可降解汽車尾氣的環(huán)保型瀝青路面研發(fā)及應(yīng)用

蔡碩果, 徐世法, 楊 揚(yáng), 劉文明, 高 山

(1.北京特希達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100067；2.北京建筑大學(xué) 未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3.北京城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心，北京 100069)

國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年末全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量為26 150萬輛，其中私家車22 635萬輛；北京市機(jī)動(dòng)車保有量為636.5萬輛，其中私家車497.4萬輛。機(jī)動(dòng)車數(shù)量的顯著增加導(dǎo)致汽車尾氣排放到空氣中的污染物驟增，汽車尾氣中的主要成分有固體顆粒懸浮物PM 10和PM 2.5、氮氧化合物NOX、一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒C等大量有害物質(zhì)，已成為影響空氣質(zhì)量(PM 2.5)，造成霧霾的主要原因之一[1,2]。

隨著對(duì)汽車尾氣危害的認(rèn)識(shí)不斷提高，國(guó)家采取了很多措施，例如鼓勵(lì)發(fā)展公共交通，減少私人汽車使用；通過法規(guī)限制汽車尾氣排放，限制機(jī)動(dòng)車通行；改善現(xiàn)有的汽車動(dòng)力裝置和燃油質(zhì)量，施行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)外尾氣凈化措施等[3]。近年來，鑒于汽車尾氣的排放位置與路面僅相隔30cm左右，北京特希達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)院聯(lián)合北京建筑大學(xué)的研究人員利用光催化材料，依托北京市交通行業(yè)科技項(xiàng)目“降解PM 2.5道路建筑材料(二氧化鈦基)在城市道路中的應(yīng)用研究”，開發(fā)了具有寬域紫外光感頻段的復(fù)合氮摻雜納米TiO2光催化降解汽車尾氣材料，并將其加入瀝青混合料中制成可降解汽車尾氣的環(huán)保型瀝青路面材料，在北京市景山公園和故宮博物館之間鋪筑了一條試驗(yàn)路，取得了一定的應(yīng)用效果。

1 試驗(yàn)路概述

試驗(yàn)路位于北京市東城區(qū)，道路起點(diǎn)為北池子大街，終點(diǎn)為北長(zhǎng)街，與北海公園相接，道路總體呈東西走向，街道北側(cè)為景山公園、南側(cè)為故宮博物館，道路全長(zhǎng)約1.0 km，應(yīng)用面積約為21 000 m2。試驗(yàn)路采用2.5 cm厚超薄層罩面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，在超薄層罩面瀝青混合料中添加了可降解汽車尾氣的道路建筑材料(復(fù)合納米TiO2光催化劑粉末)。

2 原材料

2.1 粗集料

由于試驗(yàn)路采用的是超薄層罩面作為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，粗集料選用河北張家口產(chǎn)優(yōu)質(zhì)玄武巖石料，并且對(duì)石料的洛杉磯磨耗損失進(jìn)行了嚴(yán)格要求,主要用料5～10 mm檔石料的試驗(yàn)檢測(cè)值大都在15%以下，石料的質(zhì)量要求及檢測(cè)值見表1。

表1 粗集料技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

2.2 細(xì)集料

本次超薄層罩面瀝青混合料的細(xì)集料選用河北張家口產(chǎn)高質(zhì)量石灰?guī)r石料，經(jīng)水洗后采用專用的制砂機(jī)生產(chǎn)，其規(guī)格選用0～3 mm檔，并嚴(yán)格要求顆粒組成符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)表4.9.4中S16的要求，機(jī)制砂的具體檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 細(xì)集料技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

2.3 填料

本次超薄層罩面瀝青混合料的填料選用河北張家口產(chǎn)高質(zhì)量石灰?guī)r石料磨細(xì)得到的礦粉，其質(zhì)量要求及檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 礦粉技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

2.4 SBS改性瀝青

本次超薄層罩面瀝青混合料的選用北京市政路橋建材集團(tuán)有限公司通州瀝青廠的成品SBS改性瀝青，按照現(xiàn)行規(guī)范要求，對(duì)樣品進(jìn)行了各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表4所示。

表4 SBS改性瀝青技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

2.5 黏層用SBS改性高黏乳化瀝青

超薄層罩面瀝青混合料攤鋪前應(yīng)噴灑改性乳化瀝青黏層，用量為1.0 L/m2，改性乳化瀝青選用北京市政路橋建材集團(tuán)有限公司通州瀝青廠的成品SBS改性高黏乳化瀝青，按照現(xiàn)行規(guī)范要求，對(duì)樣品進(jìn)行了各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 SBS改性高黏乳化瀝青的技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果

2.6 添加劑

添加劑為新型納米TiO2基光觸媒材料，為一種無毒且不透明的白色粉末，通過氮摻雜納米TiO2一系列復(fù)合改性技術(shù)提高了光催化降解汽車尾氣性能，將二氧化鈦光觸媒降解材料對(duì)太陽光的可作用波段由<387 nm拓寬至<450 nm波段[4]。添加劑晶體形態(tài)為銳鈦礦，在水溶液、稀堿、稀酸中不可溶。比重為4.26，沸點(diǎn)為2 900 ℃，熔點(diǎn)為1 855 ℃。在本試驗(yàn)路中的應(yīng)用方式為填料式，按瀝青混合料0.3%的比例與礦粉混合后，再將其與集料進(jìn)行常規(guī)的攪拌、成型,制成一種可降解汽車尾氣的環(huán)保型瀝青混合料。

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配參照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《道路超薄罩面施工技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型瀝青混合料級(jí)配要求范圍進(jìn)行礦料級(jí)配設(shè)計(jì)。礦料設(shè)計(jì)級(jí)配下各檔礦料比例見表6，級(jí)配曲線如圖1所示，各檔礦料不同篩孔尺寸通過率見表7。

表6 礦料級(jí)配下各檔料比例

表7 礦料設(shè)計(jì)級(jí)配及不同篩孔通過率

3.2 瀝青用量的確定

參照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《道路超薄罩面施工技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型瀝青混合料，依據(jù)礦料設(shè)計(jì)級(jí)配及以往經(jīng)驗(yàn)，確定初始瀝青用量為4.8%。以0.5%為間隔，調(diào)整4個(gè)不同的油石比，瀝青用量分別為4.3%、4.8%、5.3%、5.8%,制作試件。試件在試驗(yàn)室內(nèi)拌和溫度為170℃，壓實(shí)溫度為160℃；采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)成型，壓實(shí)次數(shù)為100次。計(jì)算檢測(cè)4個(gè)不同瀝青用量的瀝青混合料的孔隙率、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)、油膜厚度等各項(xiàng)指標(biāo)，見表8。

表8 不同瀝青用量下混合料體積性質(zhì)

參照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《道路超薄罩面施工技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型瀝青混合料要求及建議最小油膜厚度要求，確定瀝青用量為4.7%是比較合理的，此時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.3 析漏試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證超薄層罩面瀝青混合料中瀝青用量是否合理，采用美國(guó)AASHTO提出的網(wǎng)籃法析漏試驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。析漏試驗(yàn)結(jié)果見表9，試驗(yàn)結(jié)果表明本次超薄層罩面瀝青混合料中所采用4.7%瀝青用量是合理的。

表9 瀝青析漏試驗(yàn)

4 試驗(yàn)路評(píng)價(jià)

4.1 路用性能驗(yàn)證

按照北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《道路超薄罩面施工技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 1590-2018)、《城市道路大修工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/T 1271-2015)等現(xiàn)行規(guī)范要求，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行了路用性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表10。結(jié)果表明，該混合料的路用性能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，可降解汽車尾氣材料的摻入不影響瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。試驗(yàn)路于2019年6月鋪筑完成，至今使用1年多，使用狀況良好。

表10 路用性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)表

4.2 降解效果評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)超薄層罩面瀝青混合料降解汽車尾氣的能力，開發(fā)了一套模擬尾氣降解試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)汽車尾氣中三種主要有害氣體(氮氧化合物NOX、一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒C)的降解效果進(jìn)行檢測(cè)。該系統(tǒng)包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)A、尾氣來源系統(tǒng)B和氣體反應(yīng)室C，如圖2所示。

圖2 模擬尾氣的降解系統(tǒng)

本次試驗(yàn)路所用超薄層罩面瀝青混合料中汽車尾氣降解材料添加劑用量為0.3%，室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)到汽車尾氣主要3種有害氣體(一氧化碳CO、氮氧化合物NOX、碳?xì)浠衔颒C)平均降解率分別降低16.5%、13.9%、10.5%。

5 結(jié)語

(1)新型納米TiO2基光觸媒材料摻入瀝青混合料中，參照超薄層罩面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，最佳瀝青用量為4.7%，瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，說明可降解汽車尾氣材料的摻入不影響瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。試驗(yàn)路已使用1年多，使用狀況良好，但其耐久性能方面還有待深入研究。

(2)摻入納米TiO2基光觸媒材料后瀝青混合料能有效降解汽車尾氣，在車流比較密集的城市道路中大有可為，試驗(yàn)路的探索符合綠色環(huán)保路面和低碳城市的發(fā)展理念。這一領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，顯示出路面尾氣凈化技術(shù)的光明應(yīng)用前景。