基于沥青混凝土路面的纳米TiO2 喷洒技术初探

王 浩

（抚顺市交通运输发展服务中心，辽宁 抚 顺 113006）

根据公安部交管局公布，截至2019 年6 月，全国机动车保有量达3.4 亿辆，其中汽车2.5 亿辆。机动车排放的污染物占大气污染总量的6 成以上，虽然汽车尾气中氮氧化物 （NOx） 含量不高，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3 倍。利用纳米光催化材料的特性，在太阳光的照射下，将吸附到沥青道路表面的NOx光催化降解，净化机动车尾气，改善空气质量具有重要意义。

1 催化机理

当半导体光催化剂 （如TiO2等） 受到能量大于禁带宽度 （Eg） 的光照射时，其价带上的电子 （e-） 受到激发，越过禁带进入导带，在价带留下带正电的空穴 （h+）。光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，二者可形成氧化还原体系，但也同时存在二者的复合，只有抑制电子与空穴的复合，才能提高光催化效率。俘获剂可抑制其复合，光致电子的俘获剂是溶解O2，光致空穴的俘获剂是OH-和H2O。光生e-和h+除了可直接与反应物作用外，还可与吸附在催化剂表面上的 O2、 OH-和 H2O 发生一系列反应，生成具有高度化学活性的羟基自由基·OH 及HO2·、H2O2，这些活性物质把吸附在催化剂表面上的有机污染物降解为 CO2、 H2O、 N2等，把无机污染物氧化或还原为无害物［1］。

2 试验准备

2.1 材料

粗集料：11-19mm 碎石；6-11mm 碎石；3-6mm 碎石

细集料：0-3mm 机制砂

矿 粉：石灰岩磨细矿粉

沥 青：SBS 改性沥青

纳米TiO2粉末：杭州万景新材料有限公司生产，吸收紫外线范围为 280nm-460nm。技术指标见表1。

表1 纳米TiO2 主要技术指标

2.2 沥青混合料配合比设计

（1） 原材料筛分试验

按照JTG E42-2005 《公路工程集料试验规程》 中的规定，对各档集料进行筛分。筛分结果见表2。

表2 集料筛分结果

（2） 配合比试验

根据筛分结果，按照AC-16 型改性沥青混合料进行目标配合比设计，级配曲线见图1。

图1 AC-16 改性沥青混合料级配曲线

确定各档集料在设计级配下的配比，结果见表3。

表3 设计级配下各档料比例

采用马歇尔击实成型方法，击实次数为双面各75，测定设计击实次数下试件的体积性能，从而确定最佳沥青用量。

基于表3 的级配，采用五种沥青胶结料用量压实成型试件，沥青胶结料用量分别为：3.5%、4.0% 、 4.5%、 5.0%、 5.5%。室内试验时拌和温度为170℃，压实温度150℃。

测定混合料在不同油石比下的压实特性和体积特性，空隙率4%作为设计目标，最后得出最佳沥青用量为4.8%。

（3） 设计级配下的混合料高温性能

制备车辙试件一个，经24 小时脱模后，进行车辙试验，测得动稳定度＞6000，试件合格。

3 纳米TiO2 固化试验

沥青混合料在拌合并摊铺成型的过程中，随着温度的下降，沥青由液体变为固体，在刚摊铺的热混合料上直接撒纳米TiO2粉末的方式来固化纳米TiO2，固化效果的主要影响因素有：喷撒时混合料的温度、 密实程度，以及喷撒的方法等。

3.1 混合料密实程度对固化效果的研究

由于新建道路在面层摊铺时要反复碾压，面层沥青混合料在不同的密实条件下，对纳米TiO2粉末的粘附效果不同，为了确定沥青混合料在什么样的密实条件下，能与纳米TiO2粉末产生最好的粘附效果，选用压实度作为评价指标，而压实度的大小则通过碾压遍数来反应，试验室条件下采用轮碾法一般12 个往返 （24 遍） 混合料就能达到压实。本文分别在碾压前、 碾压2 个往返、 碾压6 个往返后喷洒纳米TiO2粉末。

3.1.1 纳米TiO2粉末喷撒剂量10g

（1） 试验过程

首先制备车辙件三个，分别编号为1 号、 2号和3 号，确定拌合温度为160℃，压实温度控制在 140℃～160℃之间，暂定为 150℃，为了减小操作对试验误差的影响，要求在混合料拌合完成后立即装模进行试验。混合料装模后用铁棒插捣，插捣后用铁槌拍平，中间要高于四边，准备妥当后，将试模装到轮碾机上，启动轮碾机，先在一个方向上碾压 2 个往返 （4 次），卸载，再抬起碾压轮，此时将试模放置在一张报纸上面，取一个0.3mm 筛子，注意筛子要提前放进干燥箱中，干燥不少于4 小时，避免筛子潮湿而粘附纳米TiO2粉末，同时承装纳米TiO2粉末的小铁盒和毛刷也都要放进干燥箱里干燥处理。将纳米TiO2粉末轻轻的倒进筛子里，将筛子贴近试模表面，距离混合料表面大约一至两厘米，这时用毛刷轻轻将纳米TiO2粉末摊平在筛子表面，然后均匀的刷筛子，此时要保证试验室内无风，避免纳米TiO2粉末被风吹走，造成误差。纳米TiO2粉末撒出一多半时停止刷筛子，将筛子抬起，观察混合料表面纳米TiO2粉末撒落的均匀程度，移动筛子，将筛子表面上剩余的纳米TiO2粉末刷撒在不均匀处及表面附着较少处，以保证沥青混合料表面纳米TiO2粉末的均匀性。将闪落在报纸上的粉末收集起来再放入0.3mm 筛子上，再一次刷撒到混合料表面上。纳米TiO2粉末刷撒完成后将试件调转方向，继续碾压10 个往返（20 次），试件制备结束。

3 个试件完全按照上述方法刷撒纳米TiO2粉末。1 号件在混合料碾压前喷撒；2 号件在碾压2个往返 （12 遍） 后刷撒；3 号试件在碾压 6 个往返 （14 遍） 后喷撒。

试验结束后，让试件在室温下冷却，冷却时间不少于12 小时。试件冷却后脱模观察。

（2） 试验结果

①有相当一部分纳米TiO2粉末未与沥青混合料粘附在一起，只是浮在表面，或聚在坑凹处，在脱模时，振动试模时就有部分脱落，用小刷子清扫表面，又有部分粉末脱落，用刷子清扫干净表面后可以看出，混合料表面确已粘附了部分纳米TiO2粉末，但分布并不均匀。

②1 号、 2 号、 3 号表面的纳米 TiO2分布基本相当。收集脱落的纳米TiO2粉末，经比较，1号脱落量少于2 号，2 号脱落量又少于3 号。

（3） 试验结论

①在碾压前喷撒纳米TiO2粉末固化效果最好。

②3 个试件表面的纳米TiO2粉末并没有全部粘附在沥青混合料表面，都出现了浪费的情况，暂定的TiO2撒布量过大。

3.1.2 纳米TiO2粉末喷撒剂量3g

（1） 试验过程

为了研究出更好的喷撒方法，本次试验采用医用小喷壶。

制备车辙件一个，准备3g 纳米TiO2粉末，装进小喷壶中，这里用的小喷壶是专门用来喷药粉的医用小喷壶，平放喷壶，然后喷粉前要来回左右的摇晃小喷壶，确保粉末在喷壶中能均匀分布，避免喷粉时粉末聚团，造成喷粉不均匀，轻轻挤压壶身，将纳米TiO2粉末喷出。

混合料拌合温度为 160℃，压实温度为150℃，拌合完成后立即装模，用小喷壶尽量均匀的喷撒，完成后用同上的方法碾压试件，本次是在压实前喷撒的纳米TiO2粉末。

（2） 试验结果

尽管操作已经很注意细节，但采用小喷壶喷撒纳米TiO2粉末效果并不好，纳米TiO2粉末在沥青混合料表面的分布十分不均匀，TiO2粉末集中在表面的几处，其他部分分布则很少，但是3g剂量并没有浪费，全部附着在混合料表面了。

（3） 试验结论

①小喷壶不适合用于喷撒纳米TiO2粉末。

②3g 纳米TiO2粉末能全部附着在沥青混合料表面，适合作为喷撒剂量。

3.2 混合料温度对固化效果的研究

分别在 140℃，150℃，160℃温度下，控制TiO2的含量及压实度，喷洒 TiO2粉末，进行室内实验，观察固化效果。

（1） 试验过程

制备车辙件3 个，拌合温度为170℃，插上温度计，分别在混合料降温到 160℃、 150℃、140℃时撒3g 纳米TiO2粉末，喷撒方法采用将纳米TiO2粉末倒到刷子上，再用小刷子刷扫筛子的方式，并且在混合料碾压前喷撒。

（2） 试验结果

三个试件表面的纳米TiO2粉末分布基本一样，碾压温度为160℃的试件表面的纳米TiO2分布更均匀一点。

（3） 试验结论

混合料碾压温度在140℃～160℃之间时，对纳米TiO2粉末的固化效果影响不大。

4 结语

（1） 采用直接撒粉末的方式能有效固化到热沥青混合料表面。

（2） 混合料压实前喷撒粘附效果最好

（3） 在 140℃～160℃之间，温度对粘附效果影响不明显，但都能有效粘附纳米TiO2。