CN105126924A - 一种具有光催化降解功能的轻质沥青混合料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用轻质集料多孔性能负载纳米二氧化钛(TiO₂)制备具有光催化功能的轻质沥青混合料，属于路面材料技术领域，解决沥青路面负载的TiO₂分散效果差、掺量低、光催化效率低、降解效果差、影响路用性能的问题。本发明先以钛酸丁酯做为前驱体通过溶胶-凝胶法制备TiO₂溶胶，再将轻质集料浸渍在溶胶中，采用真空吸附法使TiO₂进入轻质集料空隙内，烘干煅烧后制得负载纳米TiO₂的轻质集料；然后采用负载型轻集料取代部分普通集料，进行沥青混合料配合比设计，分别确定各混合料的级配和最佳油石比，测试沥青混合料各项路用性能；测试沥青混合料对汽车尾气降解实验效果，结合各项路用性能实验结果，确定轻集料最佳掺量，制备沥青混合料铺筑环保型沥青路面。

Description

一种具有光催化降解功能的轻质沥青混合料制备方法

技术领域

本发明是一种利用轻质集料多孔性能负载纳米二氧化钛(TiO₂)制备具有光催化功能的轻质沥青混合料，属于路面材料技术领域。

背景技术

机动车的排放是大气主要污染源之一，其排放的大量氮氧化物，碳氧化物和HC化合物，对人类自身健康及其生存环境会造成严重的危害。但由于机动车保有量的迅速增加，汽车尾气排放总量日益增多。因此，如何更有效地净化机动车排放污染物已成为国内外研究的热点。纳米光催化净化措施作为21世纪的一种新兴的环保技术，现已被广泛地应用到环境治理中。在众多光催化材料中，纳米TiO₂因其特殊的光电特性以及较大的比表面积被越来越多的应用于空气净化、污水处理等方面。

由于汽车尾气在排放的过程中首先接触到路面，且随热量的快速散失在流动中下沉并趋向于路面，如果将纳米TiO₂光催化材料应用于路面工程中，汽车尾气很容易接触并吸附到纳米TiO₂的表面，在光照条件下，可以将汽车尾气中的CO、HC、NO_x等成分相应地生成为碳酸盐、硝酸盐等，从而实现降解汽车尾气的功能。因此，利用道路路面集料负载纳米材料来净化机动车排放污染物是一种可行的方法。

虽然纳米TiO₂粉体光催化剂催化活性高，但是当作为一种无机材料掺杂到沥青混合料中时，还存在一些问题有待解决。首先，由于沥青基材本身是一种由多种混合物组成的有机高分子聚合物，具有亲油憎水的特点，与纳米TiO₂材料亲水憎油的特性互为矛盾，如直接提高TiO₂负载量，会影响沥青混合料路用性能；其次，纳米TiO₂的比表面积大，比表面能高，是热力学不稳定体系，由于范德华力和库仑力的存在促使表面粒子相互靠拢，形成硬团聚和软团聚，最终致使纳米TiO₂失去颗粒应有的功能和物理性质；最后，由于沥青结构致密，尾气基本上不能透入内部，并且沥青的颜色为黑色，对光线有较强的吸收作用和较弱的透光性，大大减弱了到达位于沥青混合料内部的光催化材料的光强，沥青混合料内部的光催化剂不能充分的接触反应物质和紫外光，只有表面极少量的光催化剂发挥微弱的光催化活性。

随着高性能轻集料的发展，吸水率低、强度高、比重低于普通集料的轻集料越来越多的应用于沥青路面铺筑工程中，而轻集料的多孔特性恰好为负载纳米TiO₂粉体提供了条件。因此，可以考虑选择一部分轻集料代替普通集料作为纳米TiO₂的载体。轻集料替代普通集料不仅能改善沥青混凝土抗滑性能、抗车辙性能和水稳定性，提高弹性，并能减轻沥青混凝土的质量。同时，多孔轻质集料作为吸附载体，以纳米TiO₂为光催化材料，采用真空浸入法将纳米TiO₂吸附于多孔轻质集料的孔隙结构中，提高沥青路面中纳米TiO₂的负载量和改善降解汽车尾气效果，同时可提高纳米TiO₂粉体在沥青混合料中分散性，减少对沥青路面使用性能影响。

所以，本发明先利用轻集料的多孔性能，以轻集料为载体，以改进沥青路面负载纳米TiO₂的方法，避免了直接掺加纳米TiO₂带来的分散不均匀造成的光催化效率低以及无机材料自身的亲水憎油性影响沥青路面路用性能的问题，对提高沥青路面负载纳米TiO₂掺量比例，充分利用纳米TiO₂的光催化性能净化空气质量具有重要的现实意义。

发明内容

(1)技术问题

本发明是一种利用轻质集料多孔性能负载纳米二氧化钛(TiO2)制备具有光催化功能的轻质沥青混合料，解决目前沥青混合料负载纳米TiO₂分散效果差、掺量比例低、光催化效率低、降解效果差的问题。弥补了由于无机纳米TiO₂本身的亲水憎油性导致的沥青混合料路用性能降低的缺陷。

(2)技术方案

如果纳米TiO₂直接添加到沥青混合料中，存在分散效果差、掺量有限、光催化效率低、降解效果差、影响路用性能等问题。本发明首先以钛酸丁酯做为前驱体通过溶胶-凝胶法制备透明稳定的TiO₂溶胶；再将轻质集料浸渍在纳米TiO₂溶胶中，在抽真空后形成内外压差的条件下，使TiO₂进入轻质集料空隙内部，烘干煅烧后制得负载纳米TiO₂的轻质集料；然后采用负载纳米TiO₂轻集料取代部分普通集料，按照负载型轻集料不同掺加比例进行沥青混合料配合比设计，分别确定各混合料的级配和最佳油石比，并对沥青混合料的各项路用性能进行测试；最后，通过汽车尾气降解实验效果，并结合各沥青混合料的各项路用性能实验结果，确定轻集料最佳掺加比例。

(3)有益效果

纳米TiO₂由于其良好的光催化性，可用于沥青路面中降解汽车尾气，净化空气环境。对于沥青基材料载体，如果直接选择纳米TiO₂粉体掺杂在沥青混合料中。由于沥青是一种由多种混合物组成的有机高分子聚合物，属于亲油憎水的物质，而纳米TiO₂是一种小分子无机材料，具有亲水憎油性，因此两者之间的相容性差，掺量有限，否则严重影响沥青路面的路用性能和降解汽车尾气效果。为了确保沥青路面使用性能的前提下，提高沥青路面降解汽车尾气效果。本发明提供一种利用轻质集料作为载体，基于其轻质集料的多孔特性负载纳米TiO₂，以负载型轻集料替代部分普通集料，解决沥青路面负载纳米TiO₂分散效果差、掺量少、光催化效率低、降解效果差的问题。避免由于无机纳米TiO₂本身的亲水憎油性影响沥青路面路用性能的不足。所以，基于轻质集料其轻质多孔的特性，在改善沥青路面路由性能的同时，作为纳米TiO₂的载体，也大大提高了纳米TiO₂在沥青混合料中的光催化活性，提高了沥青混合料负载TiO₂的光催化效率和对汽车尾气的降解效果，减少了对沥青路面性能影响，提高了沥青路面的耐久性。

具体实施方式

本发明是一种利用轻质集料多孔性能负载纳米二氧化钛(TiO₂)制备具有光催化功能的轻质沥青混合料，具体实施步骤如下：

(1)采用溶胶-凝胶法制备TiO₂，以钛酸丁酯做为前驱体，乙醇为溶剂，与醋酸和去离子水在磁力搅拌器高速搅拌条件下充分混合反应制得透明稳定的TiO₂溶胶；

(2)将轻质集料放入真空罐中预抽真空，将制备好的溶胶倒入真空罐浸没轻质集料，继续抽真空，每隔30min关闭真空，打开罐口，在轻集料表面形成内外压差，反复3次，使得溶胶最大程度的吸附到轻集料孔隙内部；

(3)采用低速甩干机去除轻集料表面多余的溶胶，将负载湿溶胶的轻集料通风干燥2小时后，置于烘箱中，在80℃的温度下烘干12小时，再在马弗炉中500℃下煅烧制得负载纳米TiO₂的轻集料；

(4)采用负载纳米TiO₂轻集料取代部分普通集料，按照负载型轻集料不同掺加比例进行沥青混合料配合比设计，分别确定各混合料的级配和最佳油石比，并对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行测试；

(5)通过测试负载型轻集料不同掺量下的沥青混合料试件对汽车尾气降解实验效果，并结合各沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性实验结果，确定轻集料取代普通集料的最佳比例用于制备沥青混合料铺筑沥青路面。

Claims (1)

1.本发明是一种利用轻质集料多孔性能负载纳米二氧化钛(TiO₂)制备具有光催化功能的轻质沥青混合料，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)采用溶胶-凝胶法制备TiO₂，以钛酸丁酯做为前驱体，乙醇为溶剂，与醋酸和去离子水在磁力搅拌器高速搅拌条件下充分混合反应制得透明稳定的TiO₂溶胶；

(2)将轻质集料放入真空罐中预抽真空，将制备好的溶胶倒入真空罐浸没轻质集料，继续抽真空，每隔30min关闭真空，打开罐口，在轻集料表面形成内外压差，反复3次，使得溶胶最大程度的吸附到轻集料孔隙内部；

(3)采用低速甩干机去除轻集料表面多余的溶胶，将负载湿溶胶的轻集料通风干燥2小时后，置于烘箱中，在80℃的温度下烘干12小时，再在马弗炉中500℃下煅烧制得负载纳米TiO₂的轻集料；

(4)采用负载纳米TiO₂轻集料取代部分普通集料，按照负载型轻集料不同掺加比例进行沥青混合料配合比设计，分别确定各混合料的级配和最佳油石比，并对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行测试；

(5)通过测试负载型轻集料不同掺量下的沥青混合料试件对汽车尾气降解实验效果，并结合各沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性实验结果，确定轻集料取代普通集料的最佳比例用于制备沥青混合料铺筑沥青路面。