CN107601979A - 具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计方法，属于路面材料技术领域，解决目前沥青路面负载的光催化剂TiO₂与尾气接触少、催化效率低、降解效能差的问题。本发明首先确定半柔性路面中多孔沥青混合料骨架级配和改性沥青用量，制备车辙板试件；然后采用溶胶‑凝胶法制备钒掺杂改性TiO₂凝胶，经研磨、煅烧制得钒掺杂TiO₂粉末；再制备含有改性TiO₂粉末水泥砂浆，并灌注车辙板试件，将试件表面多余的水泥砂浆清除，表面露出多孔沥青混合料；最后利用汽车尾气降解测试装置，检测含有钒改性TiO₂半柔性路面对汽车尾气光催化降解效果，确定钒的最佳掺杂量，使半柔性路面发挥更好的降解汽车尾气效果，指导具有降解汽车尾气功能的半柔性路面设计。

Description

具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计方法

技术领域

本发明是一种具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计方法，属于路面材料技术领域。

背景技术

随着我国城镇化水平逐渐提高和交通运输业持续快速发展，我国汽车保有量大幅度增加，从而导致的城市汽车尾气污染问题日益严重，汽车尾气已成为雾霾天气的重要原因之一。研究结果表明，目前机动车造成的空气污染正成为影响空气质量的主要污染源之一，汽车尾气也是PM2.5产生的主要来源之一，汽车尾气治理是交通运输“节能减排”工作的重要内容。当前对汽车尾气污染治理主要从机内净化和机外净化这两方面着手。现阶段很多机外净化都是在汽车排气管安置尾气催化转化器，但催化转化器因为催化剂表面有限、尾气接触催化剂时间又短、有限时间内只能承受一定的污染负荷，而过大负荷会使催化剂中毒失效，导致催化转化器净化尾气效果有限，仅依靠提高汽车技术已经不能满足净化汽车尾气的要求。

近年来，道路工程研究者考虑从汽车载体-路面入手研发新型的可降解汽车尾气的路面材料。因为二氧化钛(TiO₂)光催化剂具有活性高、无毒、无二次污染、化学稳定性好、价格低廉、可重复使用等优点，已成为净化尾气的有效途径之一。目前TiO₂光催化技术在国际上已取得了一定的成果，证实了其应用的可行性。日本最先开始光催化剂技术产业化工作，研制出具有空气能力的水泥，并成功地将这种含有TiO₂光催化剂的水泥铺设在路面上，用来降解汽车尾气，取得较好的效果。欧美国家也进行这方面的研究，并通过对试路段实测对TiO₂光催化效果进行评价，取得了一定的成果。

国内光催化剂的研究起步较晚，研究者将光催化剂通过一定方法涂抹在水泥混凝土路面，一方面可以实现路面洁净的作用，另一方面可以降解汽车尾气。TiO₂既可以作为光催化剂材料，又可以作为建筑材料，TiO₂粉末与水泥混凝土混合不会改变其原始性能，TiO₂用于水泥基材料中具有更好的催化降解功能。也有将光催化材料应用于沥青路面材料中并提出一套尾气降解能力的试验方法和评价指标，对影响尾气降解能力的因素进行研究，并结合道路工程的特点对不同掺配方式路面的使用功能、耐久性进行分析。

另外，水泥路面因接缝而导致整体性与行车舒适性较差、养护维修困难，易产生开裂、唧浆、错台、断板等问题，而沥青路面存在车辙、拥抱、开裂、泛油、水损害多、耐久性较差等不足。近年来半柔性路面受到大家关注，半柔性路面是一种刚柔相济的新型路面结构形式，它是将特殊级配的水泥砂浆灌入大孔隙沥青混合料中而形成的路面，使水泥路面和沥青路面的性能互相补充，充分集合并发挥了刚性水泥路面和柔性沥青路面优点，具有高于水泥混凝土的柔性和高于沥青混凝土的刚性，提高了路面的耐久性和服务水平。

但是，目前基于路面为载体负载光催化剂降解汽车尾气的研究还存在一些问题。首先，目前采用的TiO₂很少经过掺杂改性，TiO₂禁带宽度较大，只接收仅占太阳光5％的紫外光照射，而占太阳光约43％的可见光并不能得到充分利用，对太阳能的吸收利用低，且光照射后产生的电子-空穴对易复合，光转化效率低，催化效果差；其次，目前路面常用TiO₂负载方法主要有表面喷涂和作为填料添加在沥青路面中，耐久性较差，催化效率低，降解效能差；最后，尾气中各成分经TiO₂光催化反应生成的无机酸类等附着在光催化剂表面，严重影响光催化剂的反应活性，不利于光催化剂的循环使用，降低对尾气的净化效果。

为解决以上问题，本发明充分利用新型城市道路半柔性路面结构层为载体负载经掺杂改性后的光催化剂，并把光催化剂添加到高性能水泥砂浆内，充分发挥半柔性路面良好的路用性能和光催化剂的高降解效能，增加与汽车尾气(包括碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳)接触几率，提高光催化效率，且可通过半柔性路面的碱性水泥浆的中和反应，去除催化剂表面生成并附着的酸性产物，实现光催化剂的再生利用，提高汽车尾气降解效果，减少对环境污染，对缓解城市热岛效应和提高城市空气质量具有重要意义，为我国完成节能减排的目标做出巨大的贡献。

发明内容

(1)技术问题

本发明是一种具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计方法，解决目前沥青路面负载的光催化剂TiO₂与尾气接触少、催化效率低、降解效能差的问题。

(2)技术方案

目前，TiO₂主要是喷涂在路面上和作为填料添加在沥青路面中，存在与尾气接触少、催化效率低、降解效能差、耐久性较差的问题。本发明技术方案如下：首先，根据集料筛分结果确定半柔性路面结构中多孔沥青混合料骨架的级配和改性沥青用量，采用碾压成型方法制备空隙率为25％～35％沥青混合料车辙板试件；然后，采用溶胶-凝胶法制备钒掺杂改性TiO₂凝胶，研磨后放在500℃马沸炉煅烧制得钒掺杂TiO₂粉末；其次，按照一定比例，依次分别将水、水泥、细砂、改性TiO₂粉末加入砂浆搅拌机进行搅拌，制得含有改性TiO₂粉末的水泥砂浆，并灌注多孔沥青混合料车辙板试件，使水泥砂浆完全填满整个试件的空隙，采用橡胶刮板将试件表面多余的水泥砂浆清除，表面露出多孔沥青混合料，在标准养护室内静置7天；最后，利用汽车尾气降解测试装置，检测含有钒改性TiO₂半柔性路面对汽车尾气各成分(包括碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳)的光催化降解效果，经反复试验确定钒的最佳掺杂量，使半柔性路面发挥更好的降解汽车尾气效果，指导具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计。

(3)有益效果

纳米二氧化钛具有光催化性，可以有效的降解汽车尾气。目前主要采用沥青路面负载光催化剂，但二氧化钛容易被沥青裹覆，且沥青为黑色，吸收大部分的光强，严重影响光催化剂发生反应时的光照强度，从而降低催化效率。光催化反应将尾气中各成分转化为无机酸类等，并附着在光催化剂表面，严重影响催化剂反应活性，而半柔性路面中灌入的碱性水泥砂浆可以中和酸性降解产物，并在雨天将降解产物除去，实现光催化剂再生利用，使半柔性路面具有可持续净化尾气功能。且以半柔性路面结构层为载体负载掺杂改性后的光催化剂，把光催化剂掺加到水泥砂浆中，最大程度发挥半柔性路面和光催化剂的优越性，增加光催化剂与尾气(包括碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳)接触几率，提高催化效率，降解汽车尾气，减少环境污染，建设低碳环保型路面，实现节能减排，同时赋予路面良好的路用性能，延长使用寿命，提高服务品质。

具体实施方式

本发明是一种具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计方法，具体实施步骤如下：

(1)测试集料各项技术指标满足要求后，根据集料筛分结果确定半柔性路面结构中多孔沥青混合料骨架的级配和改性沥青用量，采用碾压成型方法制备空隙率为25％～35％沥青混合料车辙板试件，室温静置24小时；

(2)以乙酰丙酮、正丁醇、钛酸四丁酯、异丙醇和四甲基乙二胺为原料，采用溶胶-凝胶法制备钒掺杂改性TiO₂凝胶，在80℃条件下干燥24小时，研磨后放在500℃马沸炉煅烧18小时制得钒掺杂TiO₂粉末；

(3)按照24～28％：42～46％：26～30％：6～10％的比例，依次分别将水、水泥、细砂、改性TiO₂粉末加入砂浆搅拌机进行搅拌，制得含有改性TiO₂粉末的水泥砂浆，控制其流动度为9～11秒；

(4)在平板振动台上，采用新制备的水泥砂浆灌注多孔沥青混合料车辙板试件，使水泥砂浆完全填满整个试件的空隙，采用橡胶刮板将试件表面多余的水泥砂浆清除，表面露出多孔沥青混合料，在标准养护室内静置7天；

(5)利用自主研发的汽车尾气降解测试装置，检测含有钒改性TiO₂半柔性路面对汽车尾气中碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳的光催化降解效果，经反复试验确定钒的最佳掺杂量，使半柔性路面发挥更好的降解汽车尾气效果。

Claims (1)

1.本发明是一种具有降解汽车尾气功能的半柔性路面材料设计方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)测试集料各项技术指标满足要求后，根据集料筛分结果确定半柔性路面结构中多孔沥青混合料骨架的级配和改性沥青用量，采用碾压成型方法制备空隙率为25％～35％沥青混合料车辙板试件，室温静置24小时；

(2)以乙酰丙酮、正丁醇、钛酸四丁酯、异丙醇和四甲基乙二胺为原料，采用溶胶-凝胶法制备钒掺杂改性TiO₂凝胶，在80℃条件下干燥24小时，研磨后放在500℃马沸炉煅烧18小时制得钒掺杂TiO₂粉末；

(3)按照24～28％∶42～46％∶26～30％∶6～10％的比例，依次分别将水、水泥、细砂、改性TiO₂粉末加入砂浆搅拌机进行搅拌，制得含有改性TiO₂粉末的水泥砂浆，控制其流动度为9～11秒；

(4)在平板振动台上，采用新制备的水泥砂浆灌注多孔沥青混合料车辙板试件，使水泥砂浆完全填满整个试件的空隙，采用橡胶刮板将试件表面多余的水泥砂浆清除，表面露出多孔沥青混合料，在标准养护室内静置7天；

(5)利用自主研发的汽车尾气降解测试装置，检测含有钒改性TiO₂半柔性路面对汽车尾气中碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳的光催化降解效果，经反复试验确定钒的最佳掺杂量，使半柔性路面发挥更好的降解汽车尾气效果。