可降解汽車尾氣的環保型瀝青路面研發及應用

蔡碩果, 徐世法, 楊 揚, 劉文明, 高 山

(1.北京特希達交通勘察設計院有限公司，北京 100067；2.北京建筑大學 未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；3.北京城市道路養護管理中心，北京 100069)

國家統計數據顯示，截至2019年末全國機動車保有量為26 150萬輛，其中私家車22 635萬輛；北京市機動車保有量為636.5萬輛，其中私家車497.4萬輛。機動車數量的顯著增加導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、碳氫化合物HC等大量有害物質，已成為影響空氣質量(PM 2.5)，造成霧霾的主要原因之一[1,2]。

隨著對汽車尾氣危害的認識不斷提高，國家采取了很多措施，例如鼓勵發展公共交通，減少私人汽車使用；通過法規限制汽車尾氣排放，限制機動車通行；改善現有的汽車動力裝置和燃油質量，施行發動機機外尾氣凈化措施等[3]。近年來，鑒于汽車尾氣的排放位置與路面僅相隔30cm左右，北京特希達交通勘察設計院聯合北京建筑大學的研究人員利用光催化材料，依托北京市交通行業科技項目“降解PM 2.5道路建筑材料(二氧化鈦基)在城市道路中的應用研究”，開發了具有寬域紫外光感頻段的復合氮摻雜納米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路，取得了一定的應用效果。

1 試驗路概述

試驗路位于北京市東城區，道路起點為北池子大街，終點為北長街，與北海公園相接，道路總體呈東西走向，街道北側為景山公園、南側為故宮博物館，道路全長約1.0 km，應用面積約為21 000 m2。試驗路采用2.5 cm厚超薄層罩面預防性養護措施，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(復合納米TiO2光催化劑粉末)。

2 原材料

2.1 粗集料

由于試驗路采用的是超薄層罩面作為預防性養護措施，粗集料選用河北張家口產優質玄武巖石料，并且對石料的洛杉磯磨耗損失進行了嚴格要求,主要用料5～10 mm檔石料的試驗檢測值大都在15%以下，石料的質量要求及檢測值見表1。

表1 粗集料技術要求及檢測結果

2.2 細集料

本次超薄層罩面瀝青混合料的細集料選用河北張家口產高質量石灰巖石料，經水洗后采用專用的制砂機生產，其規格選用0～3 mm檔，并嚴格要求顆粒組成符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)表4.9.4中S16的要求，機制砂的具體檢測結果見表2。

表2 細集料技術要求及檢測結果

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高質量石灰巖石料磨細得到的礦粉，其質量要求及檢測結果見表3。

表3 礦粉技術要求及檢測結果

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有限公司通州瀝青廠的成品SBS改性瀝青，按照現行規范要求，對樣品進行了各項指標檢測，檢測結果見表4所示。

表4 SBS改性瀝青技術要求及檢測結果

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有限公司通州瀝青廠的成品SBS改性高黏乳化瀝青，按照現行規范要求，對樣品進行了各項指標檢測，檢測結果見表5。

表5 SBS改性高黏乳化瀝青的技術要求及檢測結果

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TiO2一系列復合改性技術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]。添加劑晶體形態為銳鈦礦，在水溶液、稀堿、稀酸中不可溶。比重為4.26，沸點為2 900 ℃，熔點為1 855 ℃。在本試驗路中的應用方式為填料式，按瀝青混合料0.3%的比例與礦粉混合后，再將其與集料進行常規的攪拌、成型,制成一種可降解汽車尾氣的環保型瀝青混合料。

3 配合比設計

3.1 礦料級配設計

礦料級配參照北京市地方標準《道路超薄罩面施工技術規范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型瀝青混合料級配要求范圍進行礦料級配設計。礦料設計級配下各檔礦料比例見表6，級配曲線如圖1所示，各檔礦料不同篩孔尺寸通過率見表7。

表6 礦料級配下各檔料比例

表7 礦料設計級配及不同篩孔通過率

3.2 瀝青用量的確定

參照北京市地方標準《道路超薄罩面施工技術規范》(DB11/T 1590-2018)Ⅱ型瀝青混合料，依據礦料設計級配及以往經驗，確定初始瀝青用量為4.8%。以0.5%為間隔，調整4個不同的油石比，瀝青用量分別為4.3%、4.8%、5.3%、5.8%,制作試件。試件在試驗室內拌和溫度為170℃，壓實溫度為160℃；采用旋轉壓實儀壓實成型，壓實次數為100次。計算檢測4個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)、油膜厚度等各項指標，見表8。

表8 不同瀝青用量下混合料體積性質

參照北京市地方標準《道路超薄罩面施工技術規范》(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，此時各項指標均符合現行規范要求。

3.3 析漏試驗

為進一步驗證超薄層罩面瀝青混合料中瀝青用量是否合理，采用美國AASHTO提出的網籃法析漏試驗方法進行檢驗。析漏試驗結果見表9，試驗結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

4 試驗路評價

4.1 路用性能驗證

按照北京市地方標準《道路超薄罩面施工技術規范》(DB11/T 1590-2018)、《城市道路大修工程質量檢驗標準》(DB11/T 1271-2015)等現行規范要求，對瀝青混合料進行了路用性能檢驗，試驗結果見表10。結果表明，該混合料的路用性能滿足現行規范要求，可降解汽車尾氣材料的摻入不影響瀝青混合料的各項路用性能。試驗路于2019年6月鋪筑完成，至今使用1年多，使用狀況良好。

表10 路用性能驗證數據表

4.2 降解效果評價

為評價超薄層罩面瀝青混合料降解汽車尾氣的能力，開發了一套模擬尾氣降解試驗系統，對汽車尾氣中三種主要有害氣體(氮氧化合物NOX、一氧化碳CO、碳氫化合物HC)的降解效果進行檢測。該系統包含實時監測系統A、尾氣來源系統B和氣體反應室C，如圖2所示。

圖2 模擬尾氣的降解系統

本次試驗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%，室內試驗檢測到汽車尾氣主要3種有害氣體(一氧化碳CO、氮氧化合物NOX、碳氫化合物HC)平均降解率分別降低16.5%、13.9%、10.5%。

5 結語

(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的設計標準進行了配合比設計，最佳瀝青用量為4.7%，瀝青混合料的各項路用性能滿足現行規范要求，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路用性能。試驗路已使用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，試驗路的探索符合綠色環保路面和低碳城市的發展理念。這一領域的研究與應用，顯示出路面尾氣凈化技術的光明應用前景。