多波段光催化分解汽车尾气的路面封层施工工法.pdf

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1、多波段光催化分解汽车尾气的路面封层施工工法多波段光催化分解汽车尾气的路面封层施工工法1 前言前言 汽车尾气是以一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、微粒物和硫化物等为主要污染物的流动大气污染源。在交通流量大且常伴随交通拥堵的城市道路、十字路口、公路及城市隧道等重点区域内，经常出现尾气浓度偏高的现象。汽车尾气中的污染物不仅破坏了自然界的生态环境，而且还对人类健康造成了直接或间接的伤害。纳米 TiO2 光催化材料通过光催化反应可使吸附在表面的有害物质发生降解或分解，将汽车排放的 CO，HC，NOx 分解为的碳酸盐和硝酸盐，遇雨天或洒水时可随水流走。目前将纳米 TiO2 用于道

2、路路面结构中进行尾气分解还存在不少难题，一是传统的光催化材料只能在部分波段的可见光下使尾气发生反应，催化效率低，在弱光或无可见光的条件下，如隧道范围内，则无法发挥作用；二是简单的将光催化材料加入沥青或水泥路面中，其与汽车尾气的接触面积非常小，不仅造成材料的浪费，也达不到预期的光催化效果。为解决上述问题，天津市公路工程总公司组织开展了“多波段光催化分解汽车尾气的路面材料制备与应用研究”的课题研究，分阶段制备出多波段纳米 TiO2光催化材料、负载 TiO2 的多孔材料及 TiO2 光催化彩色陶粒，依托京津塘高速公路北部新区段城市快速路、天津市外环线东北部调线城市快速路等养护工程进行了应用，铺筑了多

3、波段光分解汽车尾气的路面养护封层，总结形成了施工工法。该封层不仅路用性能良好，而且能够在可见光、紫外灯等多种光线条件下实现汽车尾气的快速催化分解，具有显著的经济、社会和环境效益。2 工法特点工法特点 2.0.1 将纳米 TiO2负载到多孔矿物材料上，可以将有机物吸附到 TiO2粒子周围，大幅度增加了污染物与光催化材料的接触面积，加快了反应速度，显著提高了光催化分解汽车尾气的效率。2.0.2 通过对 TiO2光催化材料的多波段改性，大大拓展了其应用场景和应用范围，在阴雨天气、夜晚等弱光、无光场景以及缺乏可见光的隧道等路段，该材料制成的路面封层也能发挥分解汽车尾气的作用。2.0.3 利用制备出的彩

4、色陶粒铺筑路面封层，施工简便，容易掌握，具有强度高、耐久性好的突出特点，适用范围广，作为一种有效的预防养护技术措施，不仅可以用于沥青路面，还可以用于水泥混凝土路面，能够显著提高原有路面的抗滑性能，也可以起到警示作用，提高了行车安全性。3 适用范围适用范围 本工法可以用于城市道路、城市高架桥、十字路口、公交车道以及各等级公路隧道等汽车尾气排放集中的路段，可用于新建沥青路面、水泥混凝土路面或桥面铺装层，也可应用于路面养护项目或改扩建工程。4 工艺原理工艺原理 4.0.1 纳米 TiO2是一种具有光催化功能的 N 型半导体材料，具有很强的光催化氧化还原能力，将其应用到道路材料中，可将汽车排放的 CO

5、，HC，NOx 分解为碳酸盐和硝酸盐，遇雨天或洒水时即可随水流走。将改性 TiO2光催化剂与多孔矿物材料（海泡石、电气石）结合，增加了其催化面积，并将其制成改性TiO2光催化彩色陶粒，撒布在环氧胶结料表面，不仅提高了催化分解尾气的效率，而且其强度能够满足路用要求。4.0.2 使用环氧树脂作为彩色胶结料，可以将表面的彩色陶粒紧紧粘附在路表，不会出现脱粒、路面磨损等病害，将该彩色路面封层应用于交叉路口、公交车道、隧道路面等尾气排放多的路段，不仅能够在全气候条件下实现分解汽车尾气的作用，而且能够起到警示行人与车辆的作用。5 工艺流程及操作要点工艺流程及操作要点 5.1 工艺流程 施工工艺流程见图5.

6、1-1。图 5.1-1 施工工艺流程图 5.2 操作要点 5.2.1 施工准备（1）按照交通管理部门的相关规定进行交通封闭或半封闭；在施工路段两端设置交通警示标志和车辆导向标志，并配备专人执勤指挥。作业人员穿着安全识别服，夜间作业人员、作业机具和设备按照有关规定配备反光安全识别标志。（2）准备小型铣刨机、鼓风机等安装及施工设备，备足环氧树脂 A，B 组分、彩色防滑骨料、沥青及砂石等材料。施工前对现场人员进行技术交底，检查机械设备是否按照要求到位且状态良好。5.2.2 下承层准备（1）对原路面病害进行处治，车辙深度超过 1cm，选用铣刨方式处理路面；施工准备 下承层准备 环氧胶结料拌合物涂刷 环

7、氧胶结料拌和 原路面清理、处治 封闭交通 施工机械、材料、人员准备 碾压 养护 质量检验与验收 多波段改性纳米 TiO2制备 多孔材料负载 TiO2 制作 TiO2光催化彩色陶粒 TiO2光催化彩色陶粒撒布 路面陷入深度大于 2cm，对凹陷处进行填充；当原路面存在裂缝且裂缝较浅较窄时，选用细沥青砂进行填充，以保证原路面的平整。（2）完成路面的平整工作后，清除路面上的杂物，等待路面干燥，便可进行后续的摊铺、压实以及养护等工作。5.2.3 环氧胶结料拌和 按照确定的配比（单组份环氧：集料=1:46；双组份环氧：集料=1:78）分别将所需重量的各种物料投入到设备中搅拌均匀即可获得胶结料拌合物，观察搅

8、拌均匀，严格控制拌和温度在 2030内。如图 5.2-1。图 5.2-1 均匀拌料 5.2.4 环氧胶结料拌合物涂刷（1）在封层正式摊铺施工前,将处治好的路表面清理干净,并洒布一层黏层油,以增强多波段光分解汽车尾气封层与原路面间的黏结力。（2）环氧树脂胶结料拌合物的涂刷量为 1520kg/m2，采用一铲挨一铲扣铺的方式，用木刮板或轻巧耙轻轻耙平，防止大颗粒集中、粒料和土离析或摊铺不匀。每隔约 20 米用直尺和路拱板校正平整度和路拱度。图 5.2-2 环氧胶结料拌合物涂刷 5.2.5 TiO2光催化彩色陶粒制备（1）多波段改性 TiO2光催化剂制备 将纳米 TiO2进行改性处理，调节分散剂种类及

9、含量、PH 值、外加剂等因素，制备多波段改性 TiO2光催化剂，所用纳米 TiO2如下图所示：图 5.2-3 25nm 级 TiO2（2）负载 TiO2的多孔材料制备 按照矿物负载光催化材料制备原理，将多波段改性 TiO2光催化剂、TiCl4水溶液、海泡石或者电气石等在搅拌罐中混合搅拌，经处理后得到负载型光催化剂。工业制备流程如下图所示。图 5.2-4 矿物负载光催化材料制备工艺流程（3）TiO2光催化彩色陶粒制备 在矿物负载光催化材料中掺加石灰、环氧树脂粘结剂、着色剂等其他添加剂，使用造粒机将其制备成 TiO2光催化彩色陶粒，并检测其强度满足路用要求。海泡石或电气石 TiCI4溶液 TiCI

10、4水溶液 标定Ti至一定浓度 搅拌混合 加热沸腾 沉淀 产品 冰水冷却下加去离子水稀释 洗涤，过滤，干燥 图 5.2-5 造粒工艺 5.2.6 TiO2光催化彩色陶粒撒布 TiO2光催化彩色陶粒的撒布采用抛洒法，根据路面类型和表面结构情况，结构层厚度在 5mm 以内的涂层，水泥混凝土路面用胶量约为 1.41.8kg/m2，陶粒用量为 3.54.5kg/m2；沥青路面用胶量约为 1.62.2kg/m2，陶粒用量为3.84.8kg/m2。图 5.2-6 TiO2光催化彩色陶粒撒布 5.2.7 碾压 碾压前，首先培筑路肩并整平，使路肩与封层同时压实；随后轻碾(23 吨)或轻压路机压 23 遍，每碾重

11、合一半，碾压过程用 3 米直尺校正平整度；最后小型钢轮压路机碾压收平，铺平后及时回收多余碎石。图 5.2-7 碾压 5.2.8 养护 施工完成之后进行养护，养护期间对施工区域进行封闭，禁止其他车辆及行人驶入，并对施工区域附近进行打扫。通车后有少量撒布的骨料脱落，予以回收，保持路面整洁。5.2.9 质量检验与验收 多波段光催化环氧彩色封层施工完成后，进行质量检测与验收。等有效强度形成并稳定后再开放交通，一般为铺筑后 2436 小时。决定开放交通之后，应撤除交通管制标志，不留任何障碍，保证交通顺畅。6 材料与设备材料与设备 6.1 材料性能（1）纳米 TiO2 本工法使用锐钛型纳米 TiO2，其主

12、要技术参数如下表。TiO2指标技术要求指标技术要求 表 6.1-1 项目 技术要求 外观 白色粉末 晶型 锐钛 松装密度（g/cm3）0.150.4 比表面积（BET）（m2/g）80150 原生粒径（nm）1030 含量 98 微量元素含量 项目 指标 Fe 70ppm Cu 10ppm Na 50ppm Mg 50ppm Si 30ppm（2）载体矿物 本工法选用海泡石和电气石作为载体矿物材料，其化学成分组成范围见表6.1-2。载体矿物的化学成分组成载体矿物的化学成分组成 表 6.1-2 成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O MnO H2O+含量%49.

13、64 0.35 0.69 5.48 23.19 0.11 0.05 0.01 8.38 范围%5%1%1%1%5%1%1%1%1%（3）彩色沥青胶结料 本工法采用具有高粘结性能的树脂将光催化彩色陶粒粘结在道路表层，形成35 毫米厚度的封层罩面。所用环氧树脂为 A、B 组分，其性能指标应满足表 6.1-3所示。彩色沥青胶结料性能彩色沥青胶结料性能 表 6.1-3 性质 单位 产品技术要求（DOC-N）产品技术要求（DOC-C）产品技术要求（DOC-CP）适用场合 非机动车道 普通路面 重交路面 针入度 25 0.1mm 60-80 4060 4060 软化点（环球法）46 48 60 延度 15

14、 cm 100 100 100 60 度粘度 Pa.S 160 200 1000 闪点（开口式）230 230 230 薄膜烘箱实验（163 加热 5 小时）质量损失%m 1 1 1 针入度比%50 50 50 所用彩陶颗粒的规格如表所示：彩陶颗粒的规格彩陶颗粒的规格 表 6.1-4 规格指标 指标要求 规格形状 不规则颗粒状 大粒径 58mm 中粒径 35mm 小粒径 13mm 比重 2.252.45g/cm3 吸水率 3.0%莫氏硬度 6 6.2 机械设备 主要机械设备主要机械设备 表 6.2-1 机械或设备名称 单位 数量 用途 拌和机 台 2 拌和 小型铣刨机 台 2 铣刨 洒水车 辆

15、 2 清扫 吹风机 台 2 清扫 压路机 台 1 压实 随车起重运输车 台 1 补给原材料 重型载重运输车 台 1 运输原材料 反光锥、施工指示牌等交安设施 批 1 交通管制与安全 通勤车 辆 1 /7 质量控制质量控制 本工法执行公路沥青路面施工技术规范（JFG F40-2004）相关标准，工程检测结果应满足表 7-1 中的质量要求。质量检验与验收标准质量检验与验收标准 表 7-1 工程分项 检测指标 技术要求 检测频度 表面清洁 清洁度 干净 3 点/200m2 粗糙度 有纹理 底涂层 用量（g/m2）200300 1 次/200m2 胶结料 用量（g/m2）14002000 1 次/20

16、0m2 彩色陶粒 用量（g/m2）1500020000 1 次/200m2 抗滑性能 摩擦系数（BPN）55 3 次/每施工次日 纹理深度（mm）2 3 次/每施工次日 8 安全措施安全措施（1）在工法应用过程中严格遵守并执行 中华人民共和国安全生产法、公路工程施工安全技术规程（JTG F90-2015）以及地方、业主、企业现行的有关施工安全的有关规定。（2）建立和健全安全组织机构 施工现场建立以项目经理为第一负责人的安全管理机构，人员包括安全总监、安全部长、总工程师、施工负责人、安全员、防护员及工班长。（3）建立安全生产责任制 安全生产责任制将责任落实到施工现场的每一个施工人员，使施工人员清

17、楚自己的安全职责，尤其是安全管理人员的责任。（4）按照规范要求严格摆放布控设施，包括指向车、标志牌、锥形标等。（5）在作业现场设置醒目的警示标志及各类操作规程和完全规则。（6）在封闭区域放置沙袋，以防止车辆闯入。（7）发现歪、倒、移位的锥标、标志牌及时扶正、归位，破坏的及时更换，对出现的交通事故及时上报。9 环保措施环保措施（1）认真贯彻执行中华人民共和国环境保护法、公路环境保护设计规范等国家和行业有关环境保护、文明施工的规定。（2）加强对施工现场的管理，经常清理施工现场，做到材料堆放整齐，机械设备有序停放，施工地段应有明显的施工标志。（3）施工产生的施工垃圾和生活垃圾集中堆放，并制订专人清理

18、，做到工完料清。（4）加强对机械的维修保养，遇到漏油、漏水的机械必须维修好以后方可继续施工，对废油、废水和废渣按环保部门相关规定妥善处理。（5）将环境措施的相关方案和要求向全体施工人员详细交底。（6）在施工过程中需注意施工便道的养护，天气干燥时及时洒水保养，防止尘土对周围环境的污染。10 效益分析效益分析（1）多波段光催化分解汽车尾气的路面封层实现了净化汽车尾气的目标，一方面，可以节省空气环境治理的成本；另一方面，作为预防养护封层铺筑在路面上，延长了路面使用寿命，全寿命周期内投入的费用大为减少。该封层结构具有道路养护与环境治理的双重作用，改善了公路、城市道路周边群众的生产、生活条件，对于推进环

19、保型道路的发展、建设绿色公路、减少城市道路尾气污染、构建可持续发展观念具有重要意义。（2）在路表铺设具有尾气降解功能的封层结构，可从汽车尾气排出伊始就对其中的污染物进行净化，避免了污染气体继续扩散入大气产生温室效应和光化学烟雾等危害。尤其应用于城市道路、十字路口、隧道等尾气浓度高的地段效果好，相比普通路段，氮氧化物浓度降低 9.5%，汽车尾气排放量降低 35%，具有显著的环境效益。综合所述，多波段光分解汽车尾气的路面封层经济、社会和环境效益显著，推广和应用前景广阔。11 工程实例工程实例（1）京津塘高速公路北部新区段城市快速路养护工程起点桩号 K1+390，终点桩号 K3+317.524，全长

20、 1972.524m，由天津市公路工程总公司负责施工。（2）天津市外环线东北部调线城市快速路养护工程起点位于现状外环线津汉立交以南，止于铁东路以西。外环线东北部调线道路等级为城市快速路，最快时速为 80km，双向 8 车道，混行车道 3.75m,多功能车道 3.5m，由天津市公路工程总公司负责施工。为改善空气质量，减少汽车尾气污染，天津市公路工程总公司与山东交通学院成立了课题组，通过室内试验、理论研究和实体工程铺筑等方式，将多波段改性二氧化钛与多孔矿物材料复合后制备彩色陶粒撒布在环氧胶结料表面，形成预防养护封层，该封层不仅具有良好的路用性能，而且可以在多种光线条件下实现汽车尾气的催化、降解，效果突出。