何建彬 孙德环 刘思铨 丑志静 许 鹰，3

(1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044;2.中交一公局集团第三工程有限公司，北京 101102; 3.北京市城市交通基础设施建设工程技术研究中心，北京 100044)

近年来，随着我国汽车保有量的迅速上升，汽车尾气污染成为社会关注焦点。以北京市为例，25%以上的PM2.5是由机动车尾气造成的，居所有来源之首［1］。TiO2在紫外光作用下，可降解尾气中的NOX，CO等有害气体，是目前研究和应用最广泛的光降解材料［2］。但阳光中紫外光强度不超过5%，导致普通TiO2较难被激活，降解效率较低［3］。Asahi等［4］对 TiO2进行了氮掺杂改性，可有效提高其光催化活性，这引起了众多学者对二氧化钛非金属改性的极大关注。

目前，TiO2在路面上的应用方式主要有掺入式和涂覆式。有研究表明:掺入式 TiO2用量大、经济性差，降解效果不理想［5］;TiO2水基涂覆液与路面的粘附性差，TiO2颗粒在车轮磨耗后极易流失，导致后期降解效果严重下降，降解耐久性不足。

为使TiO2在道路中的应用既具有可靠的降解效果又满足耐久性要求，本文拟在室外真实光照和大气污染物浓度环境下，进行雾封层氮掺杂二氧化钛对尾气中NOX，CO的降解效能和降解耐久性研究，为TiO2光催化材料的深入开发和性能改善奠定基础。

1 试验材料的制备

1.1 TiO2基涂覆液

由于TiO2不溶于水及封层材料，如果直接掺加TiO2，制备的涂覆液极不稳定，易团聚沉淀。因此需添加TiO2质量的10% ～20%的羧甲基纤维素钠作为分散稳定剂，以保证TiO2基涂覆液分散均匀，并可稳定储存一定时间。

1.1.1 水基TiO2涂覆液

将一定量羧甲基纤维素钠掺加到去离子水中并用剪切仪以3 000 r/min高速剪切5 min后，掺加2%掺量(TiO2与涂覆液的质量比)的TiO2继续高速剪切30 min，即可制备水基TiO2涂覆液。

1.1.2 雾封层TiO2涂覆液

雾封层材料选择快裂阳离子乳化沥青，按照上述水基TiO2涂覆液制备方法先制备一定量的TiO2水溶液，然后将TiO2水溶液和快裂阳离子乳化沥青按照一定比例机械混合并高速剪切，即可制备雾封层TiO2涂覆液。

1.2 光催化降解试件

本文成型车辙板作为TiO2基涂覆液的载体试件，采用AC-13型级配，粗集料采用石灰岩，细集料采用机制砂，填料采用石灰岩矿粉，胶结料为高黏改性沥青，所用集料与沥青各项性能指标均符合JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范。

2 试验方法与评价指标

2.1 尾气降解试验

本文开发了一种在实际光照和真实大气污染物浓度环境下降解效果的高精度测试设备，主要包括3个部分:气源系统、实时监测系统和气体反应室。分别将水基TiO2涂覆液以556 mL/m2的用量，雾封层TiO2涂覆液以600 g/m2的用量均匀喷涂到车辙板表面，待水分蒸发晾干后和乳化沥青破乳后用于尾气降解测试。

将4块车辙板放入气体反应室内，气体反应室材质选用无色透明有机玻璃，具有极好的透光性能。试验开始时，先用黑布将反应室箱体完全遮光，向反应室内通入NOX，CO和氮气的混合压缩气体，使箱内污染气体的浓度达到稳定的初始值——C初;撤掉黑布使TiO2开始光催化降解反应，实时检测反应室内各污染气体浓度变化，当NOX和CO气体浓度再次达到稳定后记为C稳，以降解效能W来评价TiO2路面对NOX和CO的降解效果，其计算公式为:

2.2 车轮磨耗试验

采用多功能车辙仪对含TiO2车辙板进行车轮磨耗试验，以模拟实际车轮运行对路面TiO2颗粒造成的损耗，然后通过尾气降解试验测试磨耗后路面对NOX和CO的降解效果。

3 试验结果与分析

3.1 降解效能分析

3.1.1 两种纳米TiO2降解效能对比

普通纳米TiO2和氮掺杂二氧化钛(N-TiO2)对NOX和CO的降解情况见图1，图2。

与普通纳米TiO2相比，N-TiO2对NOX与CO的降解效能均有明显提高。水溶液型N-TiO2对NOX与CO的降解效能分别提高46.3%和40.0%，雾封层型N-TiO2对NOX与CO的降解效能分别提高44.8%和38.8%。这说明对普通纳米TiO2进行氮掺杂改性，能显著提高其降解效能，满足路面对降解效果高效性的要求。

3.1.2 不同应用方式下N-TiO2降解效能对比

图1 两种纳米TiO2降解效能（水溶液型）

图2 两种纳米TiO2降解效能（雾封层型）

N-TiO2的水基涂覆液和雾封层涂覆液对NOX和CO的降解情况见图3。

图3 两种应用方式下N-TiO2降解效能

相较水溶液型，雾封层型对NOX与CO的降解效能分别降低13.1%和11.4%。其原因将 N-TiO2掺加于雾封层中，有部分TiO2颗粒被沥青裹覆，导致其降解效能降低，但紫外光能穿透较薄的雾封层，TiO2受光照激发后产生的活性氧化剂也能穿透较薄的沥青膜与污染气体接触进行降解反应，因此雾封层型的降解效能略低于水溶液型。

3.2 降解耐久性分析

车轮磨耗前后，N-TiO2对NOX与CO降解效能见图4，图5。

图4 磨耗前后降解效能对比（水溶液型）

图5 磨耗前后降解效能对比（雾封层型）

车轮磨耗后，N-TiO2对NOX和CO的降解效能均有降低。水溶液型对NOX与CO的降解效能分别降低36.8%和29.6%，雾封层型对NOX与CO的降解效能降低14.4%和10.7%。这是因为车轮磨耗造成车辙板表面的TiO2颗粒减少，从而削弱了降解效果。

但磨耗试验后，雾封层型对NOX与CO降解效能反而比水溶液型高4.0%和3.7%，表明雾封层型的耐久性相对较好。TiO2颗粒的损失与涂覆剂和路面的黏附性有关，雾封层与路面的黏附性较好，车轮磨耗后TiO2颗粒的损失较小;而水溶液与路面的黏附性较差，在车轮磨耗下TiO2颗粒极易损失，降解效能也明显降低。

4 结语

1)N-TiO2对汽车尾气中NOX与CO的光催化降解效能更好。推荐对普通纳米TiO2进行氮掺杂改性，以满足路面对降解效果高效性的要求。

2)N-TiO2雾封层涂覆液对NOX与CO的降解效能略低于水溶液型，这可能与部分TiO2颗粒被沥青裹附有关。

3)车轮磨耗试验后，雾封层N-TiO2对NOX与CO降解效能比水溶液型高4.0%和3.7%，说明雾封层N-TiO2涂覆液降解耐久性相对较好。推荐采用雾封层的应用方式，以提高路面的降解耐久性。