瀝青路面涂層的光反射及汽車尾氣降解效果分析

尚文勇，周政，陳俊

（1.延安公路管理局，陜西 延安 716000；2.江蘇交科交通設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；3.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

瀝青路面因良好的行車舒適性和維修便利性，已經成為中國高等級公路的主要路面形式。但由于瀝青路面對太陽輻射的反射率較低，路表往往吸收大量的太陽輻射熱量［1-3］，導致夏季路面溫度很高，甚至達到70 ℃以上。瀝青路面高溫不僅造成車轍、擁包等永久變形，影響行車安全，還加劇城市熱島效應，降低人體舒適性［4-5］。此外，隨著汽車保有量的不斷增加，汽車尾氣排放逐漸增多，由此引起的大氣環境污染問題日趨嚴重。

針對路面低反射和汽車尾氣污染問題，近年來道路工作者分別開展了熱反射涂層、光催化降解尾氣等方面的研究。在熱反射涂層方面，鄭木蓮等［6］、曹雪娟等［7］以金紅石型鈦白粉（TiO2）、ZnO 為填料，制備了反射涂層，顯示出良好的路面降溫效果；王赫［8］比較了納米級和微米級填料對瀝青混合料降溫效果的影響。在光催化降解尾氣方面，譚憶秋等［9］對比了涂覆和摻入二氧化鈦兩種方式對尾氣的降解效果，認為涂層更為經濟和有效；錢國平等［10］開發了一種納米二氧化鈦基路面涂層材料，獲得了其對NO 的降解率；郭重霄等、周大垚等［11-12］也進行過類似的研究。

從以上文獻可以看出，無論是路面反射涂層還是光催化涂層，TiO2、ZnO 是兩種最常用的填料，但是目前關于兩者降溫降解效果的差異以及納米級與微米級填料對降溫降解效果的影響，并沒有深入研究。為此，本文制備以納米和微米TiO2、ZnO 為填料的涂層，通過測試瀝青混合料涂層反射率、涂層尾氣降解率，對比分析填料種類、尺寸對降溫降解效果的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本文采用的涂層包括基料和填料?；蠟橥该鞯腅51 型環氧樹脂膠YT-CC301，它由室溫固化全透明環氧樹脂（A 組分）和全透明環氧固化劑（B 組分）按1∶1 配制而成，技術性質如表1 所示；填料分別為粒徑405 nm 的二氧化鋅（Nano-ZnO）、1 020 nm 的二氧 化 鈦（Micro-TiO2）和 100 nm 的 二 氧 化 鈦（Nano-TiO2），它們分別與環氧樹脂混合攪拌，制成3種熱反射涂料。

3 種瀝青混合料（AC-13、SMA-13、OGFC-13）中集料采用玄武巖，填料為石灰石礦粉，AC-13 采用90#基質瀝青，SMA-13 和OGFC-13 采用由90#基質瀝青和5.4%SBS 制備而成的改性瀝青。

1.2 反射率測試方法

對AC-13、SMA-13、OGFC-13 成型車轍板，并采用圖1 所示自行開發的裝置測試混合料的反射率，該裝置包括碘鎢燈光源、雙輻射傳感器。其中，碘鎢燈功率均為500 W，其波長與太陽可見光和紅外光波長相當，范圍為0.34～2.5 μm；雙輻射傳感器的測試波長范圍均為0.3～3 μm，其中朝上的入射傳感器，測試太陽輻射的入射強度I，朝下的反射傳感器，測試由路面反射出的輻射強度R，反射率A按式（1）計算。有關該裝置的測試方法，見文獻［13］。

1.3 尾氣降解效果測試方法

采用圖2 所示的裝置實現尾氣產生，以及紫外線下CO、HC、NOx濃度測定。該裝置由關東電機R3800、主箱、尾氣分析儀組成，其工作原理是：電機產生尾氣，并由軟管輸送到主箱內，主箱內放置混合料試件，在紫外光源的輻射下，以光觸媒為催化劑降解箱內尾氣，并通過尾氣分析儀每隔10 min 測量一次主箱內CO、HC、NOx濃度值。

圖2 尾氣測試裝置實物圖

2 涂層的光反射效果分析

2.1 無涂層時瀝青混合料反射率

在室溫15 ℃，碘鎢燈高度25 cm 條件下對AC-13、SMA-13、OGFC-13 分 別 進 行5 次 反 射 率 測試，圖3 為5 次反射率均值與離散程度。3 種不同級配的瀝青混合料的反射率為5.46%～6.11%，瀝青混合料較低的反射率，說明達到路表的太陽輻射中絕大部分被路面吸收，只有很少反射到大氣環境中。另一方面，不同類型混合料的反射率差異不明顯，可見瀝青混合料的反射率極大程度上取決于其表面的黑色，而表面紋理和粗糙度對瀝青混合料的反射率影響不大。

圖3 3 種瀝青混合料反射率

2.2 涂層中填料摻量對反射率影響

為了確定反射涂層中填料的最佳用量，在AC-13試件上涂刷不同填料摻量的涂層，并測量反射率?？紤]到當填料摻量大于60%時，多余的填料就無法溶解于環氧樹脂基體中，本部分填料摻量分別為0、10%、20%、30%、40%、50%和60%，結合鄭木蓮等的研究［5］，涂層用量為0.9 kg/m2，涂層為3 層，每層用量0.3 kg/m2。圖4 為AC-13 不同填料摻量下的涂層反射率。

圖4 填料摻量與涂層反射率的關系

由圖4 可知：①當填料摻量從0 增加到30%時，涂層反射率迅速增加；隨著填料摻量從30%進一步增加到60%，反射率僅略有提升，尤其是Micro-TiO2和Nano-ZnO，因此本文將填料的最佳摻量確定為30%；② 相同填料摻量的涂層反射率基本為Micro-TiO2>Nano-ZnO>Nano-TiO2，這可能與填料顆粒粒徑有關，有研究發現當填料粒徑與光波長的1/2 相當時，填料對光的散射效果最明顯。本文Micro-TiO2和Nano-ZnO 的粒徑分別是1 020 nm 和405 nm，正處于碘鎢燈波長（0.34～2.5 μm）一半的范圍內，體現了良好的光線反射效果。

2.3 涂層厚度對反射率的影響

以填料摻量30%，分別制備Micro-TiO2、Nano-ZnO、Nano-TiO2涂料，并在瀝青混合料板上涂覆3 層，每層用量0.3 kg/m2，涂刷后AC-13、SMA-13和OGFC-13 試件見圖5。在涂刷過程中，發現涂層漿液堵塞了OGFC-13試件的連通孔隙，導致其排水性能和降噪性能大大下降，因此本文僅測試OGFC-13+Micro-TiO2涂層的反射率。

圖5 涂覆涂層后的AC-13、SMA-13 和OGFC-13 試件

對圖5 試件進行室內反射率測試，并與不含涂層的混合料進行比較，結果見圖6。

圖6 各試件涂層前后的反射率變化

由圖6 可知：無論是哪種填料，有涂層的瀝青混合物比無涂層的瀝青混合物反射率更大。且隨著涂層材料用量的增加，測得的反射率也增加。這表明太 陽 輻 射 可 以 被 Micro-TiO2、Nano-TiO2和Nano-ZnO 的細顆粒反射。此外，明顯可以發現3 種涂層中Micro-TiO2涂層的反射率最大。當涂層用量僅為0.3 kg/m2時，AC-13、SMA-13 和OGFC-13 試件的反射率分別增大至32.8%、31.2%和34.2%。而涂覆Nano-TiO2涂層的瀝青混合物試件的反射率最低，當涂層用量為0.9 kg/m2時，AC-13 和SMA-13 試件的反射率分別為18.8%和19.9%，仍小于僅1 層Micro-TiO2涂層的試件?？梢?，Micro-TiO2是瀝青混合料涂層的有效反射填料。

3 涂層的尾氣降解效果分析

對涂有0.9 kg/m2涂層的AC-13 試件，采用圖2的測試儀，進行紫外線照射，并測試涂層光催化下CO、HC、NOx濃度，圖7 為降解60 min 過程中CO 濃度的變化。

圖7 CO 濃度隨時間的變化

由圖7 可以看出：隨著紫外線照射和光觸媒填料的降解，CO 濃度逐漸降低，3 種填料均有降解CO 的效果。但是，由于圖2 中電機穩定性問題，所產生尾氣中初始濃度不完全相同，導致按圖7 難以直觀對比3 種填料降解效果的差異。為此，按式（2）計算60 min 內每10 min 時刻的降解率，并計算CO、HC、NOx在不同時刻的累計降解率η，結果如圖8 所示。

圖8 CO、HC、NOx在不同時刻的累計降解率

式中：Ci為i時刻的濃度值，i=10 min，20 min，…，60 min。

從圖8（a）可知：隨著光催化時間的增長，光催化下3 種涂層對CO 的降解率逐漸提高，當光催化60 min 時，Micro-TiO2、Nano-TiO2和Nano-ZnO 對CO 的降解率分別達到了14.1%、26.42%、24.09%，體現了良好的降解效果。而且相同紫外光照時間下，3 種涂層的降解效果排序是：Nano-TiO2>Nano-ZnO>Micro-TiO2。值得注意的是，即使是內含沒有涂層瀝青混合料的箱體，在紫外線照射下，其內部氣體中CO 也被一定程度地降解了。這是因為紫外線本身對CO 有一定的分解效果，并非瀝青混合料的作用。

由圖8（b）、（c）可以看出：無論是HC 還是NOx，Nano-TiO2涂層的降解效果最好，Micro-TiO2的降解效果最差，這與圖8（a）對CO 降解效果的排序一致。此外，比較涂層對CO、HC、NOx的降解率可知，涂層對NOx的降解最為明顯，對HC 的降解效果較差，如Nano-TiO2在60 min 內可將61.9%的NOx降解，而對HC 只降解了19.54%。

4 結論

（1）從提高瀝青混合料光反射率看，涂層優劣排序為：Micro-TiO2>Nano-ZnO>Nano-TiO2。

（2）從尾氣降解效果看，涂層優劣排序為：Nano-TiO2>Nano-ZnO> Micro-TiO2。

（3）TiO2、ZnO 等光觸媒材料對尾氣CO、HC、NOx的降解效果是：NOx>CO>HC。