纳米二氧化钛在沥青路面中综合应用

1、纳米二氧化钛在沥青路面中的综合应用摘要：纳米二氧化钛可以很好地催化降解汽车尾气，并在一定 程度上改善沥青路面的力学性能和耐久性。本文从以上两方面归纳 了纳米二氧化钛在沥青和沥青混合料中的中的应用，最后对纳米二 氧化钛在这两个研究方向的发展进行了展望。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.关键词：纳米二氧化钛；沥青改性；催化降解；汽车尾气key words： n

3、anometer titanium dioxide； asphaltmodification； photocatalytic degradation； automobile exhaust 中图分类号：u41文献标识码：a文章编号：1006-4311 (2013) 08-0144-030引言随着科技的高速发展，汽车保有量呈不断增长的趋势，大量汽 车排放出的尾气导致生态环境不断恶化，如何改善人类赖以生存的 环境己经成为亟待解决的难题。光催化降解污染物由于其新颖性、 能源消耗少、环境友好等特点逐渐成为处理工业污染的一项新课 题。纳米二氧化钛就是一种新型的光催化剂，研究发现，纳米二氧 化钛具有安全无

4、毒、经济实惠、稳定性好等特点。自1972年fujishima a利用二氧化钛光催化电解水以来，关于 纳米二氧化钛光催化剂的研究就开始逐步增多，利用纳米二氧化钛 降解汽车尾气的研究也在逐步加深：日本在多孔路面中撤布纳米 tio2粉末，取得了良好的汽车尾气净化效果；长安大学沙爱民1 重点研究了分解尾气的路面材料、催化剂、添加剂等，开发出来能 高效吸收分解尾气的矿物负载耦合型光催化材料，并自行研制了尾 气测试评价系统；东南大学钱春香等人2通过在南京某收费站处 铺设纳米二氧化钛试验路段，证明纳米二氧化钛能有效催化降解汽 车尾气中氮氧化物。纳米二氧化钛除了作为光催化剂以外，也常作 为一种添加剂应用于沥青

5、与沥青混合料中，它能提高沥青的抗老化 性能，改善沥青混合料的部分力学性能等3。1纳米二氧化钛在降解汽车尾气中的应用1.1纳米二氧化钛催化降解汽车尾气的机理汽车尾气排放的 主要成分是nox、co、he和so2,汽车尾气排放后首先与路面材料 接触，故选择路面材料作为光催化剂固定的载体。二氧化钛是一种 能带间隙较宽的新型半导体(n型)材料，由于半导体能带不连续, 在波长小于一定范围的光照射下，能吸收能量高于其禁带宽度的波 长光的辐射，产生电子跃迁，形成空穴(h+)电子(e-)对，从 而产生活性很强的自由基和超氧离子等活性氧，易将有机物和有害 气体催化分解，因此若将纳米二氧化钛添加到路面材料中，在光照

6、 条件下，二氧化钛可变为催化剂，将汽车尾气分解为相应的碳酸盐 和硝酸盐吸附在路面空隙中，遇下雨天即可随雨水冲走。分解原理可表示为如下反应式： (1) (2) (3)1.2纳米tio2降解汽车尾气的效果及影响因素 孙立军4等在 自行研制的试验装置基础上，采用辉绿岩，sbs改性沥青，级配形 式为开级配排水沥青磨耗层。gfc。其试验结果表明，向沥青混合料 中添加催化剂纳米tio2两小时后，汽车尾气中的co化合物的分解 率为20%, he化合物的分解率为16%, nox化合物的分解率则超过 40%,说明纳米二氧化钛对于降解汽车尾气有显著的效果。影响纳米二氧化钛降解汽车尾气效果的因素主要有以下几种：光照

7、强度。孙立军4等及谭忆秋5通过室内对比试验指出， 纳米二氧化钛可以作为光催化剂降解汽车尾气的必要条件是光源。 室内白天室外阳光直射及黑暗条件下，催化效能存在较大差异，he 和nox的降解效能有明显的区别。特别是对于nox,在紫外线的直 接照射下，其降解效能可达80%以上，在室内环境下，降解效能降 低到45%左右，而在完全黑暗环境下，几乎无降解效果。纳米二氧化钛掺量。都雪静6等通过试验研究了不同掺量纳 米二氧化钛光对汽车尾气降解效能，试验结果表明，当纳米二氧化 钛光催化材料掺量为4%时降解效能最佳。纳米二氧化钛掺入方式。孙立军4和谭忆秋5等对沥青混 合料进行的室内试验表明，采用表面涂覆式添加催化

8、剂的降解速率 明显高于拌合式。拌合式降解速率下降较慢，对c。、he和nox,直 接拌和与碾压后涂覆式的降解效果总体相当，拌合式中尽管没有将 tio2置于路面的表面，但沥青膜层较薄，紫外线以及产生的活性氧 化物可穿过沥青膜，从而发挥降解汽车尾气的效果，且直接拌合的 方式操作简便，而涂覆的方式则存在被车轮带走被风吹散及被雨水 带走等风险，在施工中可采用直接拌合的方式掺入催化剂。分散度。纳米材料粒径较小，比表面积较大，易出现团聚现 象，从而影响纳米二氧化钛的光催化效果，故在沥青混合料中添加 纳米二氧化钛时，大多都采用了不同的分散技术，例如分散剂、超 声波分散技术等，改善纳米tio2在沥青中的分散度，

9、增强光催化 材料的光降解能力，提高纳米tio2对汽车尾气中有害气体的降解 能力。其他掺入物。赵联芳7等制备了掺fe3+的纳米tio2材料， 并分析了 fe3+在催化过程中的作用。试验结果表明，fe3+明显提高 了纳米tio2的光催化性能；在室内自然光作用下对较高质量浓度 的氮氧化物均具有较高的光催化效率。通过对tem照片和xrd谱的 分析，从能级理论解释了 fe3+提高纳米二氧化钛催化活性的原因。 yin8等利用n和s对纳米tio2进行掺杂，增强了对可见光的吸 收能力，即使在可见光辐照下也能有效降解有毒气体noxo2纳米二氧化钛对沥青及沥青混合料的影响2.1纳米二氧化钛对沥青的改性根据己有的关

10、于填料与基体 材料研究可知，颗粒填料对于提高复合材料的各项力学性能有显著 影响9。纳米二氧化钛作为一种粒径极小比表面积很大的粉体填 料，在改善沥青的弹性模量、屈服应力方面具有显著作用。因此， 通过添加纳米二氧化钛，以及分散剂等进行二次改性3 10来获 得优质沥青对于修筑经久耐用的沥青路面具有重大意义。国内外对于沥青的评价指标有很多，但是由于改性剂的多样化 而并未提出适合于纳米改性沥青的通用评价指标。目前，大多数学 者仍然选用沥青的三大指标作为纳米改性沥青的评价指标，通过在 不同温度下针入度、软化点以及延度的变化损失量来确定最佳的纳 米二氧化钛掺量。由于纳米颗粒在沥青中存在一个最大临界体积分 数

11、，大于该体积分数，复合材料的性质将发生不利于使用的变化， 因此试验中采用的纳米二氧化钛掺量一般都控制在10%以下。通过对5、10、15c温度条件下，对纳米二氧化钛掺量分别 由0逐步增加至8%的改性沥青进行针入度、软化点以及延度试验， 发现了以下规律3 11 12 13：随着纳米tio2掺量的增加，针入度先较小增加后逐步降低， 随着紫外线照射时间的增长，添加纳米tio2的试件的针入度损失 率均小于未添加纳米二氧化钛的试件；随着纳米tio2掺量的增加，软化点先降低后逐步升高后又开 始降低；添加纳米tio2对沥青软化点影响很小；但是随着紫外线照射时间的增长，软化点均有所提高，其提高程度小于或基本等于

12、 基质沥青；随着tio2掺量的增加，延度逐步降低，当超过4%以后，延度 的降低速度加快；紫外线照射下，添加纳米tio2的沥青其延度损 失率有减小的趋势；当掺量为1%时，各项指标变化最为明显；且随着纳米二氧化 钛掺量的增加，三大指标的变化规律均异于普通改性沥青。通过三大指标试验以及数据演化规律可以看出，纳米改性沥青 具有防御紫外线、辐射抵抗老化的性能。与此同时，杨群等人3 也通过自制的紫外线老化仪测试残留针入度和残留延度验证了纳 米二氧化钛改性沥青的抗老化性能。然而，这也从侧面说明评价沥 青性能的三大指标是否依然适用于纳米改性沥青，还需要进行更深 层次的研究与探索。2. 2纳米二氧化钛对沥青混合

13、料性能的影响鉴于纳米粉体在 沥青中的作用效果最终是通过沥青混合料的各项力学性能表现出 来的，因此除了上述关于沥青三大指标试验外，众多研究者也测试 了掺入纳米二氧化钛粉粒后，沥青混合料的力学性能指标。通过这 些数据的变化规律，总结出纳米二氧化钛对沥青混合料性能的影 响。由于研究中所采用的集料级配以及最佳油石比的不同，不同实 验得出的实验数据也存在着偏差，本文现将己有文献中各类试验结 果归纳为表1，作为参考的依据。虽然各个试验的实验条件以及基本参数略有不同，但是通过上 表以及柱状图依然可以得出以下结论：由图1和图2的对比可知，纳米二氧化钛粉粒的掺入，对沥 青混合料的马歇尔稳定度、流值均有不同程度的

14、提高，且随着添加 剂量的增加产生了小范围的波动；图3中通过与技术要求的比较， 说明了纳米二氧化钛掺入后马歇尔稳定度与动稳定度都有所提高， 且均满足技术要求，并不影响沥青混合料的路用性能；图3中，。gfc排水式开级配磨耗层由于纳米二氧化钛掺入对 沥青与石料的粘附性影响较小，因此马歇尔稳定度、动稳定度都有 所提高，抗水损坏性能略有下降，但仍能满足规范要求。除此之外 混合料的其他性能基本保持不变。由于沥青混合料级配不同，采用的沥青种类不同，为了试验 结论的准确性，本文并没有对图1、图2、图3进行纵向比较。从 上述实验结论及观点可以看出，纳米二氧化钛加入沥青中确实会对 其物理化学性能产生一定的影响。沥

15、青常规试验（如软化点、针入度、延度的试验）的变化趋势 具有一定的规律，沥青混合料的基本性能指标也均满足技术要求， 对其路用性能的影响也可以通过调整纳米二氧化钛的掺量使得不 利影响降到最低。然而，一个值得深入思考的问题是这些适用于聚 合物改性沥青的评价指标，是否同样适合评价纳米二氧化钛改性沥 青的基本性能，还有待深入研究验证14 15 16 o3结论纳米二氧化钛的能带不连续，在光照条件下能吸收能量发生 电子跃迁，并形成空穴电子对，产生强活性的自由基和超氧例子等 活性氧，可用催化降解汽车尾气，且其降解效果与光照条件、纳米 二氧化钛掺量、纳米二氧化钛掺入方式，分散度以及其他掺入物有 关；利用以后可在

16、开发能高效吸收分解尾气的矿物负载耦合型光催 化材料以及研制尾气测试评价系统等方面深化。纳米改性沥青具有防御紫外线、辐射抵抗老化的性能，加入 纳米二氧化钛之后，沥青常规试验（如软化点、针入度、延度的试 验）的变化趋势具有一定的规律，沥青混合料的基本性能指标也均 满足技术要求，对其路用性能的影响也可以通过调整纳米二氧化钛 的掺量使得不利影响降到最低。4展望利用纳米二氧化钛催化分解汽车尾气以及改善沥青性能等方 面的研究在我国尚处于初步阶段，以后可在激活纳米二氧化钛催化 活性、选择良好载体、与其他材料联合降解空气污染物等方面加强 研究;沥青常规试验如软化点、针入度、延度这些适用于聚合物改 性沥青的评价

17、指标，是否同样适合于评价纳米二氧化钛改性沥青的 基本性能需要材料专家的研究与验证，此外，纳米二氧化钛加入改 性沥青中，在沥青混凝土路面铺筑完成之后，是否具有净化汽车尾 气的效应需要得到进一步的试验验证。参考文献:1沙爱民.环保型道路建设与维修技术n.特别关注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杨群，叶青，刘奕.tio2改性沥青分散性与抗老化性能j. 同济大学学报(自然科学版);2011, 39 (2), p263-265-281.4孙立军，徐海铭，李剑飞，刘黎萍.纳米二氧化钛处治汽车 尾气效果与应用方法的研究j.公路交通科技；2011, 28 (4), pl53-158.5谭忆秋，李洛克，魏鹏，孙政.可降解汽车尾气材料在沥青 路面中应用性能评价j.中国公路学报；2010, 23 (6), p21-27.6都雪静，许洪国，关强，等.纳米“。2含量对汽车尾气因子 降解效能影响试验研究j.公路交通科技，2007, 24 (10)： 155.7赵联芳，傅大放，钱春香.掺杂fe3+的纳米tio2光催化降解 氮氧化物研究j.东南大学学报，2003, 33 (5)： 677.8yin s, ihara k, aita y, et al, visible-l