纳米二氧化钛雾封层技术及其在工程中的应用

李思童，李书飞,王 超,段文志,刘 涛

（1.北京建筑大学，北京市 100044；2.北京市城市道路养护管理中心，北京市 100000）

0 引言

随着我国交通基础设施的不断建设，汽车保有量不断增加，汽车尾气污染逐渐成为社会关注的焦点。TiO2作为一种光触媒材料，可以有效降解尾气中的CO，HC和NO等有害气体[1-3]，所以将TiO2应用于沥青路面光催化降解汽车尾气成为近年来的研究热点。

现阶段，TiO2光触媒材料在沥青混合料中的应用方式主要为掺入式和表处式[4]。掺入式将TiO2作为填料，替代部分矿粉，掺入沥青混合料中，以实现对有害气体的降解。但掺入式的TiO2用量较大，并且只有位于沥青混合料表面的TiO2颗粒可以满足光照条件，具有光催化降解效果，绝大部分TiO2颗粒不能起到光催化作用。一些研究表明：在同等降解效能下，掺入式TiO2用量为表处式的数十倍[5]，由此可见掺入式并不是一种经济的掺加方式。表处式将TiO2与水或粘结剂配制成催化剂溶液，喷涂在沥青路面表面，以达到降解汽车尾气中有害气体的目的。Marwa Hassan通过室内试验发现：TiO2水溶液（体积比2%）在最佳喷涂量0.05 L/m2条件下，可降解31%～55%的NOx和4%～20%的SO2[6]，可见表处式同样具有很高的催化降解效率，且TiO2用量相对较少。David Osborn通过试验路验证发现：TiO2水溶液的降解效果在第一个月降低明显，十个月左右完全丧失。他认为水溶液方式耐久性差的主要原因为TiO2颗粒与沥青路面粘附能力不足[7]。由此可见，表处式降解效果较好，且用量较少，经济性较强，具有推广应用的优势，但其粘结剂的选择至关重要，只有粘附性较好的粘结剂，才能使降解效果具有更优越的耐久性。同时，为了提高纳米TiO2的光催化性能，人们进行了各种尝试，例如金属改性及非金属改性等。对纳米TiO2进行氮掺杂改性，可有效降低TiO2激活能，有效提高TiO2的降解效能[8]。

本文以纳米TiO2光触媒材料作为降解尾气所需的活性添加剂，以普通雾封层及含砂雾封层的方式将其喷涂到沥青路面，达到对尾气中CO，HC和NO的催化降解效果，并结合南三环西路辅路和京开辅路两段试验路，对纳米TiO2雾封层的施工工艺、尾气降解效果评价及对路面性能的影响三个方面介绍其工程应用情况。

1 纳米TiO2雾封层施工工艺

1.1 试验路铺筑方案

基于前期研究，选择光催化降解效果更强的纳米氮掺杂二氧化钛作为降解材料添加到雾封层和含砂雾封层材料中，添加量为雾封层材料和含砂雾封层材料的2%，制备成具有光催化降解汽车尾气的纳米二氧化钛雾封层及含砂雾封层，并保证其具有良好的施工流动性，在拌合时不会分层离析。

试验段为南三环西路辅路及京开辅路，该两段路的两侧均有较高的路堑，且地势较低，受风的影响较小，便于对汽车尾气降解效果的检测，在进行封层材料的喷涂之前，应先对路面进行清洁并处理表面病害。在南三环西路辅路路面喷涂纳米TiO2含砂雾封层，该试验段长283 m，宽9 m，面积为2 589 m2；在京开辅路路面喷涂纳米TiO2普通雾封层，该试验段长152 m，宽9 m，面积为1 380 m2。

1.2 试验路施工工艺

结合雾封层及含砂雾封层的施工工艺，确定两段试验路的铺筑方案。

1.2.1 施工前准备

对路面上的坑槽、大于3 mm的裂缝以及原路面接缝不规则处等可能影响雾封层处治质量的地方均须按照《公路养护技术规范》的相关要求进行处理。为确保含纳米TiO2雾封层的施工质量，施工时路面必须处于洁净、干燥状态[9]。

1.2.2 施工工艺

施工前将氮掺杂纳米TiO2按2%的添加比例添加到封层材料中，并加入六偏磷酸钠作为分散稳定剂，以保证氮掺杂纳米TiO2颗粒在封层材料中的稳定性，施工过程中需不断搅拌，以保证不会发生分层离析。

由于本次试验段施工面积较小，故采取人工泵送喷涂施工。具体施工流程如下：

（1）封闭交通，对路面进行清洁；

（2）对路面中存在可能影响雾封层处治质量的部位按规范要求进行处理；

（3）对原路面各项指标进行检测，检测的频率和位置应与雾封层完工后的检测频率和位置一致。主要检测指标为：渗水、构造深度和摩擦系数以及有害气体浓度；

（5）按照设计配比配制含氮掺杂纳米TiO2的封层材料；

（6）配制完毕后选用人工喷涂方式喷涂，喷涂过程中严格控制喷涂厚度、喷洒速度、喷涂均匀性等，保证喷涂质量；

（7）施工完毕后开放交通时间需根据当日气温情况和交通情况及时调整，该段试验路，施工完成后5 h即可开放交通。

2 试验路降解效果检测与评价

2.1 试验路降解效果检测方案

由于试验路处于开放空间，尾气浓度较低，一般测量设备采集的数据精度较低，难以满足实验要求，故本实验段在对降解效果进行检测时，选用ZTD-A1型可移动式环境痕量气体分析仪。ZTD-A1型可移动式环境痕量气体分析仪采用进口高灵敏安培型电化学传感器，可对空气中主要有害气体 O3、CO、SO2、NO2等浓度进行精密检测，相关技术参数见表1。

分别选择有光照和桥下无光照的点进行检测对比，每个点进行三次检测，每次检测时间为10 min。检测时光照强度在300～600 μw/cm2，温度在2℃～3℃之间，相对湿度为70%～80%，风速为二级风。其中，含砂雾封层的中检测点1和3处在光照条件下，检测点2处在桥下无光条件下，雾封层中检测点1和3处在光照条件下，检测点2处在桥下无光条件下。试验路检测点位置见图1。

图1 试验路检测点位置

2.2 试验路降解效果分析评价

对于南三环西路辅路试验段的三次检测结果，见图2～图7。

图2 第一次检测NO2浓度变化图

表1 可移动式环境痕量气体分析仪技术参数

图3 第一次检测CO浓度变化

图4 第二次检测NO2浓度变化图

图5 第二次检测CO浓度变化图

图6 第三次检测NO2浓度变化图

图7 第三次检测CO浓度变化图

对于京开辅路试验段的三次检测结果，与南三环西路辅路试验段检测趋势相近，故不再赘述。通过对铺筑试验路的纳米TiO2雾封层和含砂雾封层在光照条件和桥下无光照条件的浓度进行检测，发现在各个检测阶段，光照条件和桥下无光照条件下NO2、CO浓度有高有低，为分析是否具有降解效果，做出如下约定：光照条件下各检测物质浓度曲线低于桥下无光照时的浓度曲线时，说明封层材料有降解作用，记为“＋”；光照条件下各检测物质浓度曲线与桥下无光照时的浓度曲线相持平时，说明封层材料没有作用，记为“0”；光照条件下各检测物质浓度曲线高于桥下无光照时的浓度曲线时，证明封层材料有负作用，记为“－”。通过10 min的检测结果的平均值进行对比，分析铺筑新型纳米二氧化钛基降解材料的路段在光照条件和桥下无光照条件下对空气中的NO2、CO的降解效果，检测结果见表2。

表2 检测结果示意图

通过上述图表可知，对NO2在6次检测结果中，有3次有降解效果，2次没有降解效果，有1次具有抑制作用；对CO在6次检测结果中，有2次有降解效果，有3次没有降解效果，有1次具有抑制作用。

总体而言，通过在含砂雾封层和雾封层材料中添加氮掺杂纳米TiO2，对空气中的CO、NO2气体具有降解作用，虽然检测过程中出现没有降解效果和抑制降解的现象，但具有降解效果的试验结果处于优势，故具有一定降解作用。出现没有降解效果和抑制降解的现象的原因可能是在检过程中环境变化引起。

3 试验路路面性能检测与分析

由于本段试验路采用含有纳米TiO2雾封层和纳米TiO2含砂雾封层铺筑，因此，除检测纳米TiO2封层材料对空气中有害气体的降解效果之外，还需检测由于铺筑封层材料造成的路面性能变化，主要检测项目为路面抗滑性能和路面渗水性能。

3.1 试验路抗滑性能评价

抗滑性能采用摆式仪在铺筑前后进行检测，检测结果见表3、图8和图9。

表3 铺筑前后摆值对比数据表

图8 铺筑前后抗滑对比图（含砂）

图9 铺筑前后抗滑对比图（普通）

通过上述检测结果可知，在路面中铺筑雾封层材料后对路面的抗滑性能有所影响。铺筑纳米TiO2含砂雾封层后抗滑性降低5.1%,。铺筑纳米TiO2普通雾封层后抗滑性降低9.4%，但仍满足规范要求。

3.2 试验路渗水性能评价

渗水性采用面渗水仪测在铺筑前后进行检测，检测结果见表4、图10和图11。

表4 铺筑前后摆值对比数据表

图10 铺筑前后渗水对比图（含砂）

图11 铺筑前后渗水对比图（含砂）

通过上述检测结果可知，在路面中铺筑含纳米TiO2封层材料后，由于封层材料的预养护功能，路面的渗水性能得到改善。

5 结论

（1）沥青路面铺筑纳米TiO2普通雾封层或含砂雾封层后，对汽车尾气有一定降解效果，但由于道路属于开放空间，受环境因素影响较强烈，故一般检测手段难以准确量化具体降解效果，降解效果的检测手段有待加强。

（2）沥青路面铺筑纳米TiO2普通雾封层或含砂雾封层后，虽然路面抗滑性能稍有降低，但由于雾封层的预养护功能，渗水性能得到改善，并未影响沥青路面面层的使用性能。

（3）从工程应用角度考虑，同等纳米TiO2添加量下，含砂雾封层对路面抗滑性能影响较小，具有更好的应用前景。

（4）所提出的纳米TiO2普通雾封层和纳米TiO2含砂雾封层的铺筑工艺可为以后对此技术的进一步研究或实际工程应用提供参考。

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[9]JTGH10-2009,公路养护技术规范[S].