《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《汽車尾氣高效復(fù)合降解材料研發(fā)及其在道路工程中的應(yīng)用》

1. 項(xiàng)目名稱: 汽車尾氣高效復(fù)合降解材料研發(fā)及其在道路工程中的應(yīng)用

2. 完成單位: 北京建筑大學(xué)、 北京市道路工程質(zhì)監(jiān)站、 北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心、 北京特希達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司、 北京順通公路交通技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司

3. 主要完成人: 徐世法、 許鷹、 索智、 蔡碩果、 甘鋒、 楊揚(yáng)、 王超、 王春明、 劉然、 潘良材、劉文明、 李振、 王強(qiáng)、 高山、 李桐

　　(一)項(xiàng)目背景

　　據(jù)研究,機(jī)動(dòng)車尾氣是造成空氣污染的主要原因,就北京而言,機(jī)動(dòng)車尾氣占總污染物比例就高達(dá)22郾2%。為解決尾氣污染的問題,世界各國都加快了尾氣凈化技術(shù)的研究工作,并出臺(tái)了各種強(qiáng)制性的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)控制法規(guī)。目前,世界上解決尾氣污染的措施主要包括:行政強(qiáng)制措施、尾氣機(jī)內(nèi)凈化(新型燃料)措施、尾氣機(jī)外凈化(三元催化劑)措施以及近幾年出現(xiàn)的各種可降解尾氣的新材料(建筑涂料)。但是現(xiàn)有的這些方法在經(jīng)濟(jì)性或?qū)嵱眯苑矫婢嬖谝恍╇y以解決的問題。

　　(二)技術(shù)概況

　　瀝青路面是北京市道路的主要路面形式,為此,本項(xiàng)目擬就降低PM2郾5道路建筑材料(二氧化鈦基)在城市瀝青路面的應(yīng)用進(jìn)行研究。針對(duì)北京市高峰時(shí)段的道路空氣質(zhì)量及PM2郾5指數(shù),將具有催化分解有害氣體功能的新型納米二氧化鈦基外加劑添加到瀝青混合料當(dāng)中,研究納米二氧化鈦基材料在瀝青混合料中的添加方式、添加劑量對(duì)一氧化碳和碳?xì)浠衔锏褥F霾主要構(gòu)成成分的分解效果及其對(duì)混合料路用性能的影響,并對(duì)二氧化鈦的長期降解能力進(jìn)行評(píng)估。研究開發(fā)的新型道路建筑材料將使城市瀝青路面有效地降解道路附近PM2郾5顆粒污染物,從而降低汽車尾氣對(duì)城市空氣的污染以及減少霧霾對(duì)人健康的危害。

　　(三)適用范圍

　　瀝青及瀝青類相關(guān)產(chǎn)品。

　　(四)獲獎(jiǎng)情況

　　“汽車尾氣高效復(fù)合降解材料研發(fā)及其在道路工程中的應(yīng)用冶獲得中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

　　(1)針對(duì)普通光催化降解材料降解效率低的問題,開發(fā)了二氧化鈦復(fù)合改性技術(shù),將二氧化鈦(TiO2)光觸媒降解材料對(duì)太陽光的可作用波段進(jìn)行拓寬。

　　(2)為解決復(fù)合降解材料與載體溶劑相容性差的問題,研發(fā)了具有交聯(lián)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)的極性高分子聚合物穩(wěn)定劑,可顯著提高復(fù)合改性二氧化鈦降解材料與載體溶液的相容性,解決了混合乳液“施工離析冶的問題。

　　(3)為了準(zhǔn)確評(píng)估尾氣降解瀝青路面材料的降解效果,研制了道路尾氣降解效果高仿真評(píng)價(jià)分析系統(tǒng),可精確測試光觸媒材料在真實(shí)光照和大氣污染物濃度環(huán)境下對(duì)污染氣體的降解效果,紫外光強(qiáng)和波段模擬度達(dá)到90%以上。

　　本項(xiàng)目立足于城市道路交通行業(yè),開展新型納米二氧化鈦基降解材料的研究,使路面具備降解PM2.5的功能,并且具有較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性,為日益加重的環(huán)境污染提供本專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)對(duì)措施。因此項(xiàng)目在前期研究的基礎(chǔ)上,完成了以下內(nèi)容:

　　1.通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn),選取合理有效的新型納米二氧化鈦基降解材料

　　本項(xiàng)目根據(jù)對(duì)國內(nèi)外在新型納米二氧化鈦基降解材料方面的研究,選取合理有效的新型納米二氧化鈦基降解材料,將之應(yīng)用于道路路面,使路面具有降解空氣中PM2.5的顆粒成分,提出了解決TiO2基道路建筑材料經(jīng)濟(jì)性與路用性能之間矛盾的方案。

　　2.評(píng)價(jià)二氧化鈦降解PM2.5實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)

　　試驗(yàn)設(shè)計(jì)的尾氣降解試驗(yàn)設(shè)備分為3個(gè)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。主要針對(duì)試驗(yàn)用氣體反應(yīng)室進(jìn)行設(shè)計(jì)制造和調(diào)試,使其滿足尾氣降解試驗(yàn)的各項(xiàng)工況要求,且可以最大限度地模擬實(shí)際道路環(huán)境、光照環(huán)境與汽車尾氣狀況,保證試驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　3.試驗(yàn)控制參數(shù)、試驗(yàn)方案的確定及影響PM2.5降解能力因素的分析

　　為保證PM2.5降解各組試驗(yàn)的精確性和可對(duì)比性,在試驗(yàn)方案中必然涉及多種的試驗(yàn)基本控制參數(shù),包括光源強(qiáng)度、尾氣初始濃度、工作氣壓、環(huán)境溫度與濕度等參數(shù),本項(xiàng)目通過大量的前期試驗(yàn)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行研究確定,提出了合理有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各影響因素相互組合形成的應(yīng)用方案的降解效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比分析,從而確定能模擬材料真實(shí)工作環(huán)境的試驗(yàn)參數(shù)。

　　4.評(píng)價(jià)新型納米二氧化鈦基降解材料的路用性能及耐久性

　　本項(xiàng)目選用涂覆式和摻入式兩種添加方式,對(duì)新型納米二氧化鈦基道路材料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)采用涂覆式時(shí),需對(duì)道路的抗滑性以及新型納米二氧化鈦基降解材料的耐久性能等進(jìn)行檢測;當(dāng)選擇摻入式時(shí),需檢測其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫性能。

　　5.新型納米二氧化鈦道路材料降解物對(duì)道路構(gòu)筑物的影響評(píng)估

　　新型納米二氧化鈦道路材料降解PM2.5后將產(chǎn)生硝酸鹽等降解物,這些鹽類物質(zhì)有可能對(duì)橋涵結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋等產(chǎn)生腐蝕作用,本項(xiàng)目通過查閱國內(nèi)外研究狀況,分析在雨天或人工清洗道路后的降解物水溶液是否會(huì)對(duì)道路構(gòu)筑物產(chǎn)生影響,繼而提出應(yīng)對(duì)措施。

　　6.新型納米二氧化鈦基降解材料最佳摻量確定

　　對(duì)于新型納米二氧化鈦基道路建筑材料的最佳摻量確定,以馬歇爾設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ),以體積設(shè)計(jì)方法為設(shè)計(jì)理論,有效地平衡材料的經(jīng)濟(jì)性、路用性能、降解能力和降解物對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,達(dá)到性能與建設(shè)成本的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

　　7.新型納米二氧化鈦基在瀝青混合料中添加方式的確定

　　常規(guī)的外加劑添加方式一般分為涂覆式和摻入式,本項(xiàng)目考慮到實(shí)際施工中的可行性,分別按這兩種方式添加納米二氧化鈦,成型后模擬實(shí)際路面情況,將裝有車轍板的石英容器置于室外陽光下,測試一段時(shí)間內(nèi)兩種不同添加方式對(duì)有害氣體的分解效果,篩選出合理的摻配方式,使降解效果與經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一。

　　8.新型納米二氧化鈦基道路材料施工工藝研究

　　研究將新型納米二氧化鈦基降解材料摻入OGFC以及AC等瀝青混合料,基于前期研究提出的摻加方式確定新型納米二氧化鈦基降解材料最佳摻量,以O(shè)GFC-13、AC-13作為試驗(yàn)鋪筑混合料,通過試驗(yàn)路確定新型納米二氧化鈦基降解材料的摻加量、摻加方式、拌合溫度、攤鋪溫度以及壓實(shí)工藝等,制定出了相應(yīng)的施工技術(shù)指南。

　　(一)北京南三環(huán)輔路玉泉營橋

　　2015年11月3日,在北京南三環(huán)輔路玉泉營橋處分別鋪筑了霧封層和含砂霧封層兩種類型的新型光催化降解瀝青封層材料,長度分別為152m和283m,車道寬度7.5m,使用面積3740平方米。

　　北京交通發(fā)展研究院于2015年11月5日、2016年3月5日對(duì)應(yīng)用路段進(jìn)行了污染氣體濃度檢測,對(duì)比未使用降解材料的普通路段,添加了復(fù)合改性二氧化鈦基降解材料的試驗(yàn)路段1米高度范圍內(nèi)的NOx濃度降低約15.2%,SO2濃度降低約6%,CO濃度降低約10.5%,PM2.5的濃度平均降低約7.9%,環(huán)境和社會(huì)效益顯著。

　　(二)北京東城區(qū)景山前街

　　2019年7月25日,在北京市東城區(qū)景山前街瀝青超薄罩面養(yǎng)護(hù)中使用了所開發(fā)的復(fù)合改性汽車尾氣降解材料,道路全長約1.0公里,面積約2萬平方米。

　　由北京市公路工程質(zhì)量檢測中心對(duì)鋪筑了汽車尾氣降解超薄層的景山前街和相鄰未使用降解材料的五四大街路段進(jìn)行了空氣污染物濃度對(duì)比檢測。測試結(jié)果表明:尾氣中NOx、SO2、HC、CO四種氣體和空氣中的PM2.5的平均降解率分別為:15.54%、10.20%、15.43%、17.56%和9.50%。

　　(三)京通輔路(大望橋—高碑店橋)

　　2015年7月在北京市京通輔路大修中鋪筑了新型尾氣降解超薄磨耗層路面約8萬平方米。

　　北京市公路工程質(zhì)量檢測中心于2015年7月至2019年7月對(duì)鋪筑路段和相鄰的未使用降解材料的路段進(jìn)行了汽車尾氣降解效果的檢測。鋪筑后的第一年CO、NOx、HC的降解率均高于16%,且CO降解率最高為18.12%;鋪筑第五年與第一年相比NOx、SO2、HC、CO、PM2.5的年平均降解效果衰減率分別為10.66%、14.33%、12.83%、13.89%、11.79%。

　　大量的室內(nèi)試驗(yàn)測試與第三方機(jī)構(gòu)測試表明:本項(xiàng)目開發(fā)的尾氣降解路面材料比普通路面對(duì)主要污染氣體NOx、SO2濃度降低約10%以上,PM2.5濃度降低約8%以上。鋪筑的尾氣降解超薄層對(duì)主要污染氣體的年平均降解效果衰減率約為12.70%,但使用4年后仍能保持約50%初始降解效率。

　　從經(jīng)濟(jì)成本來看,采用涂覆式摻入新型納米二氧化鈦道路材料的成本約增加5元/平方米,采用拌和式,成本約增加15元/平方米,綜合來說與未添加降解材料的路面相比,摻入新材料后每平方米路面成本會(huì)增加15%左右。如果摻入普通納米二氧化鈦,兩種使用方式的成本分別增加13元/平方米和40元/平方米,但是新材料相比普通納米二氧化鈦成本每平方米降低了60%左右。因此從社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面來看該材料對(duì)于改善霧霾狀況有突出貢獻(xiàn)。