Nano-TiO2掺量对OGFC-13降解尾气效果及路用性能影响

徐世法， 韩昊岳， 许 鹰, 柴林林, 段文志

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院 北京市城市交通基础设施建设工程技术中心， 北京 100044；2.北京建筑大学 土木与交通工程学院 首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京 100044；3.北京市城市道路养护管理中心, 北京 100000)



Nano-TiO2掺量对OGFC-13降解尾气效果及路用性能影响

徐世法1， 韩昊岳1， 许 鹰2, 柴林林2, 段文志3

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院 北京市城市交通基础设施建设工程技术中心， 北京 100044；2.北京建筑大学 土木与交通工程学院 首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京 100044；3.北京市城市道路养护管理中心, 北京 100000)

为了评价Nano-TiO2添加到OGFC-13沥青混合料中对汽车尾气的降解效果及路用性能的影响，配制了Nano-TiO2掺量分别为30%、50%、70%(矿粉等体积代替比例)的OGFC-13沥青混合料，利用所开发的尾气降解效果模拟评价系统，进行了检测评价. 结果表明，在OGFC-13中添加Nano-TiO2可降解尾气中的NO、HC、CO等有害气体，且降解效果随Nano-TiO2添加量的增加而提高，而对沥青混合料的路用性能影响较小. 相对AC-13而言，OGFC-13对尾气降解效果更明显. 综合考虑经济与技术因素，推荐Nano-TiO2在OGFC-13中的掺量为50%.

OGFC沥青混合料； Nano-TiO2掺量； 汽车尾气； 降解效果； 路用性能

近年来，北京市空气中的PM2.5浓度较高，影响着人们的生活质量. 汽车尾气成为大气中PM2.5的主要来源之一，开展具有汽车尾气降解功能的路面材料与技术研究，赋予道路降解空气中PM2.5成分的功能， 对实现京津冀地区2030年空气中PM2.5浓度达到国家标准具有重要意义，同时也具有良好的环保及社会经济效益.

Nano-TiO2为一种光催化材料可降解空气中的有机物质，其自身具有无毒、价格低廉等特点. 近年来，国内外许多学者将Nano-TiO2添加到沥青路面中，对其降解尾气中的NO、HC和CO等进行了一定的研究.

OGFC沥青混合料具有抗滑排水减噪等优点，应用前景广阔. 但关于Nano-TiO2掺量对汽车尾气降解效果的评价和对沥青混合料路用性能影响的研究，国内外较少.

本文将以OGFC-13为载体，分析评价不同Nano-TiO2掺量对汽车尾气中NO、HC、CO等气体降解效果和混合料路用性能的影响， 并与AC-13进行对比.

2 试验方法和评价指标

2.1 汽车尾气降解模拟系统

本研究所研发的汽车尾气降解模拟系统包括气体反应室和尾气实时检测仪.

2.1.1 气体反应室

气体反应室是自主研发的圆柱形无色透明有机玻璃密闭容器，该反应室可以模拟不同光催化剂添加量及不同光照强度等条件，采用风扇保证尾气在气体反应室中的均匀性.

2.1.2 尾气实时检测仪

本试验所采用的仪器可以精确检测CO、CO2、HC、NO、O2五种气体的含量. 本研究主要采用该仪器检测CO、HC和NO三种气体.

2.1.3 尾气来源

试验过程中，开启发电机，当发电机运行稳定后，开启气体反应室进气阀门，向反应室鼓入发电机尾气，通气3 min后停止通入尾气，关闭反应室所有通气阀.

2.2 测试方法

将制备好的含有Nano-TiO2的车辙板试件放到模拟尾气测试系统后，密闭气体反应室；开动发电机，当发电机运转稳定后，向气体反应室中通气3 min；待气体稳定后，打开气体反应室中的紫外线灯管；采用尾气实时检测仪对气体反应室中的气体每隔5 min进行一次检测，周期为60 min.

2.3 评价指标

鉴于汽车尾气中的NO等气体在空气中会自行降解反应、模拟降解系统的气密性、尾气分析仪吸收等原因会对反应室内尾气浓度造成一定的影响，采取不掺加Nano-TiO2的空白车辙板试件比对试验以降低以上因素的影响. 即通过实测掺加Nano-TiO2的车辙板试件降解率与空白试件降解率之差来表征实际降解效果.

本文采用降解率来评价降解效果，这是一个动态指标，定义为t时刻不添加Nano-TiO2与添加Nano-TiO2时反应室中浓度差值与t时刻不添加Nano-TiO2时气体反应室内浓度的比值，计算公式如下：

(1)

式中：Pt为气体t时刻降解率；Ct，空为t时刻不添加Nano-TiO2时气体反应室内各气体浓度；Ct，TiO2为t时刻添加Nano-TiO2时气体反应室内各气体浓度.

3 Nano-TiO2掺加方式及沥青混合料配合比设计

将Nano-TiO2等体积代替矿粉添加到OGFC-13和AC-13两种沥青混合料中，Nano-TiO2添加量按式(2)计算：

(2)

式中：mTiO2表示Nano-TiO2质量(g)；m矿表示矿粉质量(g)；ρTiO2表示Nano-TiO2密度，取4.26 g/cm3；ρ矿表示矿粉的密度，取2.681 g/cm3.

采用OGFC-13和AC-13两种沥青混合料作为Nano-TiO2的载体材料，两种沥青混合料的级配及油石比见表1.

4 Nano-TiO2对OGFC-13的影响

4.1 Nano-TiO2添加量对降解效果的影响

将Nano-TiO2分别等体积代替30%、50%和70%的矿粉添加到沥青混合料中，CO、HC和NO三种气体的降解率见图1～图3.

表1 沥青混合料级配及油石比

可见，将Nano-TiO2等体积代替矿粉添加到沥青混合料中，在光照条件下，可以降解尾气中的NO、HC、CO三种气体，且三种气体的降解效率在一定范围内随着TiO2的添加量增加而不断增加，当TiO2添加量在50%以上时，随添加量的增加降解效率的增加逐渐变缓.

分析原因可知，由于Nano-TiO2光催化作用的必要条件为紫外光，将Nano-TiO2直接添加到混合料中，随着Nano-TiO2掺量增加，Nano-TiO2与光触面积不断增加，降解效率随之增加. 但混合料中的集料和沥青结合料包裹在Nano-TiO2表面，且内部与底部的Nano-TiO2无法与紫外线接触，从而减小了Nano-TiO2的光触面积，降低Nano-TiO2的光催化降解效果. 所以当Nano-TiO2添加量在50%以上时，随添加量的增加，降解效率的增加逐渐变缓.

综合考虑降解效果和经济因素，推荐Nano-TiO2掺加量为50%.

4.2 Nano-TiO2对沥青混合料路用性能影响

为了评价将Nano-TiO2添加到沥青混合料中代替50%矿粉对沥青混合料的路用性能的影响， 对OGFC-13沥青混合料的高温性能、低温性能和水损害性能进行了检测，结果见表2.

表2 OGFC-13沥青混合料路用性能

可见，用Nano-TiO2代替50%矿粉，OGFC-13沥青混合料的孔隙率略有减小，高温抗车辙性能有所提高，其他性能变化较小 ，都满足规范要求.

5 矿料级配类型对降解效果的影响

为了评价不同级配类型对于降解效果的影响，本研究采用开级配OGFC-13与密级AC-13并添加50%Nano-TiO2进行检测，其结果见图4～图7.

可见，采用Nano-TiO2代替50%的矿粉，相对于OGFC-13沥青混合料，AC-13沥青混合料对NO、HC、CO三种气体的降解效率有所下降，其原因在于OGFC-13空隙率较大，使Nano-TiO2与紫外线的光触面积增加，进而使Nano-TiO2的光催化性能得以充分发挥.

6 结论

1)将Nano-TiO2等体积代替矿粉添加到OGFC-13沥青混合料中，随着Nano-TiO2添加量的增加对尾气降解效率提高，当添加量超过50%，随添加量增加降解效率增加逐渐变缓，考虑经济和降解效果性因素，推荐Nano-TiO2掺量为50%.

2)相对于AC-13沥青混合料，在OGFC-13沥青混合料中添加Nano-TiO2对尾气的降解效率较高，

分析其原因，OGFC-13空隙率较大，有利于Nano-TiO2光催化性能的发挥.

3)在沥青混合料中添加Nano-TiO2， OGFC-13沥青混合料的高温性能有所提高，其他路用性能变化较小，且满足规范要求.

4)由于Nano-TiO2光催化作用的必要条件是光照，因此，在沥青混合料内部的Nano-TiO2其光催化性能得不到充分发挥，势必造成Nano-TiO2的浪费. 建议进一步开展其它更有效地发挥Nano-TiO2催化功能的载体方式的研究，如涂覆或其他薄层等. 此外，掺加Nano-TiO2沥青混合料的耐久性也需要进一步研究.

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[责任编辑：佟启巾]

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

国家自然科学基金项目(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

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