可降解汽车尾气的沥青路面质量控制指标体系

李梦晨 ，赵之仲* ，韩斐，王彦敏，周浩，陈文凯

1.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.山东省齐河县交通运输局，山东 德州 251100；3. 山东羽然市政工程有限公司，山东 泰安 271099；4.中国交通建设集团第三航务局，第一公司 上海 200020

0 引言

近年来，随着纳米光催化材料在沥青路面中的应用研究，其在实际施工过程中的降解效率成为研究热点。一般先进行室内试验确定改性乳化沥青中各组分的配合比及其单位面积内的最佳喷涂量，然后铺筑现场试验段进行对比研究[1-2]，结果表明实际工程中汽车尾气的降解效率仅能达到室内试验的39%。原因是现场环境复杂多变，并且从确定配合比开始至试验段铺筑完成的整个施工过程中未进行施工质量的检验及控制[3]。由于现场环境因素不易进行人工控制，因此对TiO2光催化降解试验全过程进行质量控制，建立质量控制指标体系成为当前亟待解决的问题。郭大进等[4]提出的质量控制体系可在提供局部定量分析和整体定性分析的基础上，帮助施工管理者做出科学的决策；李海滨等[5-6]将改进层次分析法与模糊综合评价法结合得到控制指标体系，可控制路面施工质量。

目前的质量控制体系可合理把控路面施工质量，为施工和管理提供决策支持。但大部分质量控制体系均基于理论建立，与实际工程结合较少，针对TiO2光催化降解效率偏差建立的质量控制体系更少。本文基于室内外不同环境下降解效率的差异，对TiO2光催化降解试验全过程进行质量控制，建立质量控制指标体系。

1 室内外试验

在室内试验中，将各组分按照纳米TiO2、纳米CaCO3、沸石粉、PVP-3000的质量比为1:1:2:0.04配备后搅拌分散在100 mL的乳化沥青中，形成雾封层用光催化改性乳化沥青[7-8]，将此改性乳化沥青以雾封层的形式喷涂在2块15 cm×15 cm×5 cm的试件表面，自然风干1 h后，将2块试件同时放入封闭的气箱中，通入初始质量浓度为20 ug/mL的纯NO2气体，采用M60型紫外线灯照射2 h，辐照度为300 μW/cm2，2 h内2块试件中NO2的降解效率如图1所示。

在济南市历下区山大路部分路段铺筑现场试验段。依据室内试验得到的雾封层用光催化改改性乳化沥青配合比，将纳米TiO2、纳米CaCO3、沸石粉、PVP-3000依次加入含有乳化剂的水罐中，搅拌反应大约1 h后，得到施工现场雾封层用改性乳化沥青。在路表清理、标线保护好的前提下，按照0.3～0.5 kg/m2的喷洒面质量，采用雾封层车喷洒改性乳化沥青。施工前后大气污染物的质量浓度降解效率

Z=(ρ0-ρ1)/ρ0,

(1)

式中ρ0、ρ1分别为施工前后大气污染物的质量浓度。

施工后大气污染物质量浓度的监测结果如图2所示。按照式(1)计算可得SO2、NO2、O3、PM2.5的降解效率分别为35%、25%、21%、80%。

图1 室内试验中NO2的降解效率 图2 施工后污染物质量浓度

由图2可知：施工后大气污染物质量浓度总体呈下降趋势，受现场环境影响出现波动。分析施工后7 d内TiO2降解效率的影响因素可知，紫外线强度、温度、湿度等因素对降解效率影响显著[9-11]。施工后7 d内的现场环境状况如表1所示，根据文献[12]的紫外线指数标准对施工后7 d的紫外线强度等级进行划分，如表1所示。

表1 施工后7 d内环境状况

由图1、2可知：当改性乳化沥青喷涂量相同时，在室内试验的理想条件下，NO2的光催化降解效率为63.5%，然而在实际施工过程中，除了温度、湿度、紫外线强度等外界环境因素的影响，质量检验指标及质量控制体系的缺失致使沥青路面上NO2的降解效率仅为25%，室内外不同环境下的汽车尾气降解效率偏差较大。因此，在采取措施控制外界环境因素的同时，需对整体施工过程建立质量控制指标体系。

2 质量控制指标体系

2.1 设计步骤

根据TiO2光催化降解试验步骤及室内外降解效率偏差分析，逐层筛选直接影响降解效率的内部因素，得到影响施工质量的主要指标，根据质量控制指标对试验过程进行实时分析与判定，变事后控制为事中控制，施工完成后大气污染物的浓度更加贴近文献[13]中规定的环境空气污染物浓度限值。

设计质量控制指标体系时，前期进行调查分析，确定研究对象，经指标选取、指标赋权、指标量化后采用层次分析法建立指标体系[14-17]。前期调查对比分析国内外TiO2光催化降解效率试验中控制的指标，根据资料确定需要解决的问题和研究对象主体；根据TiO2光催化试验全过程及室内外降解效率偏差分析，逐层确定质量控制指标；邀请专家对指标赋值，进一步筛选与补充控制指标；最终利用层次分析法建立质量控制指标体系[18-20]。

2.2 层次分析法

2.2.1 确定质量控制指标

实际应用过程中影响施工质量的因素繁多且关系错综复杂，需对整个降解过程按步骤分离出基本指标。这些基本指标都对最终降解效率有一定影响，基本指标之间的相关性影响后续评价效果。合并和筛选基本指标，挑选两两不相关且属于当前施工中需重点控制的指标。邀请道路及材料方面的专家筛选和补充二次筛选的各层指标，确定最终质量控制指体系。

根据质量控制指标间的隶属关系，分层处理，相同层次间的因素相互聚集，不同层次间的因素并列处理，分别确定沥青路面降解汽车尾气的施工过程中控制质量的各级目标层及最后一级目标层的评价因子，基本形成质量控制指标体系。

2.2.2 指标赋权

指标赋权的前提是对各级指标进行重要性标识。各个指标在整个沥青路面施工中的重要性不同，不容易判断相同层级或不同层级之间指标的重要性。引入相对尺度对各层指标进行两两分析，准确地判断各指标的重要性。

设评价因子层中2个因素分别为x1、x2[21-23]，重要性指数如表2所示。

表2 质量控制指标重要性指数

依据表2的重要性等级，邀请专家评定各质量指标的重要性，并以评定结果的算术平均值作为该指标的最终重要性指数。

在求得所有指标重要性指数的基础上，构造判断矩阵

(2)

利用合积法分别计算判断矩阵的特征向量和特征值，并进行一致性体验[24]。

1)对判断矩阵x进行归一化处理，得到矩阵y，其各元素

(3)

2)将矩阵y各行分别求和得到n行1列的列矩阵A。

3)对矩阵A按照式(3)再次进行归一化处理后的列矩阵即为特征向量W，W的各分量即为各指标对应的权重系数，因此W又被称为权向量。

4)利用数值分析中的相关方法计算满足公式xW=λmaxW的特征根λmax。

5)为了检验层次分析法得到的结果是否合理准确，还应对判断矩阵进行一致性检验，计算公式为

CI=(λmax-n)/(n-1)。

(4)

一般情况下，若CI≤0.1，则判断矩阵具有一致性，判断矩阵计算的权重系数具有一定程度的可靠性，对专家评定各指标的重要性结果具有一定的参考价值。根据某一层次所有因素对最高层相对重要性的权重，将质量控制指标从高到低排序，建立质量控制指标体系。

3 工程实例应用

3.1 选择质量控制指标

根据试验步骤筛选施工工艺、设备、人员等初步指标。现场施工中改性乳化沥青的配合比是在室内试验得到的，利用其在室内试验中的目标配合比验证生产配合比，可直接判断原材料的性能是否符合标准。因此，目标配合比应作为一个质量控制指标。根据室内外TiO2光催化降解效率结果，邀请专家对初步指标进行进一步补充和筛选，评选相对重要性指标。质量控制指标如表3所示。

表3 质量控制指标

表3(续)

3.2 目标配合比和原材料

根据表2的重要性评价等级，邀请专家对表3的评价因子层两两比较后进行重要性评定，并以各专家认定的重要性指数算术平均值作为该项指标的最终重要性指数[24]。以目标配合比和原材料为例，专家评定结果如表4所示。

表4 重要性等级专家评定表

由表4可知：A1重要性的平均值最大，A2次之。在A2中，B2与B4的性能最重要，B3次之，最后是B5。结合试验过程分析，在室内试验中，保证生产配合比与目标配合比一致，检测B2、B4、B3的性能，确保配置成改性乳化沥青喷涂后能发挥材料本身的性能，保证施工质量。

根据表4分别构造A1和A2的判断矩阵。A1无子目标层，且仅有一个评价因子层，其判断矩阵为单位矩阵。A2的判断矩阵

(5)

对判断矩阵进行归一化处理，所得结果为:

(6)

对式(5)按行求和再按式(2)进行归一化处理后得到特征向量W，W的各分量即为权重。A1的权重为1，B2、B3、B4、B5的权重分别为0.508、0.349、0.467、0.216。

根据xW=λmaxW计算特征值，由所得特征值进行一致性检验，A1的CI为负无穷，远小于0.1，A2的CI=-0.125<0.1，所得判断矩阵合理，相应指标的重要性指数判断合理，A1和A2应作为第1级目标层的质量控制指标。

3.3 其他评价因子评价

分析A3、A4及A5等其他1级目标层中的质量控制指标。

1)邀请专家评价其他评价因子，评价结果如表5所示。

表5 其他控制指标重要性等级各专家评价表

2)以表5重要性等级平均值作为最终重要性指数，构造各指标的判断矩阵，A3的判断矩阵

，

(7)

A4的判断矩阵

(8)

A5的判断矩阵

(9)

3)对式(7)～(9)按照式(3)进行归一化处理后计算各行和，继续归一化处理，限于篇幅原因，二次归一化后的列矩阵即为特征向量，其内各分向量为权重，如表6所示。

4)根据W，计算满足xW=λmaxW的特征值，并进行一致性检验，结果如表6所示。

表6 1级目标层其他控制指标的权重和一致性检验结果

根据表6可知：所有指标的CI均小于0.10，说明构造的判断矩阵合理，各质量控制指标的重要性指数评定结果可靠。

3.4 质量控制体系

表7 质量控制体系

根据各层次相应评价因子对最高层相对重要性的权重，将质量控制指标从高到低进行排序，建立质量控制指标体系，如表7所示，对于重要性较低的指标不再进行展示。

在试验及施工过程中，根据表7建立的质量控制指标体系判断具体试验流程的相应指标，对整个试验过程进行全方位质量控制，减小室内外降解偏差效率，保证施工质量。

4 结论

1)实际现场施工中沥青路面对汽车尾气的降解效率与室内试验结果偏差较大，原因有2方面：一是施工现场受温度、湿度及紫外线强度等环境因素影响，导致改性乳化沥青的降解效率出现偏差；另一方面是未对整个试验过程进行质量检验及控制，造成质量损失。

2)通过室内试验及施工过程逐层筛选质量控制指标，包括目标配合比、施工工艺、原材料、施工设备、施工人员等，利用层次分析法建立质量控制指标体系。

3)邀请专家评定各指标的重要性，将所得重要性的算术平均值作为最终重要性指数，构造判断矩阵，计算权重，确定最终质量控制指标，建立质量控制指标体系，对施工过程进行全方位质量控制，减少室内外降解效率偏差，保证施工质量。