二氧化钛掺量对橡胶沥青排水路面吸收尾气能力的影响研究.pdf

第 4 0卷 ， 第 5期 2 0 1 5年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0， No 5 Oc t， 2 0 1 5 二氧化钛掺量对橡 胶沥青排水路面吸收尾气 能力 的影响研究 马 春燕 ( 杭州科技职业技术学院 ，浙江 杭 州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要为 了确定橡胶沥 青排 水路 面混合 料中 二氧 化钛 的适 宜掺 量 ， 选择 二 氧化钛 掺量 为混合 料 质量 的 0 2 、 0 3 、 0 4 、 0 5 ， 将二氧化钛和水 泥一起 添加到 橡胶 沥青 混合 料 中， 制 备车 辙板试 件进 行室 内试 验研 究 ， 通过 自制的汽车尾气及石英玻璃密 闭容器来检测二 氧化钛对 尾气 的吸收 效果 。试验结 果表 明： 随着 二氧化钛 掺量 的增加 ， 吸收尾气能力变强 ， 掺量达到 0 5 时 ， 由于气体浓度 、 光照 条件等原因使反应达 到了饱和， 0 4 掺 量 与 0 5 掺量的二氧化钛吸收效果较 为接近 ， 综 合考虑建议二氧化钛的掺量选择 0 4 。对掺入 0 4 二氧化钛 的 混合料进行水稳定性试验 ， 其水稳定性有所降低 ， 但仍满足规范要求 。 关键词】橡胶沥青 ；排水路面 ； 二氧化钛 ；尾气吸收 中图分类号 U 4 1 4 1 文献标识码 】A 文章 编号】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 1 6 5 0 5 I n flu e n c e o f Ti O2 Co n t e n t o n Ai r - p u r i f y i ng Pe r f o r m a n c e o f Cr u m b Ru b b e r M o di fie d As p h a l t Po r o u s Pa v e me n t M A Ch unya n ( H a n g z h o u V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Ha n g z h o u ， Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 4， C h i n a ) A b s t r a c t I n o r d e r t o ma k e s u r e T i O 2 c o n t e n t o f c r u mb rub b e r mo d i fi e d a s p h a l t ( C R MA) p o r o u s p a v e me nt ， i t s e l e c t e d 0 2 ， 0 3 ， 0 4 ， 0 5b y we i g h t o f a s p h a l t mi x t u r e Bo t h Ti O2 a nd mi n e r a l p o wd e r a r e a d d e d t o CRMA mi x t u r e t o p r e p a r e r u t t i n g t e s t s a mp l e s Ab s o r b i n g v e h i c l e e x h a u s t e f f e c t we r e t e s t e d b y q u a z g l a s s a r i g h t c o n t a i n e r Th e r e s u l t s h o ws t h a t wi t h t h e i nc r e a s e o f Ti O2 c o n t e n t ， a b s o r b i n g a bi l i t y i s s t r o n g e r Ta k i n g s a t u r a t i o n o f g a s c o n c e n t r a t i o n， l i g h t c o n d i t i o n i n t o a c c o u n t ， a bs o r b i n g a b i l i t y o f 0 4c o n t e n t i s c l o s e t o t h a t o f 0 5c o n t e n t Th e r e f o r e， i t s u g g e s t e d t h a t t h e 0 4o f Ti O2 c o n t e n t i s a p p r o p r i a t e The mi x t ur e o f 0 4Ti O2 a r e t e s t e d t hr o u g h wa t e r s t a b i l i t y， a n d wa t e r s t a b i l i t y d e c r e a s e s l i g h t l y b u t me e t s t h e s p e c i fic a t i o n r e qu i r e me n t s Ke y w o r d s c rum b r u b b e r m o d i fi e d a s p h a h ； p o r o u s p a v e m e n t ；T i O 2 ； t a i l g a s a b s o r b i n g 1 概 述 排水 路 面具 有 排 水 迅 速 、 减 少 噪音 、 表 面 粗 糙 、 构造深度大、 抗滑、 降低热岛效应 等优点 ， 而纳米二 氧化钛技术具有吸收汽车尾气的能力 ， 没有毒性 、 能 耗低 、 无二次污染等优势 ， 将二者有机结合， 橡胶 沥青排水 路 面具有 大空 隙等特 点， 空隙 率一 般在 1 8 2 5 之间 ， 可 以为二氧化 钛与汽车尾气提供 更 大 的接 触 面 积 ， 提 升 了二 氧 化 钛 的 净 化 效 果 。 纳米二氧化钛除了作为光催化剂外 ， 也可以作为添 加剂 用 于 沥 青 混 合 料 中 ， 提 高 混 合 料 的 抗 老 化 性 能 ， 改善其力学性能等 。但 掺入二氧化钛会 影响沥青混合料的水稳定性 ， 橡胶沥青能够大大 提高混合料的水稳定性 ， 这可 以克服纳米二氧化钛 带来的沥青混合料水稳定 性降低的缺点 。光催 化颗粒的掺入基本不会影响沥青混合料的其它路用 性能 ， 故在掺人二氧化钛时 ， 可以不考虑其对沥青混 合料其它路用性能 的影响 ， 仅考虑对 混合料水 【 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 0 8 基金项 目】国家 自然科学基金 ( 5 0 5 7 8 0 3 1 ) ； 校级科研项 目( Y 2 0 1 4 3 1 3 7 9 ) 作者简介 】码春燕 ( 1 9 7 0 一) ， 女， 浙江杭 州人 。 高级 一 I： 程师 ， 主要研究方向 ： 土木工程施 工。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 6 公路工程 4 0卷 稳定性的影响。二氧化钛掺人橡胶沥青混合料中的 适宜掺量是多少 ， 本文将对二氧化钛掺量进行研究 。 2 试件制备及试验方法 2 1 原材料 选择的矿料为江苏镇江茅迪玄武岩； 橡胶粉采 用浙江永 益 2 0目胶 粉 ； 沥青 为 韩 国生产 的 S K T 0 基 质沥青 ； 外掺剂采用 P 0 4 2 5级水泥 ， 0 0 7 5 mm筛 孔通过率为 1 0 0 ， 外掺量为 l ； 二氧化钛为锐钛 型纳米级 钛 白粉 ； 集料 共 4档 ， 即 4 料 ： 02 3 6 m m、 2 料 ： 4 7 5 9 5 m n l 和 1 料 ： 9 51 5 m i l l ， 各 档集料的筛分结果如表 1所示。 表 1 各种矿料的筛分结果 Ta b l e l Va r i e t i es o f mi n e r a l a g g r e g a t e s i e v i n g r e s u l t s 矿 料 筛 分 1 凳 堕 亘 坌 兰 了 1 # 1 0 0 0 7 2 9 9 2 0 2 0 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2 # 1 0 0 0 1 0 0 0 9 8 3 1 2 4 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 4 # 1 0 0 0 1 0 0 0 t O O 0 9 8 1 8 3 3 5 6 7 3 6 7 1 9 5 1 4 5 1 0 6 根据橡胶沥青排水路面混合料的级配特点 ， 设 计级配如表 2所示， 混合料体积指标如表 3所示。 表 2级配设计结果 Ta bl e 2 Gr a d i n g d e s i g n r e s u l t s 2 2室内橡胶沥青制备 室内制备橡胶沥青时 ， 选取外掺 1 8 的橡胶粉 作为改性剂 ， 将 2 0目的橡胶粉分 3次缓慢加入 到 S K 7 0 基质沥青 中制备橡胶沥青 ， 其 中搅拌温度控 制在 1 7 54 - 5 ， 搅拌速率控制在 1 0 0 0 r m i n ， 拌 制 时间约为 4 5 mi n 。 2 3汽车尾 气制备 为 了使试验数据准确可靠， 试验 中采用 自配的 汽车尾气， 所配的尾气各成分和浓度参考标准汽车 的尾气浓度 ， 并综合考虑容器大小以及仪器量程等 因素。N O不宜与 O ：长期共存 ， 所 以将其与其它四 种成分分开配置。配置的尾气浓度如表 4所示。 表 4自配汽车尾 气组分及浓度 Ta bl e 4 P r e p a r e d a ut o mo b i l e e x h a u s t c o mp o ne nt a n d d e ns i t y 2 4 不 同二 氧化钛掺 量 混合料试 件制备 二氧化钛的添加方法主要有 2种 ： 将其和水 泥共 同加入 到沥青 混合料 中； 二氧化 钛 涂在 混合 料的表面H 。研究表明， 与水泥共 同加到沥青混合 料 中能够获得较好的光催化效果 ， 与将二氧化钛涂 在表面相 比， 操作简单 ， 不易被风吹散、 遇到水不流 失 、 不易被车轮带走等优点 。因此本文选择将二 氧化钛和水泥共同掺加到橡胶沥青混合料中。 按照上面橡胶沥青排水路面混合料的配合 比进 行备料 ， 二氧化钛掺量分别为混合料质量的 0 2 、 0 3 、 0 4 和 0 5 。在进行混合料拌合时， 将二 氧化钛与水泥一起加入到混合料拌锅 中进行混合料 拌制 ， 进而制备车辙板试件 。 2 5试验 密 闭容 器 的制 备 为了检验纳米二氧化钛排水路面混合料对汽车 尾气吸收效 果， 自制 了密 闭容器 ， 该容器包括玻璃 罩、 容器底座 ， 密封圈及其他附件。容器为五面体结 构 ， 其一侧壁上设有一排气小孔 ， 小孔设有相应的密 封 塞 ， 密封 塞 可设置 测量气 体浓 度的探 头 ， 玻璃 罩顶 部设有与外 部相连的进气 口。容器底座为刚性底 座， 与上部五面体玻璃罩可通过橡胶圈紧密结合 ， 容 器尺寸 为 3 1 0 m m 3 1 0 m m x 3 1 0 mm， 可 放 入 一块 车辙板试件。 自制密闭容器如图 1 所示 。 2 6试 验 方 法 为 了定 量分析 纳米 二氧化 钛在光 照条件 下对 尾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 马春燕 ： 二氧化钛掺量对橡胶沥青排水路面吸收尾气能力的影响研究 1 6 7 图 1 石英玻璃密 闭容器构造图 F i g u r e I Q u a r t z g l a s s a i r t i g h t c o n t a i n e r s t r u c t u r e d i a g r a m 气中有害成分 的吸 收效 果， 采 用汽 车排 气分 析仪 ( 产 品型号 F G A一 4 l 0 0 ， 如图 2所 示 ) 进 行室 内试 验 ， 主要技术参数如表 5所示 。该仪器可用于测量汽车 尾气 各排 放物 的浓 度 ， 包 括 碳 氢 化 合 物 ( H C) 、 一 氧 化碳 ( C O) 、 二氧化 碳 ( C O ) 、 氧气 ( O ) 及 氮 氧 化 物 ( N O x ) ， 氧气及氮氧化物分析采用电化学原理 ， 其余 三种气体采用红外吸收法。 图 2 F GA一 4 1 0 0型 汽车尾气 分析 仪 Fi g ur e 2 FGA 4 1 0 0 t y p e a ut o mo b i l e e x h a u s t a na l y z e r 表 5 汽车尾气 吸收仪技 术参数 Ta b l e 5 Te c h n i c a l pa r a me t e r s o f a u t o mo b i l e e x h a u s t ab s o r p ho m et r v 试 验操 作步 骤 如下 ： 将车辙板试件放入密闭容器中， 并且用橡胶 圈 密封 好 ； 将一定量的尾气通人 自制的密闭容器中， 记 录下 容器 内各 气体 浓 度的初 始值 ； 根据试验需要 ， 将装有排水路面混合料车辙 板 试件 和汽 车尾气 的 容器 置于 室外光 照环 境下 ； 每 1 0 mi n记录容器中各气体浓度值， 持续到 9 0 mi n ； 对 不 同二氧 化钛 掺量 的 试件重 复上述 试验 。 3试验 结果分析 根据上述试验步骤 ， 采用直接拌合 的方式在橡 胶沥青排水路面混合料中添加纳米二氧化钛 ， 制备 车辙 板试 件 ， 并 进 行 室外 光 照条 件 下对 C O、 H C及 N O的分 解效 果研 究 ， 试 验结 果 如图 3图 5所示 。 图 3 二氧化钛掺量对 C O 的净化效果 Fi g ur e 3 Th e d o s a g e o f Ti O2 pu r i f y i n g e ffe c t o n CO ： 0 0 一 一 、 魁 蛏 U Z 图 4 二氧化钛掺量对 HC的净化效果 F i g u r e 4 T h e d o s a g e o f T i O 2 p u r i i n g e f f e c t o n H C 一 宝 0 一 一 、 嶷 0 Z 图 5二氧化钛掺量对 NO的净化效果 Fi g u r e 5 Til e d o s a g e o f Ti O2 pu r i f y i n g e f f e e l 0n NO 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 8 公路工程 4 0卷 分析图 3一图 5中的数据可见： 在室外光照条 件下 ， 随着二氧化钛掺量的增加 ， 排水路面混合料对 各种气体的吸收效果均有所增加 ； 在相同时间下， 二 氧化钛掺加剂量为混合 料质 量的 0 4 时， 对各种 气体的净化效果有较大的提高 ， 而 当掺加剂量增加 到 0 5 时其净化效果的稍有提高， 但并不明显 ， 这 可能是 由于气体浓度、 光照条件等原因使反应已达 到饱和， 故再提高纳米二氧化钛 的用量对有害气体 的分解作用的提高也变得有限了。综合以上分析 ， 考虑到吸收效果 以及经济方面的因素 ， 推荐二氧化 钛添加剂量为混合料的 0 4 。 4 掺加二 氧化钛 的橡胶沥青混合料水稳定 性研 究 国内外研究表明， 沥青混合料 中掺入二氧化钛 会影响其水稳定性能 ， 为了研究二氧化钛对橡胶 沥青排水路面混合料水稳定性的影 响， 基于上述研 究 ， 选择 0 4 的二氧化钛掺量 ， 对掺二氧化钛混合 料及未掺混合料成型马歇尔试件， 进行浸水马歇尔 试验及冻融劈裂试验， 浸水马歇尔试验结果如表 6 、 表 7所示 ， 冻融劈裂试验结果如表 8 、 表 9所示 。 表 6 浸水马歇尔试验结果 ( 掺二氧化钛 ) T a b l e 6 I m m e r s i o n Ma r s h a l l t e s t r e s u l t s ( m i x i n g w i t h T i O 2 ) 表 8 冻 融劈裂试验结果 ( 掺二氧化钛 ) T a b l e 8 F r e e z e t h a w s p l i t t i n g t e s t r e s u l t s ( m i x i n g w i t h T i O 2 ) 表 9 冻融劈裂试验结果 ( 未掺二氧化钛 ) T a b l e 9 F r e e z e t h a w s p l i t t i n g t e s t r e s u l t s ( w i t h o u t T i O 2 ) 降低了 0 5 ， 但影响不大， 二 氧化钛掺量为 0 4 时， 橡胶沥青混合料的水稳定性仍满足规范要求。 5 结论 通过室内试验 ， 二氧化钛掺量增加 时， 混合 料尾气吸收能力变大 ， 掺量达到 0 5 时 ， 由于气体 浓度 、 光照条件等原因使反应达到 了饱和， 0 4 掺 量与 0 5 掺量 的吸 收效果较为接近， 考虑到吸收 效果及经济方面因素， 建议二氧化钛掺量为混合料 质量 的 0 4 。 二氧化钛的掺入( 0 4 ) 对橡胶沥青排水路 面混合料的水稳定性产生 了一定的微弱影响 ， 试验 结果表明， 掺人二氧化钛混合料的水稳定性 比原混 合料残留稳定度降低 了 1 1 ， T S R降低 了 0 5 ， 但水稳定性仍然满足规范要求。 由表 6表 9可 知 ： 橡 胶 沥 青混 合 料 中 掺人 二 氧化钛对其水稳定性产生 了一定 的不利影 响， 残留 参考文献 稳定度 比未掺二 氧化钛 混合料降低 了 1 1 ， T S R 1 胡 绍争 纳米二氧化 钛的合 成、 改性 及光催化性能研究 D 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 马春燕 ： 二氧化钛掺量对橡胶沥青排水路面吸收尾气能力的影响研究 1 6 9 ( 上接 第 1 3 3页 ) R A P掺 量增加 热再生沥青混合料抵御重复荷载 的 能力 的能 力增 强， 相应 的疲 劳寿命 提高 ； 随着 R A P掺量的增加 n值也是出现了增长的态势 ， 也就 是说当应力变大时， R A P掺量大 的沥青混合料会更 易出现破坏。主要原 因是 R A P中旧沥青虽然起着 缓冲荷载作用 ， 但是这部分沥青的粘弹性很大 ， 脆性 很大 。当荷载变化时 ， 其受到的影响要比新沥青大 ， 内部的微裂缝也相应 的会 多一些。故 当 R A P掺量 增加时 ， 就会出现 n值也相应增大的趋势 。 6 结 论 按照 公路沥青路 面施工规范 马歇尔法确定 S B S改性热再生混合料 的最佳沥青用量是可行 的； 随着 R A P掺量增大， S B S改性热再生混合料车辙试 验 动稳定 度增 大 ， 改 性 热再 生 混 合 料 的高 温 抗 永久 变形 能力 明显大 于 S B S改性沥 青混合 料 ， 且 随着 R A P掺 量增 大 S B S改性 热 再 生 混 合 料 的温 度 敏 感 性降低 ， 高温稳定 性不是制 约 R A P掺量 的 主要 因 素 ； S B S改性热再生混合料具有较好 的低温抗裂性 ， 随着 R A P掺量增加 ， 改性热再 生混合料弯拉应变 、 单位体积破坏应变能均呈线性减小 ， 低温抗裂严重 制约着 R A P掺量 ， R A P掺量小于 4 0 时， 热再生混 合料低温抗裂性与 S B S改性沥青混合料相当， 从低 温性能考虑， 对于冬严寒区适用 S B S改性沥青可使 热再生混合料最大 R A P掺量提高到 6 0 。R A P掺 量超过 5 0 时 ， S B S改性 改 性热 再生 混合 料 的疲 劳 性能显著降低 ， 从疲劳耐久性考虑， S B S改性热再生 混合料的最大 R A P掺量不宜超过 5 0 。 f 参考文献 1 懂晓进 橡胶 粉对热再生混 合料路 用性 能的影 响 J 公路工 程 ， 2 0 1 4 ， 3 9( 6 ) ： 2 7 l一2 7 6 、 2 聂忆华 ， 刘 苹 ， 周 志刚再生 剂对 沥青再 生机理 的影 响研 究 J 公路工程 ， 2 0 1 2 ( 0 6 ) ： 6 5 6 8 3 袁 迎 捷S u p e r p a v e沥青 混 合 料设 计 方 法 与压 实 原 理研 究 D 西安 ： 长安 大学， 2 0 1 1 4 赵斌 沥青混 合料热 再生机 理及技术性 能研 究 D 西安 ： 长 安大学， 2 0 1 2 5 范勇军 沥青混 合料 厂拌热再 生技术 研究 D 长 沙： 长沙 理 工大学 。 2 0 0 7 6 吴桂金 燃烧法 测定沥 青混合料 中沥 青含量 应用 的探讨 J 公路， 2 0 0 4 ( 0 6 ) ： 1 2 31 2 7 7 李海军 沥青路 面热 再生机理 及应用技 术研究 D 南京 ： 东 南大学 ， 2 0 0 5 8 】 美国沥青 再生协会 美国沥青路 面再生指南 M 北 京 ： 人 民 交通出版社 ， 2 0 0 6 9 J T G F 4 1 2 0 0 8 ， 公路沥青路面再生技术规范 S 1 0 J T G E 4 2 2 0 0 5 ， 公路工程集料试验规程 S 1 1 张昌波 沥青混 凝土厂拌 热再 生技术研究 D 西安 ： 长安 大 学 。 2 0 0 6 I 2 杨平 沥青路面厂拌热再 生利用研究 D 长沙 ： 长沙理工 大 学 2 0 0 5 1 3 张文会 沥青 路面厂 拌热 再生技 术研 究 D 西 安 ： 长安 大 学 2 0 0 4 1 4 任拴哲 沥青路 面厂拌 热再生及其 设备关 键技术 研究 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 8 1 5 J u l i e n Na v a roD e n i s B r u n e a uI v a n D r o u a d a i n e Ob s e r v a t i o n a n d e v a l ua t i o n o f t h e d e g r e e o f b l e n d i n g o f r e c l a i me d a 8 p h a h c o n c r e t e s u s i n g m i c r o s c o p y i ma g e a n a l y s i s ， J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g Ma t e r i a l s 2 0 1 2。 P P 1 3 51 4 3 1 6 拾方治 ， 马卫 民 ， 吕伟民 沥青路面再生技 术手册 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m