環(huán)保型瀝青路面的尾氣降解性能研究

環(huán)保型瀝青路面的尾氣降解性能研究

0尾氣降解室內(nèi)試驗(yàn)研究與研究設(shè)計(jì)汽車燃料的主要成分包括co、nox和so2，這嚴(yán)重危害了人們的健康和環(huán)境質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國大城市60%的CO、50%的NOx、30%的碳?xì)浠衔锸怯善嚺欧盼矚庠斐傻?。目前對汽車尾氣污染的主要控制手段有機(jī)內(nèi)控制和機(jī)外控制2種形式,其中機(jī)外凈化主要以光催化降解的方法減少CO、NOx的行含量。納米光催化材料以其良好的光催化活性、化學(xué)穩(wěn)定性以及可循環(huán)利用性,被作為凈化空氣的新材料。本文中以納米光催化材料作為降解汽車尾氣所需的活性添加劑,通過將其直接添加到瀝青混合料中(摻入式)和摻入載體涂覆在瀝青路面(涂覆式)2種方式,達(dá)到對尾氣的催化降解效果。本文中首先自行研發(fā)了尾氣降解室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)高度模擬各種工況下的實(shí)際道路環(huán)境,并提出一套尾氣降解評價指標(biāo)和試驗(yàn)方法。在此基礎(chǔ)上研究了光源條件、添加劑類型、摻配方式、摻量及瀝青混合料級配對尾氣降解能力的影響,并對不同摻配方式的路用性能及耐久性的影響規(guī)律進(jìn)行分析,提出了幾項(xiàng)關(guān)鍵性控制指標(biāo)。1試驗(yàn)總結(jié)1.1材料和施工方法石料選用大頂山產(chǎn)玄武巖,礦粉選用大頂山產(chǎn)礦粉,基質(zhì)瀝青選用遼河90#瀝青,納米光催化材料添加劑采用銳鈦型二氧化鈦和金紅石型二氧化鈦,光催化劑載體涂料選用醇酸型磁性調(diào)和涂料。1.2混合料的級配及最佳瀝青用量采用AC-16、SMA-16、AC-20C這3種級配,混合料的級配及最佳瀝青用量如表1所示。試驗(yàn)試件為標(biāo)準(zhǔn)輪碾方形試件,尺寸為300mm×300mm×50mm,實(shí)際涂覆或反應(yīng)面積為300mm×300mm。1.2.1混合方案將光催化劑粉末作為添加劑,按一定的比例與礦粉混合后加入到瀝青混合料中,再將其與集料進(jìn)行常規(guī)的攪拌、成型。1.2.2稀釋液、固化劑的配比載體粘結(jié)劑采用醇酸型磁性調(diào)和涂料,摻配比例為基料、稀釋液、固化劑的質(zhì)量比為1∶1.5∶0.5,粘結(jié)方式為:先將光催化劑粉末與載體粘結(jié)劑高速攪拌5min混合均勻,再涂覆在試件表面,10h干燥后使用。1.3尾氣測試的組成試驗(yàn)設(shè)計(jì)的尾氣降解試驗(yàn)設(shè)備分為3個部分組成:尾氣產(chǎn)生裝置、氣體反應(yīng)室、氣體濃度測試設(shè)備。尾氣分析儀采用佛山分析儀有限公司FGA-4100型汽車排氣分析儀。1.4測試方法1.4.1紫外線指數(shù)值選取采用紫外線作為反應(yīng)條件,由于紫外線輻射強(qiáng)度值近似等于紫外線指數(shù)值,而紫外線指數(shù)值變化范圍在3以內(nèi)不會對試驗(yàn)結(jié)果有太大的影響,因此本文試驗(yàn)中選取紫外線指數(shù)為6～8。1.4.2尾氣初始濃度控制試驗(yàn)選擇汽車怠速工作下排氣管所排尾氣作為試驗(yàn)用尾氣來源,對每次試驗(yàn)的尾氣初始濃度進(jìn)行了控制,將尾氣通入氣體反應(yīng)室內(nèi)(發(fā)動機(jī)怠速工作)的時間控制在30～40s,便于后期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析具有更強(qiáng)的可對比性,各有害氣體的初始濃度控制范圍見表2。1.4.3mpa試氣水質(zhì)將氣體反應(yīng)室的工作氣壓控制值確定為-0.02MPa(30L·min-1的真空泵抽氣約5～8s)。在此氣壓下既能保證反應(yīng)室的絕對密封,又不影響尾氣分析儀的正常測試工作。1.4.4氣體濃度測量條件測試數(shù)據(jù)采集間隔時間為10min,從各有害氣體的初始濃度穩(wěn)定開始采集第1組數(shù)據(jù),測試對象主要為HC、CO、CO2、NO的氣體濃度值。讀數(shù)時間定為開始測量后60～80s。每次試驗(yàn)測試結(jié)束時間定為HC、NO濃度穩(wěn)定或歸零后30min。2呼吸衰竭評價指標(biāo)和方法2.1氣體降解時間t本文中共提出3項(xiàng)評價指標(biāo):(1)降解效能以降解效能來評價單階段降解失效后氣體的最大降解率,計(jì)算方法為β=mmax?mˉˉˉmmax×100%(1)β=mmax-mˉmmax×100%(1)式中:β為單階段降解失效后氣體的最大降解率;mmax為初始濃度最大值;mˉˉˉmˉ為氣體濃度穩(wěn)定后的濃度平均值。(2)降解反應(yīng)時間定義降解反應(yīng)開始到濃度變化幅度低于失效標(biāo)準(zhǔn)之前所用的時間為氣體降解反應(yīng)時間t,用于表征材料降解一定濃度有害氣體所用的時間。(3)平均降解速率以平均降解速率作為評價材料降解尾氣活性的一項(xiàng)指標(biāo),定義為:在降解反應(yīng)時間內(nèi),材料對有害氣體的最大降解量與降解反應(yīng)時間的比值。計(jì)算方法為V=mmax?mˉˉˉt(2)V=mmax-mˉt(2)式中:V為平均降解速率。將降解速率高于平均降解速率的時間段定義為最佳降解時間段,用于對比和評價各種材料降解尾氣活性較高的時間段。2.2評估方法2.2.1單階段試驗(yàn)結(jié)果從通入尾氣并開始濃度采集到有害氣體濃度趨于穩(wěn)定(降解失效)后停止試驗(yàn),這個過程稱為單階段試驗(yàn)。以選用的銳鈦礦型光催化劑原材料為例,該催化劑用量10g,均勻攤鋪于900cm2的白紙上,在太陽光直射(紫外線指數(shù)6～8)條件下進(jìn)行尾氣降解試驗(yàn)。以氣體HC的質(zhì)量濃度變化穩(wěn)定在0～8.5mg·m-3·(10min)-1且NO的質(zhì)量濃度變化穩(wěn)定在0～2.9mg·m-3·(10min)-1作為單階段試驗(yàn)失效標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行幾組單階段尾氣降解試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3中的對比評價數(shù)據(jù)可以看出,光催化劑對碳氧化物基本無降解作用,對于HC和NO兩種氣體,特別是NO,銳鈦型光催化劑降解反應(yīng)所需時間短,降解速率高,說明銳鈦型光催化劑降解NO的能力和活性要強(qiáng)于金紅石型光催化劑。2.2.2循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果光催化劑的一項(xiàng)重要特性是其可循環(huán)使用,在一次充分反應(yīng)后由于一些反應(yīng)生成物的影響,會造成光催化劑的暫時性失效,在清洗后其活性可以恢復(fù)。以單階段試驗(yàn)對NO的降解效能低于20%為控制標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為試件單循環(huán)失效(可逆性失活),中止試驗(yàn)清洗試件后進(jìn)行下一組循環(huán)試驗(yàn)。連續(xù)進(jìn)行5次清洗循環(huán)試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。經(jīng)過綜合計(jì)算后得出每次單循環(huán)過程對NO的降解總質(zhì)量均達(dá)到0.200g·m-2以上,5次循環(huán)過后對NO的降解總質(zhì)量并沒有明顯的降低,說明光催化劑的可逆性失活在進(jìn)行表面清洗處理后基本可以完全恢復(fù),而永久性失活影響程度較小。據(jù)此,本文中提出尾氣降解循環(huán)試驗(yàn)的失效標(biāo)準(zhǔn):以一次單循環(huán)試驗(yàn)對氣體NO的降解總質(zhì)量低于首次單循環(huán)試驗(yàn)降解總質(zhì)量的50%為失效控制標(biāo)準(zhǔn)。以可循環(huán)反應(yīng)次數(shù)作為可循環(huán)降解能力的評價指標(biāo)。3影響微生物分解能力的因素3.1不同光照對尾氣降解試驗(yàn)的效果選用銳鈦礦型光催化劑原材料,用量10g,均勻攤鋪于900cm2的白紙上,分別在太陽光直射(紫外線指數(shù)6～8)、非太陽光直射(白天室內(nèi))、黑暗環(huán)境3種光照條件下進(jìn)行尾氣降解試驗(yàn)。以受到光催化降解作用較明顯的HC、NO的降解效能和平均降解速率為評價指標(biāo),評價參數(shù)結(jié)果如表5所示。在3種不同的光照條件下,HC和NO的降解效能有明顯的區(qū)別。特別是對于NO,在紫外線的直接照射下,其降解效能可達(dá)80%以上,而在室內(nèi)環(huán)境下,降解效能降低到45%左右,在完全黑暗環(huán)境下,光催化劑對NO基本沒有降解作用。因此光源(紫外線)是光催化劑發(fā)揮其降解有害氣體性能的必要反應(yīng)條件。3.2混合料中光催化添加劑用量的確定瀝青混合料級配采用AC-16,涂覆式采用光催化劑原料粉末(以銳鈦礦型為例)與涂覆用粘結(jié)劑按不同比例混合均勻,噴涂于試件表面,粘結(jié)劑用量為30.0g·(900cm2)-1,干燥10h后在充分光照條件下進(jìn)行試驗(yàn)。摻入式在混合料拌和過程中,將光催化劑原料粉末與礦粉按不同比例混合均勻,加入到混合料中在充分光照條件下進(jìn)行對比試驗(yàn)。2種摻配方式的尾氣降解效能及平均降解速率對比如表6所示。分析可知:采用涂覆式的摻配方式時,在較小的摻量下就可以達(dá)到很好的降解效果,本文中推薦應(yīng)用光催化添加劑摻量為粘結(jié)劑載體總用量的8%～10%最為經(jīng)濟(jì)合理;而摻入式則需要將添加劑的摻量增加到較大的比例后其降解效能才能發(fā)揮出來,本文中推薦的摻入式光催化劑摻量為礦粉質(zhì)量的50%～60%較為合理。3.3混合均勻充填料/水混合料對no降解的影響由于路面材料發(fā)揮催化降解尾氣作用的反應(yīng)面主要集中在道路表面,為此本文中研究了3種不同表面結(jié)構(gòu)的混合料級配的類型。以銳鈦礦型光催化劑為例,載體粘結(jié)劑用量為30.0g·(900cm2)-1,光催化劑粉末與載體粘結(jié)劑按10%質(zhì)量比混合均勻摻入式的添加劑摻入量保持不變,單一試件用量均為300g。在充分光照條件下進(jìn)行對比試驗(yàn),不同的混合料級配(主要是表面構(gòu)造)對尾氣降解的效果對比如表7所示。對于涂覆式,隨著試件表面構(gòu)造深度的增加,單階段試驗(yàn)對NO的降解效能及平均降解速率有一定的提高,和混合料的空隙率變化基本沒有相關(guān)性。分析其原因,主要是由于表面構(gòu)造深度的增加(表面更粗糙)導(dǎo)致在相同液態(tài)載體用量及光催化劑摻量下,形成的活性反應(yīng)面增大,降解效果增強(qiáng),但這種影響是非常有限的。特別是對于摻入式的應(yīng)用方式,由于受到內(nèi)部本身級配的影響,反應(yīng)面上的活性物質(zhì)并不一定增加,試驗(yàn)結(jié)果沒有明顯的規(guī)律性。總之,瀝青混合料的級配變化對光催化劑發(fā)揮其降解有害氣體的能力影響程度較小。4道路的性能和耐久性4.1復(fù)合涂料用量對瀝青混合料抗滑性能的影響針對不同載體涂覆量下的瀝青路面表面狀態(tài),使用摩擦因數(shù)(用擺值表示)和表面構(gòu)造深度來評價涂膜厚度對瀝青路面使用功能的影響規(guī)律,如圖1、2所示。隨著涂料用量的增加,混合料表面的摩擦因數(shù)和構(gòu)造深度均隨之降低,說明在道路表面涂膜后會降低瀝青混合料的抗滑性能。由于行業(yè)規(guī)范對瀝青路面的摩擦因數(shù)和構(gòu)造深度沒有統(tǒng)一的規(guī)定,但要求符合具體工程的設(shè)計(jì)要求,故試驗(yàn)為保證環(huán)保瀝青路面的抗滑性能,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將擺值的最低控制標(biāo)準(zhǔn)確定為60,構(gòu)造深度的最低控制標(biāo)準(zhǔn)確定為0.55mm。據(jù)此確定的涂料用量上限值為500g·m-2,低于這一用量則認(rèn)為噴涂環(huán)保涂料后瀝青路面還可以滿足正常的抗滑性能要求。4.2試驗(yàn)結(jié)果及分析本文中參考涂料產(chǎn)業(yè)方面的耐久性控制指標(biāo),結(jié)合道路工程的特點(diǎn)和現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備,采用瀝青混合料常規(guī)車轍試驗(yàn)儀,將試驗(yàn)輪(輪壓0.7MPa)作用于涂膜后的標(biāo)準(zhǔn)車轍方形試件上反復(fù)行走,對光催化涂層的耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)溫度為20℃、40℃、60℃三檔,試驗(yàn)時間為4h,相當(dāng)于試驗(yàn)輪作用10000次,以試驗(yàn)后試件試驗(yàn)輪作用面上單位面積的涂膜剝落面積百分比作為評價其抗磨耗性的指標(biāo)。試驗(yàn)前后對試驗(yàn)面進(jìn)行數(shù)碼照相,使用圖像處理工具PhotoShop中的灰度處理方法對其剝落面積進(jìn)行估算。各組試驗(yàn)選取灰度分析區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)輪作用區(qū)域內(nèi)50mm×200mm。將色階數(shù)100確定為區(qū)分剝落塊與非剝落塊的灰度分界點(diǎn),通過軟件功能可以直接讀出剝落面積百分比,表8所示為3種溫度下涂層磨耗試驗(yàn)剝落面積百分比匯總表。分析可知:涂層的耐久性主要由環(huán)境溫度所決定,溫度達(dá)到40℃以上時,涂層和瀝青混合料表面之間的粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)較明顯的降低趨勢;水的作用對涂層的耐久性影響不大,而環(huán)境溫度的突變、反復(fù)的凍融作用對涂層的耐久性有較大的影響;隨著涂覆量的增加,涂層的抗剝落性有較大程度的增加,這主要是由于單位面積涂覆量過小時,形成的涂膜厚度較薄,且涂料很難全面覆蓋瀝青混合料的表面,難以形成整體的涂層,在受到車輪的摩擦作用后,極易發(fā)生起皮現(xiàn)象,起皮部分周圍的粘結(jié)性很快降低,造成了大面積的剝落。因此,過低的涂覆量將不能滿足實(shí)際工程需求,本文中推薦的涂覆量下限值為350g·m-2。4.3光催化劑摻量對瀝青混合料級配的影響由于光催化劑顆粒本身化學(xué)穩(wěn)定性極強(qiáng),不與瀝青等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不會改變?yōu)r青本身的性能,摻入瀝青中也不會像礦粉一樣與瀝青產(chǎn)生化學(xué)吸附,不會影響瀝青膠漿的性能,其納米級的顆粒結(jié)構(gòu)也不會影響混合料的級配。因此對光催化劑不同摻量下的瀝青混合料相關(guān)的路用性能進(jìn)行對比研究,混合料級配選用AC-16,光催化劑摻量為礦粉質(zhì)量的10%、20%、50%、80%,常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。試驗(yàn)結(jié)果也證明,光催化顆粒的摻入基本不會影響瀝青混合料的各項(xiàng)性能,包括瀝青混合料體積參數(shù)、高低溫性能、水穩(wěn)定性等,故在光催化劑采用摻入式時,可以不考慮其對瀝青混合料路用性能的影響,不需要進(jìn)行級配的重新設(shè)計(jì)和瀝青用量的調(diào)整。5光催化劑對瀝青的降解機(jī)理(1)筆者研發(fā)的尾氣降解室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備可以滿足各種工況下的尾氣降解試驗(yàn),高度模擬實(shí)際道路環(huán)境,同時也具備很高的試驗(yàn)精確性和可靠性。本文中針對試驗(yàn)設(shè)備的工作特性和道路工程的特點(diǎn)提出的評價方法和評價指標(biāo)可以全面地對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和對比。(2)光源(紫外線)是光催化劑發(fā)揮其降解有害氣體性能的必要反應(yīng)條件;光催化劑對HC、NO的降解效果比較明顯,銳鈦礦型光催化劑對有害氣體的催化降解活性要略高于金紅石型光催化劑;2種光催化劑在以不同摻配方式應(yīng)用于瀝青路面材料后,其光催化性能并沒