

表2 试验用矿料级配(OGFC-13)

2 结果与分析

2.1 沥青混合料的高温稳定性能

按现行的试验标准进行沥青混合料高温稳定性能试验，旋转压实次数为50次，成型时温度控制在155～165 ℃，压实次数为12次往返。

将其在标准养护室内，养生48 h后，进行高温车辙试验，采用动稳定度指标和相对变形指标对沥青混合料高温稳定性能进行评价。各组沥青混合料的高温稳定性能试验结果见表3。

表3 各组沥青混合料的高温稳定性能试验结果

由表3可知，纳米TiO2颗粒以干掺工艺掺入沥青混合料后，混合料的动稳定度均有显著的提高，其中以外掺20%纳米TiO2颗粒的增长幅度最大，达到了848.0%。同时，可以发现两种掺加方式会对沥青混合料的动稳定度产生不同的影响：以干掺法掺入纳米TiO2颗粒时，动稳定度随着纳米颗粒掺量的增加而显著提高；而掺加方式选为等掺法时，其动稳定度随着纳米颗粒掺量的增加反而降低。

由表3可见，掺入纳米TiO2颗粒后，各组沥青混合料的相对变形均呈现下降的趋势。可以看出，以外掺法掺入10%和等掺法掺入20%的纳米TiO2，其相对变形的试验结果较为接近。综合考虑各种原材料的成本和林区公路沥青路面的路用性能，外掺20%的纳米TiO2后，沥青混合料可以得到较为理想的高温稳定性能和经济指标。

2.2 沥青混合料的水稳定性能

本文采用改进的洛特曼试验，进行沥青混合料水稳性能试验，以旋转压实方法成型，试件为直径10 cm的圆柱体试件。

试验条件：常温试件在25 ℃恒温水槽中浸水2 h后，测试最大破坏荷载。冻融试件在真空条件下饱水15 min，然后在常温下饱水30 min，置于-18 ℃的环境中16 h，而后在60 ℃的恒温水槽中浸水24 h。将两种环境中的试件以5 mm/min的速率，测试劈裂强度(见表4)。

表4 各组沥青混合料的水稳定性能试验结果

由表4可知，纳米TiO2颗粒以干掺法和等掺法两种方式掺入沥青混合料后，其劈裂强度和冻融劈裂强度均较未掺入时明显降低，且随着纳米TiO2掺量的增加而不断下降。两种掺加方式对沥青混合料的水稳定性能并无明显的影响。

2.3 沥青混合料吸收/降解汽车尾气的效果评价

本文采用沥青路面材料仿真测试程序，进行沥青混合料吸收/降解汽车尾气的效果评价。试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm。

试验的环境条件：汽车尾气连续作用30 min→阳光照射120 min→水淋15 min→暴露在空气中24 h；在阳光照射120 min前后，进行环境空气成分检测，采用NOx成分的降低百分比作为沥青混合料吸收/降解汽车尾气效果的评价指标。各组沥青混合料吸收/降解汽车尾气NOx的试验结果见表5。

表5 各组沥青混合料吸收/降解汽车尾气试验结果

由表5可知，在掺加方式为外掺法时，NOx气体组分的降解率随纳米TiO2掺量增加而显著增加。比较两种不同的掺加方式，等掺法的NOx的降解率明显高于外掺法的降解率，相差约15%，说明等掺法具有较大的优势。这是由于随着纳米TiO2掺量的不断增加，可以显著地提高沥青混合料的吸收/降解汽车尾气的效率，但掺量增加到一定程度后，即达到矿粉质量的40%以上时，NOx气体组分降解率的增速基本维持不变，说明纳米TiO2掺量在沥青混合料中存在最优值，该值为矿粉质量的20%～40%。

3 结论

纳米TiO2颗粒以干掺工艺掺入沥青混合料后，混合料的动稳定度均有显著提高。掺入纳米TiO2颗粒后，各组沥青混合料的相对变形均呈现下降的趋势。外掺20%的纳米TiO2后，沥青混合料可以得到较为理想的高温稳定性能和经济指标。

纳米TiO2颗粒以干掺法和等掺法两种方式掺入沥青混合料后，其劈裂强度和冻融劈裂强度均较未掺入时明显降低，且随着纳米TiO2掺量的增加而不断下降。

将纳米TiO2掺入沥青混合料中用以提高其对汽车尾气降解能力时，应选用等掺法的工艺掺入，其对尾气的吸收/降解效果可达到NOx气体组分降解24%左右。同时，纳米TiO2掺量在沥青混合料中存在最优值，该值为矿粉质量的20%～40%。

[1] Rao C S. Environmental pollution control engineering[M]. New Delhi： New Age International，2007.

[2] Chen M， Liu Y. NOxremoval from vehicle emissions by functionality surface of asphalt road [J]. Journal of Hazardous Materials，2010，174(1)：375-379.

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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”国家科技支撑项目(2012BAJ19B00)。

任重昕，女，1977年9月生，东北林业大学土木工程学院，工程师。E-mail:renfish2002@yeah.net。

2013年12月24日。

U421； U416.217

责任编辑：张 玉。