可降解汽车尾气的环保型沥青路面研发及应用

蔡硕果, 徐世法, 杨 扬, 刘文明, 高 山

(1.北京特希达交通勘察设计院有限公司，北京 100067；2.北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3.北京城市道路养护管理中心，北京 100069)

国家统计数据显示，截至2019年末全国机动车保有量为26 150万辆，其中私家车22 635万辆；北京市机动车保有量为636.5万辆，其中私家车497.4万辆。机动车数量的显著增加导致汽车尾气排放到空气中的污染物骤增，汽车尾气中的主要成分有固体颗粒悬浮物PM 10和PM 2.5、氮氧化合物NOX、一氧化碳CO、碳氢化合物HC等大量有害物质，已成为影响空气质量(PM 2.5)，造成雾霾的主要原因之一[1,2]。

随着对汽车尾气危害的认识不断提高，国家采取了很多措施，例如鼓励发展公共交通，减少私人汽车使用；通过法规限制汽车尾气排放，限制机动车通行；改善现有的汽车动力装置和燃油质量，施行发动机机外尾气净化措施等[3]。近年来，鉴于汽车尾气的排放位置与路面仅相隔30cm左右，北京特希达交通勘察设计院联合北京建筑大学的研究人员利用光催化材料，依托北京市交通行业科技项目“降解PM 2.5道路建筑材料(二氧化钛基)在城市道路中的应用研究”，开发了具有宽域紫外光感频段的复合氮掺杂纳米TiO2光催化降解汽车尾气材料，并将其加入沥青混合料中制成可降解汽车尾气的环保型沥青路面材料，在北京市景山公园和故宫博物馆之间铺筑了一条试验路，取得了一定的应用效果。

1 试验路概述

试验路位于北京市东城区，道路起点为北池子大街，终点为北长街，与北海公园相接，道路总体呈东西走向，街道北侧为景山公园、南侧为故宫博物馆，道路全长约1.0 km，应用面积约为21 000 m2。试验路采用2.5 cm厚超薄层罩面预防性养护措施，在超薄层罩面沥青混合料中添加了可降解汽车尾气的道路建筑材料(复合纳米TiO2光催化剂粉末)。

2 原材料

2.1 粗集料

由于试验路采用的是超薄层罩面作为预防性养护措施，粗集料选用河北张家口产优质玄武岩石料，并且对石料的洛杉矶磨耗损失进行了严格要求,主要用料5～10 mm档石料的试验检测值大都在15%以下，石料的质量要求及检测值见表1。

表1 粗集料技术要求及检测结果

2.2 细集料

本次超薄层罩面沥青混合料的细集料选用河北张家口产高质量石灰岩石料，经水洗后采用专用的制砂机生产，其规格选用0～3 mm档，并严格要求颗粒组成符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)表4.9.4中S16的要求，机制砂的具体检测结果见表2。

表2 细集料技术要求及检测结果

2.3 填料

本次超薄层罩面沥青混合料的填料选用河北张家口产高质量石灰岩石料磨细得到的矿粉，其质量要求及检测结果见表3。

表3 矿粉技术要求及检测结果

2.4 SBS改性沥青

本次超薄层罩面沥青混合料的选用北京市政路桥建材集团有限公司通州沥青厂的成品SBS改性沥青，按照现行规范要求，对样品进行了各项指标检测，检测结果见表4所示。

表4 SBS改性沥青技术要求及检测结果

2.5 黏层用SBS改性高黏乳化沥青

超薄层罩面沥青混合料摊铺前应喷洒改性乳化沥青黏层，用量为1.0 L/m2，改性乳化沥青选用北京市政路桥建材集团有限公司通州沥青厂的成品SBS改性高黏乳化沥青，按照现行规范要求，对样品进行了各项指标检测，检测结果见表5。

表5 SBS改性高黏乳化沥青的技术要求及检测结果

2.6 添加剂

添加剂为新型纳米TiO2基光触媒材料，为一种无毒且不透明的白色粉末，通过氮掺杂纳米TiO2一系列复合改性技术提高了光催化降解汽车尾气性能，将二氧化钛光触媒降解材料对太阳光的可作用波段由<387 nm拓宽至<450 nm波段[4]。添加剂晶体形态为锐钛矿，在水溶液、稀碱、稀酸中不可溶。比重为4.26，沸点为2 900 ℃，熔点为1 855 ℃。在本试验路中的应用方式为填料式，按沥青混合料0.3%的比例与矿粉混合后，再将其与集料进行常规的搅拌、成型,制成一种可降解汽车尾气的环保型沥青混合料。

3 配合比设计

3.1 矿料级配设计

矿料级配参照北京市地方标准《道路超薄罩面施工技术规范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型沥青混合料级配要求范围进行矿料级配设计。矿料设计级配下各档矿料比例见表6，级配曲线如图1所示，各档矿料不同筛孔尺寸通过率见表7。

表6 矿料级配下各档料比例

表7 矿料设计级配及不同筛孔通过率

3.2 沥青用量的确定

参照北京市地方标准《道路超薄罩面施工技术规范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型沥青混合料，依据矿料设计级配及以往经验，确定初始沥青用量为4.8%。以0.5%为间隔，调整4个不同的油石比，沥青用量分别为4.3%、4.8%、5.3%、5.8%,制作试件。试件在试验室内拌和温度为170℃，压实温度为160℃；采用旋转压实仪压实成型，压实次数为100次。计算检测4个不同沥青用量的沥青混合料的孔隙率、矿料间隙率(VMA)、沥青饱和度(VFA)、油膜厚度等各项指标，见表8。

表8 不同沥青用量下混合料体积性质

参照北京市地方标准《道路超薄罩面施工技术规范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型沥青混合料要求及建议最小油膜厚度要求，确定沥青用量为4.7%是比较合理的，此时各项指标均符合现行规范要求。

3.3 析漏试验

为进一步验证超薄层罩面沥青混合料中沥青用量是否合理，采用美国AASHTO提出的网篮法析漏试验方法进行检验。析漏试验结果见表9，试验结果表明本次超薄层罩面沥青混合料中所采用4.7%沥青用量是合理的。

表9 沥青析漏试验

4 试验路评价

4.1 路用性能验证

按照北京市地方标准《道路超薄罩面施工技术规范》(DB11/T 1590-2018)、《城市道路大修工程质量检验标准》(DB11/T 1271-2015)等现行规范要求，对沥青混合料进行了路用性能检验，试验结果见表10。结果表明，该混合料的路用性能满足现行规范要求，可降解汽车尾气材料的掺入不影响沥青混合料的各项路用性能。试验路于2019年6月铺筑完成，至今使用1年多，使用状况良好。

表10 路用性能验证数据表

4.2 降解效果评价

为评价超薄层罩面沥青混合料降解汽车尾气的能力，开发了一套模拟尾气降解试验系统，对汽车尾气中三种主要有害气体(氮氧化合物NOX、一氧化碳CO、碳氢化合物HC)的降解效果进行检测。该系统包含实时监测系统A、尾气来源系统B和气体反应室C，如图2所示。

图2 模拟尾气的降解系统

本次试验路所用超薄层罩面沥青混合料中汽车尾气降解材料添加剂用量为0.3%，室内试验检测到汽车尾气主要3种有害气体(一氧化碳CO、氮氧化合物NOX、碳氢化合物HC)平均降解率分别降低16.5%、13.9%、10.5%。

5 结语

(1)新型纳米TiO2基光触媒材料掺入沥青混合料中，参照超薄层罩面系统的设计标准进行了配合比设计，最佳沥青用量为4.7%，沥青混合料的各项路用性能满足现行规范要求，说明可降解汽车尾气材料的掺入不影响沥青混合料的各项路用性能。试验路已使用1年多，使用状况良好，但其耐久性能方面还有待深入研究。

(2)掺入纳米TiO2基光触媒材料后沥青混合料能有效降解汽车尾气，在车流比较密集的城市道路中大有可为，试验路的探索符合绿色环保路面和低碳城市的发展理念。这一领域的研究与应用，显示出路面尾气净化技术的光明应用前景。