《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《汽车尾气高效复合降解材料研发及其在道路工程中的应用》

1. 项目名称: 汽车尾气高效复合降解材料研发及其在道路工程中的应用

2. 完成单位: 北京建筑大学、 北京市道路工程质监站、 北京市城市道路养护管理中心、 北京特希达交通勘察设计院有限公司、 北京顺通公路交通技术咨询有限责任公司

3. 主要完成人: 徐世法、 许鹰、 索智、 蔡硕果、 甘锋、 杨扬、 王超、 王春明、 刘然、 潘良材、刘文明、 李振、 王强、 高山、 李桐

　　(一)项目背景

　　据研究,机动车尾气是造成空气污染的主要原因,就北京而言,机动车尾气占总污染物比例就高达22郾2%。为解决尾气污染的问题,世界各国都加快了尾气净化技术的研究工作,并出台了各种强制性的尾气排放标准控制法规。目前,世界上解决尾气污染的措施主要包括:行政强制措施、尾气机内净化(新型燃料)措施、尾气机外净化(三元催化剂)措施以及近几年出现的各种可降解尾气的新材料(建筑涂料)。但是现有的这些方法在经济性或实用性方面均存在一些难以解决的问题。

　　(二)技术概况

　　沥青路面是北京市道路的主要路面形式,为此,本项目拟就降低PM2郾5道路建筑材料(二氧化钛基)在城市沥青路面的应用进行研究。针对北京市高峰时段的道路空气质量及PM2郾5指数,将具有催化分解有害气体功能的新型纳米二氧化钛基外加剂添加到沥青混合料当中,研究纳米二氧化钛基材料在沥青混合料中的添加方式、添加剂量对一氧化碳和碳氢化合物等雾霾主要构成成分的分解效果及其对混合料路用性能的影响,并对二氧化钛的长期降解能力进行评估。研究开发的新型道路建筑材料将使城市沥青路面有效地降解道路附近PM2郾5颗粒污染物,从而降低汽车尾气对城市空气的污染以及减少雾霾对人健康的危害。

　　(三)适用范围

　　沥青及沥青类相关产品。

　　(四)获奖情况

　　“汽车尾气高效复合降解材料研发及其在道路工程中的应用冶获得中国交通运输协会科学技术奖二等奖。

　　(1)针对普通光催化降解材料降解效率低的问题,开发了二氧化钛复合改性技术,将二氧化钛(TiO2)光触媒降解材料对太阳光的可作用波段进行拓宽。

　　(2)为解决复合降解材料与载体溶剂相容性差的问题,研发了具有交联网链结构的极性高分子聚合物稳定剂,可显著提高复合改性二氧化钛降解材料与载体溶液的相容性,解决了混合乳液“施工离析冶的问题。

　　(3)为了准确评估尾气降解沥青路面材料的降解效果,研制了道路尾气降解效果高仿真评价分析系统,可精确测试光触媒材料在真实光照和大气污染物浓度环境下对污染气体的降解效果,紫外光强和波段模拟度达到90%以上。

　　本项目立足于城市道路交通行业,开展新型纳米二氧化钛基降解材料的研究,使路面具备降解PM2.5的功能,并且具有较好的经济实用性,为日益加重的环境污染提供本专业领域的应对措施。因此项目在前期研究的基础上,完成了以下内容:

　　1.通过查阅国内外文献,选取合理有效的新型纳米二氧化钛基降解材料

　　本项目根据对国内外在新型纳米二氧化钛基降解材料方面的研究,选取合理有效的新型纳米二氧化钛基降解材料,将之应用于道路路面,使路面具有降解空气中PM2.5的颗粒成分,提出了解决TiO2基道路建筑材料经济性与路用性能之间矛盾的方案。

　　2.评价二氧化钛降解PM2.5实验设备的开发

　　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。主要针对试验用气体反应室进行设计制造和调试,使其满足尾气降解试验的各项工况要求,且可以最大限度地模拟实际道路环境、光照环境与汽车尾气状况,保证试验分析结果的准确性和可靠性。

　　3.试验控制参数、试验方案的确定及影响PM2.5降解能力因素的分析

　　为保证PM2.5降解各组试验的精确性和可对比性,在试验方案中必然涉及多种的试验基本控制参数,包括光源强度、尾气初始浓度、工作气压、环境温度与湿度等参数,本项目通过大量的前期试验对这些参数进行研究确定,提出了合理有效的评价指标对各影响因素相互组合形成的应用方案的降解效果进行评价和对比分析,从而确定能模拟材料真实工作环境的试验参数。

　　4.评价新型纳米二氧化钛基降解材料的路用性能及耐久性

　　本项目选用涂覆式和掺入式两种添加方式,对新型纳米二氧化钛基道路材料的路用性能进行评价。当采用涂覆式时,需对道路的抗滑性以及新型纳米二氧化钛基降解材料的耐久性能等进行检测;当选择掺入式时,需检测其高温稳定性、水稳定性及低温性能。

　　5.新型纳米二氧化钛道路材料降解物对道路构筑物的影响评估

　　新型纳米二氧化钛道路材料降解PM2.5后将产生硝酸盐等降解物,这些盐类物质有可能对桥涵结构内部的钢筋等产生腐蚀作用,本项目通过查阅国内外研究状况,分析在雨天或人工清洗道路后的降解物水溶液是否会对道路构筑物产生影响,继而提出应对措施。

　　6.新型纳米二氧化钛基降解材料最佳掺量确定

　　对于新型纳米二氧化钛基道路建筑材料的最佳掺量确定,以马歇尔设计方法为基础,以体积设计方法为设计理论,有效地平衡材料的经济性、路用性能、降解能力和降解物对环境的负面影响,达到性能与建设成本的协调统一。

　　7.新型纳米二氧化钛基在沥青混合料中添加方式的确定

　　常规的外加剂添加方式一般分为涂覆式和掺入式,本项目考虑到实际施工中的可行性,分别按这两种方式添加纳米二氧化钛,成型后模拟实际路面情况,将装有车辙板的石英容器置于室外阳光下,测试一段时间内两种不同添加方式对有害气体的分解效果,筛选出合理的掺配方式,使降解效果与经济性相统一。

　　8.新型纳米二氧化钛基道路材料施工工艺研究

　　研究将新型纳米二氧化钛基降解材料掺入OGFC以及AC等沥青混合料,基于前期研究提出的掺加方式确定新型纳米二氧化钛基降解材料最佳掺量,以OGFC-13、AC-13作为试验铺筑混合料,通过试验路确定新型纳米二氧化钛基降解材料的掺加量、掺加方式、拌合温度、摊铺温度以及压实工艺等,制定出了相应的施工技术指南。

　　(一)北京南三环辅路玉泉营桥

　　2015年11月3日,在北京南三环辅路玉泉营桥处分别铺筑了雾封层和含砂雾封层两种类型的新型光催化降解沥青封层材料,长度分别为152m和283m,车道宽度7.5m,使用面积3740平方米。

　　北京交通发展研究院于2015年11月5日、2016年3月5日对应用路段进行了污染气体浓度检测,对比未使用降解材料的普通路段,添加了复合改性二氧化钛基降解材料的试验路段1米高度范围内的NOx浓度降低约15.2%,SO2浓度降低约6%,CO浓度降低约10.5%,PM2.5的浓度平均降低约7.9%,环境和社会效益显著。

　　(二)北京东城区景山前街

　　2019年7月25日,在北京市东城区景山前街沥青超薄罩面养护中使用了所开发的复合改性汽车尾气降解材料,道路全长约1.0公里,面积约2万平方米。

　　由北京市公路工程质量检测中心对铺筑了汽车尾气降解超薄层的景山前街和相邻未使用降解材料的五四大街路段进行了空气污染物浓度对比检测。测试结果表明:尾气中NOx、SO2、HC、CO四种气体和空气中的PM2.5的平均降解率分别为:15.54%、10.20%、15.43%、17.56%和9.50%。

　　(三)京通辅路(大望桥—高碑店桥)

　　2015年7月在北京市京通辅路大修中铺筑了新型尾气降解超薄磨耗层路面约8万平方米。

　　北京市公路工程质量检测中心于2015年7月至2019年7月对铺筑路段和相邻的未使用降解材料的路段进行了汽车尾气降解效果的检测。铺筑后的第一年CO、NOx、HC的降解率均高于16%,且CO降解率最高为18.12%;铺筑第五年与第一年相比NOx、SO2、HC、CO、PM2.5的年平均降解效果衰减率分别为10.66%、14.33%、12.83%、13.89%、11.79%。

　　大量的室内试验测试与第三方机构测试表明:本项目开发的尾气降解路面材料比普通路面对主要污染气体NOx、SO2浓度降低约10%以上,PM2.5浓度降低约8%以上。铺筑的尾气降解超薄层对主要污染气体的年平均降解效果衰减率约为12.70%,但使用4年后仍能保持约50%初始降解效率。

　　从经济成本来看,采用涂覆式掺入新型纳米二氧化钛道路材料的成本约增加5元/平方米,采用拌和式,成本约增加15元/平方米,综合来说与未添加降解材料的路面相比,掺入新材料后每平方米路面成本会增加15%左右。如果掺入普通纳米二氧化钛,两种使用方式的成本分别增加13元/平方米和40元/平方米,但是新材料相比普通纳米二氧化钛成本每平方米降低了60%左右。因此从社会和经济方面来看该材料对于改善雾霾状况有突出贡献。