納米二氧化鈦霧封層技術及其在工程中的應用

李思童，李書飛,王 超,段文志,劉 濤

（1.北京建筑大學，北京市 100044；2.北京市城市道路養(yǎng)護管理中心，北京市 100000）

0 引言

隨著我國交通基礎設施的不斷建設，汽車保有量不斷增加，汽車尾氣污染逐漸成為社會關注的焦點。TiO2作為一種光觸媒材料，可以有效降解尾氣中的CO，HC和NO等有害氣體[1-3]，所以將TiO2應用于瀝青路面光催化降解汽車尾氣成為近年來的研究熱點。

現(xiàn)階段，TiO2光觸媒材料在瀝青混合料中的應用方式主要為摻入式和表處式[4]。摻入式將TiO2作為填料，替代部分礦粉，摻入瀝青混合料中，以實現(xiàn)對有害氣體的降解。但摻入式的TiO2用量較大，并且只有位于瀝青混合料表面的TiO2顆?？梢詽M足光照條件，具有光催化降解效果，絕大部分TiO2顆粒不能起到光催化作用。一些研究表明：在同等降解效能下，摻入式TiO2用量為表處式的數(shù)十倍[5]，由此可見摻入式并不是一種經(jīng)濟的摻加方式。表處式將TiO2與水或粘結劑配制成催化劑溶液，噴涂在瀝青路面表面，以達到降解汽車尾氣中有害氣體的目的。Marwa Hassan通過室內試驗發(fā)現(xiàn)：TiO2水溶液（體積比2%）在最佳噴涂量0.05 L/m2條件下，可降解31%～55%的NOx和4%～20%的SO2[6]，可見表處式同樣具有很高的催化降解效率，且TiO2用量相對較少。David Osborn通過試驗路驗證發(fā)現(xiàn)：TiO2水溶液的降解效果在第一個月降低明顯，十個月左右完全喪失。他認為水溶液方式耐久性差的主要原因為TiO2顆粒與瀝青路面粘附能力不足[7]。由此可見，表處式降解效果較好，且用量較少，經(jīng)濟性較強，具有推廣應用的優(yōu)勢，但其粘結劑的選擇至關重要，只有粘附性較好的粘結劑，才能使降解效果具有更優(yōu)越的耐久性。同時，為了提高納米TiO2的光催化性能，人們進行了各種嘗試，例如金屬改性及非金屬改性等。對納米TiO2進行氮摻雜改性，可有效降低TiO2激活能，有效提高TiO2的降解效能[8]。

本文以納米TiO2光觸媒材料作為降解尾氣所需的活性添加劑，以普通霧封層及含砂霧封層的方式將其噴涂到瀝青路面，達到對尾氣中CO，HC和NO的催化降解效果，并結合南三環(huán)西路輔路和京開輔路兩段試驗路，對納米TiO2霧封層的施工工藝、尾氣降解效果評價及對路面性能的影響三個方面介紹其工程應用情況。

1 納米TiO2霧封層施工工藝

1.1 試驗路鋪筑方案

基于前期研究，選擇光催化降解效果更強的納米氮摻雜二氧化鈦作為降解材料添加到霧封層和含砂霧封層材料中，添加量為霧封層材料和含砂霧封層材料的2%，制備成具有光催化降解汽車尾氣的納米二氧化鈦霧封層及含砂霧封層，并保證其具有良好的施工流動性，在拌合時不會分層離析。

試驗段為南三環(huán)西路輔路及京開輔路，該兩段路的兩側均有較高的路塹，且地勢較低，受風的影響較小，便于對汽車尾氣降解效果的檢測，在進行封層材料的噴涂之前，應先對路面進行清潔并處理表面病害。在南三環(huán)西路輔路路面噴涂納米TiO2含砂霧封層，該試驗段長283 m，寬9 m，面積為2 589 m2；在京開輔路路面噴涂納米TiO2普通霧封層，該試驗段長152 m，寬9 m，面積為1 380 m2。

1.2 試驗路施工工藝

結合霧封層及含砂霧封層的施工工藝，確定兩段試驗路的鋪筑方案。

1.2.1 施工前準備

對路面上的坑槽、大于3 mm的裂縫以及原路面接縫不規(guī)則處等可能影響霧封層處治質量的地方均須按照《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》的相關要求進行處理。為確保含納米TiO2霧封層的施工質量，施工時路面必須處于潔凈、干燥狀態(tài)[9]。

1.2.2 施工工藝

施工前將氮摻雜納米TiO2按2%的添加比例添加到封層材料中，并加入六偏磷酸鈉作為分散穩(wěn)定劑，以保證氮摻雜納米TiO2顆粒在封層材料中的穩(wěn)定性，施工過程中需不斷攪拌，以保證不會發(fā)生分層離析。

由于本次試驗段施工面積較小，故采取人工泵送噴涂施工。具體施工流程如下：

（1）封閉交通，對路面進行清潔；

（2）對路面中存在可能影響霧封層處治質量的部位按規(guī)范要求進行處理；

（3）對原路面各項指標進行檢測，檢測的頻率和位置應與霧封層完工后的檢測頻率和位置一致。主要檢測指標為：滲水、構造深度和摩擦系數(shù)以及有害氣體濃度；

（5）按照設計配比配制含氮摻雜納米TiO2的封層材料；

（6）配制完畢后選用人工噴涂方式噴涂，噴涂過程中嚴格控制噴涂厚度、噴灑速度、噴涂均勻性等，保證噴涂質量；

（7）施工完畢后開放交通時間需根據(jù)當日氣溫情況和交通情況及時調整，該段試驗路，施工完成后5 h即可開放交通。

2 試驗路降解效果檢測與評價

2.1 試驗路降解效果檢測方案

由于試驗路處于開放空間，尾氣濃度較低，一般測量設備采集的數(shù)據(jù)精度較低，難以滿足實驗要求，故本實驗段在對降解效果進行檢測時，選用ZTD-A1型可移動式環(huán)境痕量氣體分析儀。ZTD-A1型可移動式環(huán)境痕量氣體分析儀采用進口高靈敏安培型電化學傳感器，可對空氣中主要有害氣體 O3、CO、SO2、NO2等濃度進行精密檢測，相關技術參數(shù)見表1。

分別選擇有光照和橋下無光照的點進行檢測對比，每個點進行三次檢測，每次檢測時間為10 min。檢測時光照強度在300～600 μw/cm2，溫度在2℃～3℃之間，相對濕度為70%～80%，風速為二級風。其中，含砂霧封層的中檢測點1和3處在光照條件下，檢測點2處在橋下無光條件下，霧封層中檢測點1和3處在光照條件下，檢測點2處在橋下無光條件下。試驗路檢測點位置見圖1。

圖1 試驗路檢測點位置

2.2 試驗路降解效果分析評價

對于南三環(huán)西路輔路試驗段的三次檢測結果，見圖2～圖7。

圖2 第一次檢測NO2濃度變化圖

表1 可移動式環(huán)境痕量氣體分析儀技術參數(shù)

圖3 第一次檢測CO濃度變化

圖4 第二次檢測NO2濃度變化圖

圖5 第二次檢測CO濃度變化圖

圖6 第三次檢測NO2濃度變化圖

圖7 第三次檢測CO濃度變化圖

對于京開輔路試驗段的三次檢測結果，與南三環(huán)西路輔路試驗段檢測趨勢相近，故不再贅述。通過對鋪筑試驗路的納米TiO2霧封層和含砂霧封層在光照條件和橋下無光照條件的濃度進行檢測，發(fā)現(xiàn)在各個檢測階段，光照條件和橋下無光照條件下NO2、CO濃度有高有低，為分析是否具有降解效果，做出如下約定：光照條件下各檢測物質濃度曲線低于橋下無光照時的濃度曲線時，說明封層材料有降解作用，記為“＋”；光照條件下各檢測物質濃度曲線與橋下無光照時的濃度曲線相持平時，說明封層材料沒有作用，記為“0”；光照條件下各檢測物質濃度曲線高于橋下無光照時的濃度曲線時，證明封層材料有負作用，記為“－”。通過10 min的檢測結果的平均值進行對比，分析鋪筑新型納米二氧化鈦基降解材料的路段在光照條件和橋下無光照條件下對空氣中的NO2、CO的降解效果，檢測結果見表2。

表2 檢測結果示意圖

通過上述圖表可知，對NO2在6次檢測結果中，有3次有降解效果，2次沒有降解效果，有1次具有抑制作用；對CO在6次檢測結果中，有2次有降解效果，有3次沒有降解效果，有1次具有抑制作用。

總體而言，通過在含砂霧封層和霧封層材料中添加氮摻雜納米TiO2，對空氣中的CO、NO2氣體具有降解作用，雖然檢測過程中出現(xiàn)沒有降解效果和抑制降解的現(xiàn)象，但具有降解效果的試驗結果處于優(yōu)勢，故具有一定降解作用。出現(xiàn)沒有降解效果和抑制降解的現(xiàn)象的原因可能是在檢過程中環(huán)境變化引起。

3 試驗路路面性能檢測與分析

由于本段試驗路采用含有納米TiO2霧封層和納米TiO2含砂霧封層鋪筑，因此，除檢測納米TiO2封層材料對空氣中有害氣體的降解效果之外，還需檢測由于鋪筑封層材料造成的路面性能變化，主要檢測項目為路面抗滑性能和路面滲水性能。

3.1 試驗路抗滑性能評價

抗滑性能采用擺式儀在鋪筑前后進行檢測，檢測結果見表3、圖8和圖9。

表3 鋪筑前后擺值對比數(shù)據(jù)表

圖8 鋪筑前后抗滑對比圖（含砂）

圖9 鋪筑前后抗滑對比圖（普通）

通過上述檢測結果可知，在路面中鋪筑霧封層材料后對路面的抗滑性能有所影響。鋪筑納米TiO2含砂霧封層后抗滑性降低5.1%,。鋪筑納米TiO2普通霧封層后抗滑性降低9.4%，但仍滿足規(guī)范要求。

3.2 試驗路滲水性能評價

滲水性采用面滲水儀測在鋪筑前后進行檢測，檢測結果見表4、圖10和圖11。

表4 鋪筑前后擺值對比數(shù)據(jù)表

圖10 鋪筑前后滲水對比圖（含砂）

圖11 鋪筑前后滲水對比圖（含砂）

通過上述檢測結果可知，在路面中鋪筑含納米TiO2封層材料后，由于封層材料的預養(yǎng)護功能，路面的滲水性能得到改善。

5 結論

（1）瀝青路面鋪筑納米TiO2普通霧封層或含砂霧封層后，對汽車尾氣有一定降解效果，但由于道路屬于開放空間，受環(huán)境因素影響較強烈，故一般檢測手段難以準確量化具體降解效果，降解效果的檢測手段有待加強。

（2）瀝青路面鋪筑納米TiO2普通霧封層或含砂霧封層后，雖然路面抗滑性能稍有降低，但由于霧封層的預養(yǎng)護功能，滲水性能得到改善，并未影響瀝青路面面層的使用性能。

（3）從工程應用角度考慮，同等納米TiO2添加量下，含砂霧封層對路面抗滑性能影響較小，具有更好的應用前景。

（4）所提出的納米TiO2普通霧封層和納米TiO2含砂霧封層的鋪筑工藝可為以后對此技術的進一步研究或實際工程應用提供參考。

[1]譚憶秋,李洛克,魏鵬,等.可降解汽車尾氣材料在瀝青路面中的應用性能評價[J].中國公路學報,2010(6)：21-27.

[2]孫立軍,徐海銘,李劍飛,等.納米納米二氧化鈦處治汽車尾氣效果與應用方法的研究［J］.公路交通科技,2014(4)：153-158.

[3]ASAI R,MORIKAWA T,OHWAKI T,etc.Visible-light phohocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides[J].Science,2001(293)：269-271.

[4]QIAN Chun-xiang,ZHAO Lian-fang,FU Da-fang,etc.Photocatalytic Oxidation of Nitrogen Oxides by Nano-TiO2Immobilized on Road Surface Materials[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2005,33(4)：422-427.

[5]魏鵬.可降解汽車尾氣的瀝青混合料路面研究[D].黑龍江哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2008.

[6]Marwa Hassan,Loury N.Mohammad,Somayeh Asadi,etc.Sustainable Photocatalytic Asphalt Pavements for Mitigation of Nitrogen Oxide and Sulfur Dioxide Vehicle Emissions[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2013,25(3)：365-372.

[7]David Osbon,Marwa Hassan,Somayeh Asadi,etc.Durability Quantification of TiO2 Surface Coating on Concrete and Asphalt Pavements[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2014,26(2)：7-14.

[8]胡裕龍,劉宏芳,郭興蓬.氮摻雜二氧化鈦光催化劑的研究進展[J].硅酸鹽學報,2010(3)：535-541.

[9]JTGH10-2009,公路養(yǎng)護技術規(guī)范[S].