环保型沥青路面的尾气降解性能研究

环保型沥青路面的尾气降解性能研究

0尾气降解室内试验研究与研究设计汽车燃料的主要成分包括co、nox和so2，这严重危害了人们的健康和环境质量。据统计,中国大城市60%的CO、50%的NOx、30%的碳氢化合物是由汽车排放尾气造成的。目前对汽车尾气污染的主要控制手段有机内控制和机外控制2种形式,其中机外净化主要以光催化降解的方法减少CO、NOx的行含量。纳米光催化材料以其良好的光催化活性、化学稳定性以及可循环利用性,被作为净化空气的新材料。本文中以纳米光催化材料作为降解汽车尾气所需的活性添加剂,通过将其直接添加到沥青混合料中(掺入式)和掺入载体涂覆在沥青路面(涂覆式)2种方式,达到对尾气的催化降解效果。本文中首先自行研发了尾气降解室内试验设备,实现了室内高度模拟各种工况下的实际道路环境,并提出一套尾气降解评价指标和试验方法。在此基础上研究了光源条件、添加剂类型、掺配方式、掺量及沥青混合料级配对尾气降解能力的影响,并对不同掺配方式的路用性能及耐久性的影响规律进行分析,提出了几项关键性控制指标。1试验总结1.1材料和施工方法石料选用大顶山产玄武岩,矿粉选用大顶山产矿粉,基质沥青选用辽河90#沥青,纳米光催化材料添加剂采用锐钛型二氧化钛和金红石型二氧化钛,光催化剂载体涂料选用醇酸型磁性调和涂料。1.2混合料的级配及最佳沥青用量采用AC-16、SMA-16、AC-20C这3种级配,混合料的级配及最佳沥青用量如表1所示。试验试件为标准轮碾方形试件,尺寸为300mm×300mm×50mm,实际涂覆或反应面积为300mm×300mm。1.2.1混合方案将光催化剂粉末作为添加剂,按一定的比例与矿粉混合后加入到沥青混合料中,再将其与集料进行常规的搅拌、成型。1.2.2稀释液、固化剂的配比载体粘结剂采用醇酸型磁性调和涂料,掺配比例为基料、稀释液、固化剂的质量比为1∶1.5∶0.5,粘结方式为:先将光催化剂粉末与载体粘结剂高速搅拌5min混合均匀,再涂覆在试件表面,10h干燥后使用。1.3尾气测试的组成试验设计的尾气降解试验设备分为3个部分组成:尾气产生装置、气体反应室、气体浓度测试设备。尾气分析仪采用佛山分析仪有限公司FGA-4100型汽车排气分析仪。1.4测试方法1.4.1紫外线指数值选取采用紫外线作为反应条件,由于紫外线辐射强度值近似等于紫外线指数值,而紫外线指数值变化范围在3以内不会对试验结果有太大的影响,因此本文试验中选取紫外线指数为6～8。1.4.2尾气初始浓度控制试验选择汽车怠速工作下排气管所排尾气作为试验用尾气来源,对每次试验的尾气初始浓度进行了控制,将尾气通入气体反应室内(发动机怠速工作)的时间控制在30～40s,便于后期的试验数据分析具有更强的可对比性,各有害气体的初始浓度控制范围见表2。1.4.3mpa试气水质将气体反应室的工作气压控制值确定为-0.02MPa(30L·min-1的真空泵抽气约5～8s)。在此气压下既能保证反应室的绝对密封,又不影响尾气分析仪的正常测试工作。1.4.4气体浓度测量条件测试数据采集间隔时间为10min,从各有害气体的初始浓度稳定开始采集第1组数据,测试对象主要为HC、CO、CO2、NO的气体浓度值。读数时间定为开始测量后60～80s。每次试验测试结束时间定为HC、NO浓度稳定或归零后30min。2呼吸衰竭评价指标和方法2.1气体降解时间t本文中共提出3项评价指标:(1)降解效能以降解效能来评价单阶段降解失效后气体的最大降解率,计算方法为β=mmax−m¯¯¯mmax×100%(1)β=mmax-m¯mmax×100%(1)式中:β为单阶段降解失效后气体的最大降解率;mmax为初始浓度最大值;m¯¯¯m¯为气体浓度稳定后的浓度平均值。(2)降解反应时间定义降解反应开始到浓度变化幅度低于失效标准之前所用的时间为气体降解反应时间t,用于表征材料降解一定浓度有害气体所用的时间。(3)平均降解速率以平均降解速率作为评价材料降解尾气活性的一项指标,定义为:在降解反应时间内,材料对有害气体的最大降解量与降解反应时间的比值。计算方法为V=mmax−m¯¯¯t(2)V=mmax-m¯t(2)式中:V为平均降解速率。将降解速率高于平均降解速率的时间段定义为最佳降解时间段,用于对比和评价各种材料降解尾气活性较高的时间段。2.2评估方法2.2.1单阶段试验结果从通入尾气并开始浓度采集到有害气体浓度趋于稳定(降解失效)后停止试验,这个过程称为单阶段试验。以选用的锐钛矿型光催化剂原材料为例,该催化剂用量10g,均匀摊铺于900cm2的白纸上,在太阳光直射(紫外线指数6～8)条件下进行尾气降解试验。以气体HC的质量浓度变化稳定在0～8.5mg·m-3·(10min)-1且NO的质量浓度变化稳定在0～2.9mg·m-3·(10min)-1作为单阶段试验失效标准,进行几组单阶段尾气降解试验,试验结果如表3所示。从表3中的对比评价数据可以看出,光催化剂对碳氧化物基本无降解作用,对于HC和NO两种气体,特别是NO,锐钛型光催化剂降解反应所需时间短,降解速率高,说明锐钛型光催化剂降解NO的能力和活性要强于金红石型光催化剂。2.2.2循环试验设计结果光催化剂的一项重要特性是其可循环使用,在一次充分反应后由于一些反应生成物的影响,会造成光催化剂的暂时性失效,在清洗后其活性可以恢复。以单阶段试验对NO的降解效能低于20%为控制标准,认为试件单循环失效(可逆性失活),中止试验清洗试件后进行下一组循环试验。连续进行5次清洗循环试验,结果如表4所示。经过综合计算后得出每次单循环过程对NO的降解总质量均达到0.200g·m-2以上,5次循环过后对NO的降解总质量并没有明显的降低,说明光催化剂的可逆性失活在进行表面清洗处理后基本可以完全恢复,而永久性失活影响程度较小。据此,本文中提出尾气降解循环试验的失效标准:以一次单循环试验对气体NO的降解总质量低于首次单循环试验降解总质量的50%为失效控制标准。以可循环反应次数作为可循环降解能力的评价指标。3影响微生物分解能力的因素3.1不同光照对尾气降解试验的效果选用锐钛矿型光催化剂原材料,用量10g,均匀摊铺于900cm2的白纸上,分别在太阳光直射(紫外线指数6～8)、非太阳光直射(白天室内)、黑暗环境3种光照条件下进行尾气降解试验。以受到光催化降解作用较明显的HC、NO的降解效能和平均降解速率为评价指标,评价参数结果如表5所示。在3种不同的光照条件下,HC和NO的降解效能有明显的区别。特别是对于NO,在紫外线的直接照射下,其降解效能可达80%以上,而在室内环境下,降解效能降低到45%左右,在完全黑暗环境下,光催化剂对NO基本没有降解作用。因此光源(紫外线)是光催化剂发挥其降解有害气体性能的必要反应条件。3.2混合料中光催化添加剂用量的确定沥青混合料级配采用AC-16,涂覆式采用光催化剂原料粉末(以锐钛矿型为例)与涂覆用粘结剂按不同比例混合均匀,喷涂于试件表面,粘结剂用量为30.0g·(900cm2)-1,干燥10h后在充分光照条件下进行试验。掺入式在混合料拌和过程中,将光催化剂原料粉末与矿粉按不同比例混合均匀,加入到混合料中在充分光照条件下进行对比试验。2种掺配方式的尾气降解效能及平均降解速率对比如表6所示。分析可知:采用涂覆式的掺配方式时,在较小的掺量下就可以达到很好的降解效果,本文中推荐应用光催化添加剂掺量为粘结剂载体总用量的8%～10%最为经济合理;而掺入式则需要将添加剂的掺量增加到较大的比例后其降解效能才能发挥出来,本文中推荐的掺入式光催化剂掺量为矿粉质量的50%～60%较为合理。3.3混合均匀充填料/水混合料对no降解的影响由于路面材料发挥催化降解尾气作用的反应面主要集中在道路表面,为此本文中研究了3种不同表面结构的混合料级配的类型。以锐钛矿型光催化剂为例,载体粘结剂用量为30.0g·(900cm2)-1,光催化剂粉末与载体粘结剂按10%质量比混合均匀掺入式的添加剂掺入量保持不变,单一试件用量均为300g。在充分光照条件下进行对比试验,不同的混合料级配(主要是表面构造)对尾气降解的效果对比如表7所示。对于涂覆式,随着试件表面构造深度的增加,单阶段试验对NO的降解效能及平均降解速率有一定的提高,和混合料的空隙率变化基本没有相关性。分析其原因,主要是由于表面构造深度的增加(表面更粗糙)导致在相同液态载体用量及光催化剂掺量下,形成的活性反应面增大,降解效果增强,但这种影响是非常有限的。特别是对于掺入式的应用方式,由于受到内部本身级配的影响,反应面上的活性物质并不一定增加,试验结果没有明显的规律性。总之,沥青混合料的级配变化对光催化剂发挥其降解有害气体的能力影响程度较小。4道路的性能和耐久性4.1复合涂料用量对沥青混合料抗滑性能的影响针对不同载体涂覆量下的沥青路面表面状态,使用摩擦因数(用摆值表示)和表面构造深度来评价涂膜厚度对沥青路面使用功能的影响规律,如图1、2所示。随着涂料用量的增加,混合料表面的摩擦因数和构造深度均随之降低,说明在道路表面涂膜后会降低沥青混合料的抗滑性能。由于行业规范对沥青路面的摩擦因数和构造深度没有统一的规定,但要求符合具体工程的设计要求,故试验为保证环保沥青路面的抗滑性能,根据工程经验将摆值的最低控制标准确定为60,构造深度的最低控制标准确定为0.55mm。据此确定的涂料用量上限值为500g·m-2,低于这一用量则认为喷涂环保涂料后沥青路面还可以满足正常的抗滑性能要求。4.2试验结果及分析本文中参考涂料产业方面的耐久性控制指标,结合道路工程的特点和现有的试验设备,采用沥青混合料常规车辙试验仪,将试验轮(轮压0.7MPa)作用于涂膜后的标准车辙方形试件上反复行走,对光催化涂层的耐久性进行试验研究。试验温度为20℃、40℃、60℃三档,试验时间为4h,相当于试验轮作用10000次,以试验后试件试验轮作用面上单位面积的涂膜剥落面积百分比作为评价其抗磨耗性的指标。试验前后对试验面进行数码照相,使用图像处理工具PhotoShop中的灰度处理方法对其剥落面积进行估算。各组试验选取灰度分析区域为试验轮作用区域内50mm×200mm。将色阶数100确定为区分剥落块与非剥落块的灰度分界点,通过软件功能可以直接读出剥落面积百分比,表8所示为3种温度下涂层磨耗试验剥落面积百分比汇总表。分析可知:涂层的耐久性主要由环境温度所决定,温度达到40℃以上时,涂层和沥青混合料表面之间的粘结强度出现较明显的降低趋势;水的作用对涂层的耐久性影响不大,而环境温度的突变、反复的冻融作用对涂层的耐久性有较大的影响;随着涂覆量的增加,涂层的抗剥落性有较大程度的增加,这主要是由于单位面积涂覆量过小时,形成的涂膜厚度较薄,且涂料很难全面覆盖沥青混合料的表面,难以形成整体的涂层,在受到车轮的摩擦作用后,极易发生起皮现象,起皮部分周围的粘结性很快降低,造成了大面积的剥落。因此,过低的涂覆量将不能满足实际工程需求,本文中推荐的涂覆量下限值为350g·m-2。4.3光催化剂掺量对沥青混合料级配的影响由于光催化剂颗粒本身化学稳定性极强,不与沥青等物质发生化学反应,不会改变沥青本身的性能,掺入沥青中也不会像矿粉一样与沥青产生化学吸附,不会影响沥青胶浆的性能,其纳米级的颗粒结构也不会影响混合料的级配。因此对光催化剂不同掺量下的沥青混合料相关的路用性能进行对比研究,混合料级配选用AC-16,光催化剂掺量为矿粉质量的10%、20%、50%、80%,常规试验结果如表9所示。试验结果也证明,光催化颗粒的掺入基本不会影响沥青混合料的各项性能,包括沥青混合料体积参数、高低温性能、水稳定性等,故在光催化剂采用掺入式时,可以不考虑其对沥青混合料路用性能的影响,不需要进行级配的重新设计和沥青用量的调整。5光催化剂对沥青的降解机理(1)笔者研发的尾气降解室内试验设备可以满足各种工况下的尾气降解试验,高度模拟实际道路环境,同时也具备很高的试验精确性和可靠性。本文中针对试验设备的工作特性和道路工程的特点提出的评价方法和评价指标可以全面地对试验结果进行分析和对比。(2)光源(紫外线)是光催化剂发挥其降解有害气体性能的必要反应条件;光催化剂对HC、NO的降解效果比较明显,锐钛矿型光催化剂对有害气体的催化降解活性要略高于金红石型光催化剂;2种光催化剂在以不同掺配方式应用于沥青路面材料后,其光催化性能并没