納米二氧化鈦在瀝青路面中綜合應(yīng)用

1、納米二氧化鈦在瀝青路面中的綜合應(yīng)用摘要：納米二氧化鈦可以很好地催化降解汽車尾氣，并在一定 程度上改善瀝青路面的力學(xué)性能和耐久性。本文從以上兩方面歸納 了納米二氧化鈦在瀝青和瀝青混合料中的中的應(yīng)用，最后對納米二 氧化鈦在這兩個研究方向的發(fā)展進行了展望。abstract： in the asphalt pavement application, titanium dioxide nanoparticles as a catalyst be used to degrade automobile exhaust, and improve the mechanical properties and du

2、rability of asphalt pavement in a certain extent. this paper summarizes the application of nanometer titanium dioxide in asphalt and asphalt mixture in the above two aspects, and prospect the development of nano titanium dioxide in the direction of the two study.關(guān)鍵詞：納米二氧化鈦；瀝青改性；催化降解；汽車尾氣key words： n

3、anometer titanium dioxide； asphaltmodification； photocatalytic degradation； automobile exhaust 中圖分類號：u41文獻標(biāo)識碼：a文章編號：1006-4311 (2013) 08-0144-030引言隨著科技的高速發(fā)展，汽車保有量呈不斷增長的趨勢，大量汽 車排放出的尾氣導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化，如何改善人類賴以生存的 環(huán)境己經(jīng)成為亟待解決的難題。光催化降解污染物由于其新穎性、 能源消耗少、環(huán)境友好等特點逐漸成為處理工業(yè)污染的一項新課 題。納米二氧化鈦就是一種新型的光催化劑，研究發(fā)現(xiàn)，納米二氧 化鈦具有安全無

4、毒、經(jīng)濟實惠、穩(wěn)定性好等特點。自1972年fujishima a利用二氧化鈦光催化電解水以來，關(guān)于 納米二氧化鈦光催化劑的研究就開始逐步增多，利用納米二氧化鈦 降解汽車尾氣的研究也在逐步加深：日本在多孔路面中撤布納米 tio2粉末，取得了良好的汽車尾氣凈化效果；長安大學(xué)沙愛民1 重點研究了分解尾氣的路面材料、催化劑、添加劑等，開發(fā)出來能 高效吸收分解尾氣的礦物負(fù)載耦合型光催化材料，并自行研制了尾 氣測試評價系統(tǒng)；東南大學(xué)錢春香等人2通過在南京某收費站處 鋪設(shè)納米二氧化鈦試驗路段，證明納米二氧化鈦能有效催化降解汽 車尾氣中氮氧化物。納米二氧化鈦除了作為光催化劑以外，也常作 為一種添加劑應(yīng)用于瀝青

5、與瀝青混合料中，它能提高瀝青的抗老化 性能，改善瀝青混合料的部分力學(xué)性能等3。1納米二氧化鈦在降解汽車尾氣中的應(yīng)用1.1納米二氧化鈦催化降解汽車尾氣的機理汽車尾氣排放的 主要成分是nox、co、he和so2,汽車尾氣排放后首先與路面材料 接觸，故選擇路面材料作為光催化劑固定的載體。二氧化鈦是一種 能帶間隙較寬的新型半導(dǎo)體(n型)材料，由于半導(dǎo)體能帶不連續(xù), 在波長小于一定范圍的光照射下，能吸收能量高于其禁帶寬度的波 長光的輻射，產(chǎn)生電子躍遷，形成空穴(h+)電子(e-)對，從 而產(chǎn)生活性很強的自由基和超氧離子等活性氧，易將有機物和有害 氣體催化分解，因此若將納米二氧化鈦添加到路面材料中，在光照

6、 條件下，二氧化鈦可變?yōu)榇呋瘎?，將汽車尾氣分解為相?yīng)的碳酸鹽 和硝酸鹽吸附在路面空隙中，遇下雨天即可隨雨水沖走。分解原理可表示為如下反應(yīng)式： (1) (2) (3)1.2納米tio2降解汽車尾氣的效果及影響因素 孫立軍4等在 自行研制的試驗裝置基礎(chǔ)上，采用輝綠巖，sbs改性瀝青，級配形 式為開級配排水瀝青磨耗層。gfc。其試驗結(jié)果表明，向瀝青混合料 中添加催化劑納米tio2兩小時后，汽車尾氣中的co化合物的分解 率為20%, he化合物的分解率為16%, nox化合物的分解率則超過 40%,說明納米二氧化鈦對于降解汽車尾氣有顯著的效果。影響納米二氧化鈦降解汽車尾氣效果的因素主要有以下幾種：光照

7、強度。孫立軍4等及譚憶秋5通過室內(nèi)對比試驗指出， 納米二氧化鈦可以作為光催化劑降解汽車尾氣的必要條件是光源。 室內(nèi)白天室外陽光直射及黑暗條件下，催化效能存在較大差異，he 和nox的降解效能有明顯的區(qū)別。特別是對于nox,在紫外線的直 接照射下，其降解效能可達80%以上，在室內(nèi)環(huán)境下，降解效能降 低到45%左右，而在完全黑暗環(huán)境下，幾乎無降解效果。納米二氧化鈦摻量。都雪靜6等通過試驗研究了不同摻量納 米二氧化鈦光對汽車尾氣降解效能，試驗結(jié)果表明，當(dāng)納米二氧化 鈦光催化材料摻量為4%時降解效能最佳。納米二氧化鈦摻入方式。孫立軍4和譚憶秋5等對瀝青混 合料進行的室內(nèi)試驗表明，采用表面涂覆式添加催化

8、劑的降解速率 明顯高于拌合式。拌合式降解速率下降較慢，對c。、he和nox,直 接拌和與碾壓后涂覆式的降解效果總體相當(dāng)，拌合式中盡管沒有將 tio2置于路面的表面，但瀝青膜層較薄，紫外線以及產(chǎn)生的活性氧 化物可穿過瀝青膜，從而發(fā)揮降解汽車尾氣的效果，且直接拌合的 方式操作簡便，而涂覆的方式則存在被車輪帶走被風(fēng)吹散及被雨水 帶走等風(fēng)險，在施工中可采用直接拌合的方式摻入催化劑。分散度。納米材料粒徑較小，比表面積較大，易出現(xiàn)團聚現(xiàn) 象，從而影響納米二氧化鈦的光催化效果，故在瀝青混合料中添加 納米二氧化鈦時，大多都采用了不同的分散技術(shù)，例如分散劑、超 聲波分散技術(shù)等，改善納米tio2在瀝青中的分散度，

9、增強光催化 材料的光降解能力，提高納米tio2對汽車尾氣中有害氣體的降解 能力。其他摻入物。趙聯(lián)芳7等制備了摻fe3+的納米tio2材料， 并分析了 fe3+在催化過程中的作用。試驗結(jié)果表明，fe3+明顯提高 了納米tio2的光催化性能；在室內(nèi)自然光作用下對較高質(zhì)量濃度 的氮氧化物均具有較高的光催化效率。通過對tem照片和xrd譜的 分析，從能級理論解釋了 fe3+提高納米二氧化鈦催化活性的原因。 yin8等利用n和s對納米tio2進行摻雜，增強了對可見光的吸 收能力，即使在可見光輻照下也能有效降解有毒氣體noxo2納米二氧化鈦對瀝青及瀝青混合料的影響2.1納米二氧化鈦對瀝青的改性根據(jù)己有的關(guān)

10、于填料與基體 材料研究可知，顆粒填料對于提高復(fù)合材料的各項力學(xué)性能有顯著 影響9。納米二氧化鈦作為一種粒徑極小比表面積很大的粉體填 料，在改善瀝青的彈性模量、屈服應(yīng)力方面具有顯著作用。因此， 通過添加納米二氧化鈦，以及分散劑等進行二次改性3 10來獲 得優(yōu)質(zhì)瀝青對于修筑經(jīng)久耐用的瀝青路面具有重大意義。國內(nèi)外對于瀝青的評價指標(biāo)有很多，但是由于改性劑的多樣化 而并未提出適合于納米改性瀝青的通用評價指標(biāo)。目前，大多數(shù)學(xué) 者仍然選用瀝青的三大指標(biāo)作為納米改性瀝青的評價指標(biāo)，通過在 不同溫度下針入度、軟化點以及延度的變化損失量來確定最佳的納 米二氧化鈦摻量。由于納米顆粒在瀝青中存在一個最大臨界體積分 數(shù)

11、，大于該體積分?jǐn)?shù)，復(fù)合材料的性質(zhì)將發(fā)生不利于使用的變化， 因此試驗中采用的納米二氧化鈦摻量一般都控制在10%以下。通過對5、10、15c溫度條件下，對納米二氧化鈦摻量分別 由0逐步增加至8%的改性瀝青進行針入度、軟化點以及延度試驗， 發(fā)現(xiàn)了以下規(guī)律3 11 12 13：隨著納米tio2摻量的增加，針入度先較小增加后逐步降低， 隨著紫外線照射時間的增長，添加納米tio2的試件的針入度損失 率均小于未添加納米二氧化鈦的試件；隨著納米tio2摻量的增加，軟化點先降低后逐步升高后又開 始降低；添加納米tio2對瀝青軟化點影響很??；但是隨著紫外線照射時間的增長，軟化點均有所提高，其提高程度小于或基本等于

12、 基質(zhì)瀝青；隨著tio2摻量的增加，延度逐步降低，當(dāng)超過4%以后，延度 的降低速度加快；紫外線照射下，添加納米tio2的瀝青其延度損 失率有減小的趨勢；當(dāng)摻量為1%時，各項指標(biāo)變化最為明顯；且隨著納米二氧化 鈦摻量的增加，三大指標(biāo)的變化規(guī)律均異于普通改性瀝青。通過三大指標(biāo)試驗以及數(shù)據(jù)演化規(guī)律可以看出，納米改性瀝青 具有防御紫外線、輻射抵抗老化的性能。與此同時，楊群等人3 也通過自制的紫外線老化儀測試殘留針入度和殘留延度驗證了納 米二氧化鈦改性瀝青的抗老化性能。然而，這也從側(cè)面說明評價瀝 青性能的三大指標(biāo)是否依然適用于納米改性瀝青，還需要進行更深 層次的研究與探索。2. 2納米二氧化鈦對瀝青混合

13、料性能的影響鑒于納米粉體在 瀝青中的作用效果最終是通過瀝青混合料的各項力學(xué)性能表現(xiàn)出 來的，因此除了上述關(guān)于瀝青三大指標(biāo)試驗外，眾多研究者也測試 了摻入納米二氧化鈦粉粒后，瀝青混合料的力學(xué)性能指標(biāo)。通過這 些數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，總結(jié)出納米二氧化鈦對瀝青混合料性能的影 響。由于研究中所采用的集料級配以及最佳油石比的不同，不同實 驗得出的實驗數(shù)據(jù)也存在著偏差，本文現(xiàn)將己有文獻中各類試驗結(jié) 果歸納為表1，作為參考的依據(jù)。雖然各個試驗的實驗條件以及基本參數(shù)略有不同，但是通過上 表以及柱狀圖依然可以得出以下結(jié)論：由圖1和圖2的對比可知，納米二氧化鈦粉粒的摻入，對瀝 青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、流值均有不同程度的

14、提高，且隨著添加 劑量的增加產(chǎn)生了小范圍的波動；圖3中通過與技術(shù)要求的比較， 說明了納米二氧化鈦摻入后馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度都有所提高， 且均滿足技術(shù)要求，并不影響瀝青混合料的路用性能；圖3中，。gfc排水式開級配磨耗層由于納米二氧化鈦摻入對 瀝青與石料的粘附性影響較小，因此馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度都有 所提高，抗水損壞性能略有下降，但仍能滿足規(guī)范要求。除此之外 混合料的其他性能基本保持不變。由于瀝青混合料級配不同，采用的瀝青種類不同，為了試驗 結(jié)論的準(zhǔn)確性，本文并沒有對圖1、圖2、圖3進行縱向比較。從 上述實驗結(jié)論及觀點可以看出，納米二氧化鈦加入瀝青中確實會對 其物理化學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。瀝

15、青常規(guī)試驗（如軟化點、針入度、延度的試驗）的變化趨勢 具有一定的規(guī)律，瀝青混合料的基本性能指標(biāo)也均滿足技術(shù)要求， 對其路用性能的影響也可以通過調(diào)整納米二氧化鈦的摻量使得不 利影響降到最低。然而，一個值得深入思考的問題是這些適用于聚 合物改性瀝青的評價指標(biāo)，是否同樣適合評價納米二氧化鈦改性瀝 青的基本性能，還有待深入研究驗證14 15 16 o3結(jié)論納米二氧化鈦的能帶不連續(xù)，在光照條件下能吸收能量發(fā)生 電子躍遷，并形成空穴電子對，產(chǎn)生強活性的自由基和超氧例子等 活性氧，可用催化降解汽車尾氣，且其降解效果與光照條件、納米 二氧化鈦摻量、納米二氧化鈦摻入方式，分散度以及其他摻入物有 關(guān)；利用以后可在

16、開發(fā)能高效吸收分解尾氣的礦物負(fù)載耦合型光催 化材料以及研制尾氣測試評價系統(tǒng)等方面深化。納米改性瀝青具有防御紫外線、輻射抵抗老化的性能，加入 納米二氧化鈦之后，瀝青常規(guī)試驗（如軟化點、針入度、延度的試 驗）的變化趨勢具有一定的規(guī)律，瀝青混合料的基本性能指標(biāo)也均 滿足技術(shù)要求，對其路用性能的影響也可以通過調(diào)整納米二氧化鈦 的摻量使得不利影響降到最低。4展望利用納米二氧化鈦催化分解汽車尾氣以及改善瀝青性能等方 面的研究在我國尚處于初步階段，以后可在激活納米二氧化鈦催化 活性、選擇良好載體、與其他材料聯(lián)合降解空氣污染物等方面加強 研究;瀝青常規(guī)試驗如軟化點、針入度、延度這些適用于聚合物改 性瀝青的評價

17、指標(biāo)，是否同樣適合于評價納米二氧化鈦改性瀝青的 基本性能需要材料專家的研究與驗證，此外，納米二氧化鈦加入改 性瀝青中，在瀝青混凝土路面鋪筑完成之后，是否具有凈化汽車尾 氣的效應(yīng)需要得到進一步的試驗驗證。參考文獻:1沙愛民.環(huán)保型道路建設(shè)與維修技術(shù)n.特別關(guān)注54-59.2qian chunxiang, zhao lianfang, fu dafang, et al； photocatalytic oxidation of nitrogen oxides by nano-tio2 immobilized on road surface materialsj. journal of the Chi

18、nese ceramic society, 2005,33 (4)： p422-427.3楊群，葉青，劉奕.tio2改性瀝青分散性與抗老化性能j. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2011, 39 (2), p263-265-281.4孫立軍，徐海銘，李劍飛，劉黎萍.納米二氧化鈦處治汽車 尾氣效果與應(yīng)用方法的研究j.公路交通科技；2011, 28 (4), pl53-158.5譚憶秋，李洛克，魏鵬，孫政.可降解汽車尾氣材料在瀝青 路面中應(yīng)用性能評價j.中國公路學(xué)報；2010, 23 (6), p21-27.6都雪靜，許洪國，關(guān)強，等.納米“。2含量對汽車尾氣因子 降解效能影響試驗研究j.公路交通科技，2007, 24 (10)： 155.7趙聯(lián)芳，傅大放，錢春香.摻雜fe3+的納米tio2光催化降解 氮氧化物研究j.東南大學(xué)學(xué)報，2003, 33 (5)： 677.8yin s, ihara k, aita y, et al, visible-l