纳米TiO_2彩色防滑路面的尾气降解效率及路用性能研究

文章来源：微信公众号"沥青路面“

在保障经济发展，方便居民生活的同时，城市路网的扩张与加密也带来了汽车尾气排放量的大幅增长。据统计，2013年中国机动车保有量超过2.3亿辆，尾气排放已成为中国空气污染的主要来源。并且机动车大多行驶在人口密集区域，尾气排放直接影响市民健康。意大利、美国、日本等国已尝试将具有光催化降解有害气体作用的TiO2应用于道路工程建设中，减少汽车尾气的污染，中国也在部分城市有少量的尝试应用。纳米TiO2在道路工程中的应用主要有掺入式和涂覆式两种：涂覆式在较小的掺量下就可以达到很好的降解效果，但其对道路的表面功能有一定影响，耐久性欠佳；而掺入式不受路面磨耗影响，耐久性好，但掺入式中TiO2被黑色的沥青包裹，大大降低了其对光的利用率，表现出较弱的光催化性能，需要将TiO2的掺量增加到较大的比例后其降解效能才能发挥出来。将TiO2应用于环氧树脂型彩色防滑路面，既可克服涂覆式对路面抗滑和耐久性差的缺点，又可解决掺入式沥青对TiO2催化活性的影响，减少TiO2的用量。

彩色防滑路面在欧洲及日本等发达国家已得到广泛应用，中国近年来才引进国外彩色防滑路面并应用。目前国内外主要有4种彩色路面材料：彩色沥青混合料、乳化彩色沥青稀浆封层、彩色水泥灌浆沥青混合料、彩色防滑路面涂料。和其他3类材料相比，彩色路面防滑涂料具备更加突出的防滑性能，而环氧树脂型是目前常用的防滑涂料。彩色防滑路面常应用于公路危险区域、道路交叉口、交通拥堵道路、城市主干道等处，这些路段同时也是车流量大、汽车尾气污染严重的区域。将TiO2应用于彩色防滑路面，既不影响彩色路面的功能，又可净化空气。该文将锐钛型纳米TiO2应用于环氧树脂型彩色防滑路面，研究其在不同掺量下的降解效果，根据降解效果确定最佳掺量，并检验其路用性能指标。

试验部分

试验材料

试验主要材料有：30Nm锐钛型TiO2、环氧树脂A、B组分、彩色防滑骨料、克拉玛依90＃沥青、石料为辉绿岩。

试验仪器

尾气降解试验装置由3部分组成：尾气产生装置、气体反应室、尾气浓度测试装置。尾气产生装置为2瓶配制的汽车尾气。气体反应室采用透光性能良好的石英玻璃制成，反应室尺寸为320mm×320mm×300mm，太阳光的透光率高达90%。尾气浓度测试装置为FgA-4100型汽车尾气分析仪，可显示HC、CO、CO2、O2、NOｘ的浓度值。UV-A型紫外辐照计，测量太阳光中的紫外光强，可测量波长中值为365Nm和420Nm的紫外线辐照强度值。

试件制作

称取一定量的纳米TiO2掺入到环氧树脂A组分中，搅拌均匀；根据彩色防滑路面的施工经验，按环氧树脂A组分:B组分=1:1的比例，称取等量的B组分，将其与掺入二氧化钛的A组分搅拌均匀；将事先成型好的车辙板(300mm×300mm×50mm)周围贴好胶纸，画好基准线；将搅拌均匀的环氧树脂粘结剂均匀地涂刷在车辙板上，每块车辙板用量200g；再在其上均匀撒布通体一色的彩色防滑骨料，骨料要完全覆盖粘结剂，且不得用力压平，使其通过重力沉降，自然粘结、固化；等待5~6H粘结剂完全固化，撕去胶带，用硬毛刷清除多余骨料。

试验方法

(1)将试验试件置于气体反应室底部。(2)盖上石英玻璃罩，拧紧螺栓，并确保气体反应室密闭。连接尾气罐及尾气分析仪，通入一定量的汽车尾气，测试并记录反应室内各气体浓度的初始值。(3)试验开始前，用紫外辐照计测量紫外光强(主要为365Nm)，特别是在太阳光下易受天气影响，同组试验要尽量保证在相同条件下进行，否则试验数据无效。(4)试验开始后，每隔5miN进行一次测量并记录。在相同条件下，每组试验要测量一次不掺TiO2试件的尾气浓度变化。

纳米TiO2光催化机理

纳米TiO2是一种具有光催化功能的N型半导体材料，其在紫外线的照射下可产生游离电子及空穴，因而具有很强的光催化氧化还原能力，可氧化分解各种有机化合物和部分无机化合物。将其应用到道路材料中，可将汽车排放的CO、CO2、HC、NOｘ分解为碳酸盐和硝酸盐，遇雨天或洒水时即可随水流走。

尾气降解效能分析

纳米TiO2掺入到彩色防滑试件的降解效果分析

纳米TiO2分别按0、5、10、15、20、30g掺入到环氧树脂粘结剂中，粘结剂用量200g/(900Cm2)，在太阳光下进行汽车尾气降解试验。

可以看出：TiO2掺量为0的试件，其尾气各成分浓度以一定的速率不断减少，这是因为尾气分析仪会抽走一部分气体，并且在光的照射下NO、CO、HC等会不同程度地发生光解。因此，要计算掺入TiO2试件的实际降解效果，就要减去不掺TiO2试件的降解效果。另外，尾气各成分浓度均随时间变化不断下降，NO和HC随时间变化下降明显，且NO在浓度较大时下降较快，浓度较小时下降缓慢。并且TiO2掺量越大，其下降程度越大。对比掺量不为0的试件与掺量为0的试件浓度差值，对于CO和CO2其浓度差值不明显，而对于NO和HC，其浓度差值明显。故下文主要针对NO和HC进行分析。数据处理分析，计算NO和HC的实际降解百分率。

可以看出：在太阳下，NO和HC的实际降解百分率都随着TiO2掺量的增加而增加，在掺量小于20g时，其实际降解百分率增加幅度较大，在掺量大于20g后，其降解百分率增加幅度变缓。这主要是因为在较少的掺量下，随着TiO2掺量的增加，增加了活性反应面，使有害气体与TiO2更多地接触，提高了降解效率；但是，由于彩色防滑路面骨料间的空隙有限，当TiO2掺入量过多时，并不能有效地增加活性反应面，所以降解效率略有提高或不变。故该文推荐在彩色防滑路面中TiO2的添加量为20g。掺量为20g时，NO在太阳光下的实际降解百分率为27.20%，HC的实际降解百分率为14.86%。

纳米TiO2掺入到沥青混合料的降解效果分析

孙立军等人对纳米TiO2在沥青路面中的添加方式进行了试验研究，在相同掺量及条件下，通过对碾压前涂刷、碾压后期涂刷和直接拌和3种添加方式的尾气吸收效果比较发现，直接拌和方式有较好的吸收分解效果，且施工操作简便，不易流失，其推荐采用直接拌和的添加方式。故该文采用直接拌和的方法进行尾气吸收降解试验。级配为AC-13C，沥青为克拉玛依90#基质沥青，按规范要求成型车辙板，先将石料拌和均匀，再加入沥青拌和均匀，最后同时加入矿粉和20g纳米TiO2进行拌和，成型车辙板。

可以看出：相同TiO2掺量下，彩色防滑试件的实际降解百分率明显大于直接拌和式沥青混合料试件，对于NO的实际降解百分率，彩色防滑试件大约是沥青混合料试件的3倍，对于HC的实际降解百分率，彩色防滑试件大约是沥青混合料试件的1.5倍。彩色防滑试件实际降解百分率高主要是因为环氧树脂无色透明，使紫外光与二氧化钛充分接触，激发了二氧化钛光催化活性，而直接拌和式的沥青混合料试件，由于黑色沥青包裹着二氧化钛，影响了二氧化钛对紫外光的有效利用，从而表现出较弱的光催化性能。

路用性能研究

摆值和构造深度

由于吸收分解汽车尾气的光催化反应面主要集中在道路表面，故该文主要研究掺入TiO2和不掺TiO2时普通沥青混合料试件与彩色防滑试件的部分路面表面性能，按照《公路路基路面现场测试规程》分别进行测试。

掺入二氧化钛的试件与没有掺入二氧化钛的试件相比，其摆值和构造深度没有发生变化，说明TiO2的掺入没有影响彩色防滑路面的抗滑性能。且此应用方式，克服了TiO2涂覆式应用影响路面抗滑的缺点，保证了行车安全。

车辙试验

彩色防滑试件的表面防滑层厚度为3~5mm，对车辙板试件尺寸影响不大，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行车辙试验。

试验结果可知：掺入TiO2的试件与没有掺入TiO2的试件相比较，其车辙变形没有变化，动稳定度略有变化。所以TiO2的掺入对彩色防滑层影响较小。对比普通沥青混合料试件，掺入TiO2的沥青混合料试件和彩色防滑试件，发现彩色防滑试件车辙变形略有减少，动稳定度略有提升。

结论

(1)纳米TiO2添加到彩色防滑路面中后，对汽车尾气的分解吸收效果明显，尤其是对NO和HC的降解效果。当TiO2的最佳掺量为20g/(900Cm2)时，在太阳光下对NO的实际降解率达到了27.20%，对HC达到了14.86%。

(2)纳米TiO2添加到彩色防滑试件比添加到沥青混合料试件降解效果明显。在太阳光下，彩色防滑试件对于NO的实际降解百分率大约是沥青混合料试件的3倍，对于HC的实际降解百分率是沥青混合料试件的1.5倍。

(3)纳米TiO2的添加没有影响彩色防滑路面的抗滑性能，对车辙变形没有影响，动稳定度略有变化。