沥青路面涂层的光反射及汽车尾气降解效果分析

尚文勇，周政，陈俊

（1.延安公路管理局，陕西 延安 716000；2.江苏交科交通设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001；3.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098）

0 引言

沥青路面因良好的行车舒适性和维修便利性，已经成为中国高等级公路的主要路面形式。但由于沥青路面对太阳辐射的反射率较低，路表往往吸收大量的太阳辐射热量［1-3］，导致夏季路面温度很高，甚至达到70 ℃以上。沥青路面高温不仅造成车辙、拥包等永久变形，影响行车安全，还加剧城市热岛效应，降低人体舒适性［4-5］。此外，随着汽车保有量的不断增加，汽车尾气排放逐渐增多，由此引起的大气环境污染问题日趋严重。

针对路面低反射和汽车尾气污染问题，近年来道路工作者分别开展了热反射涂层、光催化降解尾气等方面的研究。在热反射涂层方面，郑木莲等［6］、曹雪娟等［7］以金红石型钛白粉（TiO2）、ZnO 为填料，制备了反射涂层，显示出良好的路面降温效果；王赫［8］比较了纳米级和微米级填料对沥青混合料降温效果的影响。在光催化降解尾气方面，谭忆秋等［9］对比了涂覆和掺入二氧化钛两种方式对尾气的降解效果，认为涂层更为经济和有效；钱国平等［10］开发了一种纳米二氧化钛基路面涂层材料，获得了其对NO 的降解率；郭重霄等、周大垚等［11-12］也进行过类似的研究。

从以上文献可以看出，无论是路面反射涂层还是光催化涂层，TiO2、ZnO 是两种最常用的填料，但是目前关于两者降温降解效果的差异以及纳米级与微米级填料对降温降解效果的影响，并没有深入研究。为此，本文制备以纳米和微米TiO2、ZnO 为填料的涂层，通过测试沥青混合料涂层反射率、涂层尾气降解率，对比分析填料种类、尺寸对降温降解效果的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本文采用的涂层包括基料和填料。基料为透明的E51 型环氧树脂胶YT-CC301，它由室温固化全透明环氧树脂（A 组分）和全透明环氧固化剂（B 组分）按1∶1 配制而成，技术性质如表1 所示；填料分别为粒径405 nm 的二氧化锌（Nano-ZnO）、1 020 nm 的二氧 化 钛（Micro-TiO2）和 100 nm 的 二 氧 化 钛（Nano-TiO2），它们分别与环氧树脂混合搅拌，制成3种热反射涂料。

3 种沥青混合料（AC-13、SMA-13、OGFC-13）中集料采用玄武岩，填料为石灰石矿粉，AC-13 采用90#基质沥青，SMA-13 和OGFC-13 采用由90#基质沥青和5.4%SBS 制备而成的改性沥青。

1.2 反射率测试方法

对AC-13、SMA-13、OGFC-13 成型车辙板，并采用图1 所示自行开发的装置测试混合料的反射率，该装置包括碘钨灯光源、双辐射传感器。其中，碘钨灯功率均为500 W，其波长与太阳可见光和红外光波长相当，范围为0.34～2.5 μm；双辐射传感器的测试波长范围均为0.3～3 μm，其中朝上的入射传感器，测试太阳辐射的入射强度I，朝下的反射传感器，测试由路面反射出的辐射强度R，反射率A按式（1）计算。有关该装置的测试方法，见文献［13］。

1.3 尾气降解效果测试方法

采用图2 所示的装置实现尾气产生，以及紫外线下CO、HC、NOx浓度测定。该装置由关东电机R3800、主箱、尾气分析仪组成，其工作原理是：电机产生尾气，并由软管输送到主箱内，主箱内放置混合料试件，在紫外光源的辐射下，以光触媒为催化剂降解箱内尾气，并通过尾气分析仪每隔10 min 测量一次主箱内CO、HC、NOx浓度值。

图2 尾气测试装置实物图

2 涂层的光反射效果分析

2.1 无涂层时沥青混合料反射率

在室温15 ℃，碘钨灯高度25 cm 条件下对AC-13、SMA-13、OGFC-13 分 别 进 行5 次 反 射 率 测试，图3 为5 次反射率均值与离散程度。3 种不同级配的沥青混合料的反射率为5.46%～6.11%，沥青混合料较低的反射率，说明达到路表的太阳辐射中绝大部分被路面吸收，只有很少反射到大气环境中。另一方面，不同类型混合料的反射率差异不明显，可见沥青混合料的反射率极大程度上取决于其表面的黑色，而表面纹理和粗糙度对沥青混合料的反射率影响不大。

图3 3 种沥青混合料反射率

2.2 涂层中填料掺量对反射率影响

为了确定反射涂层中填料的最佳用量，在AC-13试件上涂刷不同填料掺量的涂层，并测量反射率。考虑到当填料掺量大于60%时，多余的填料就无法溶解于环氧树脂基体中，本部分填料掺量分别为0、10%、20%、30%、40%、50%和60%，结合郑木莲等的研究［5］，涂层用量为0.9 kg/m2，涂层为3 层，每层用量0.3 kg/m2。图4 为AC-13 不同填料掺量下的涂层反射率。

图4 填料掺量与涂层反射率的关系

由图4 可知：①当填料掺量从0 增加到30%时，涂层反射率迅速增加；随着填料掺量从30%进一步增加到60%，反射率仅略有提升，尤其是Micro-TiO2和Nano-ZnO，因此本文将填料的最佳掺量确定为30%；② 相同填料掺量的涂层反射率基本为Micro-TiO2>Nano-ZnO>Nano-TiO2，这可能与填料颗粒粒径有关，有研究发现当填料粒径与光波长的1/2 相当时，填料对光的散射效果最明显。本文Micro-TiO2和Nano-ZnO 的粒径分别是1 020 nm 和405 nm，正处于碘钨灯波长（0.34～2.5 μm）一半的范围内，体现了良好的光线反射效果。

2.3 涂层厚度对反射率的影响

以填料掺量30%，分别制备Micro-TiO2、Nano-ZnO、Nano-TiO2涂料，并在沥青混合料板上涂覆3 层，每层用量0.3 kg/m2，涂刷后AC-13、SMA-13和OGFC-13 试件见图5。在涂刷过程中，发现涂层浆液堵塞了OGFC-13试件的连通孔隙，导致其排水性能和降噪性能大大下降，因此本文仅测试OGFC-13+Micro-TiO2涂层的反射率。

图5 涂覆涂层后的AC-13、SMA-13 和OGFC-13 试件

对图5 试件进行室内反射率测试，并与不含涂层的混合料进行比较，结果见图6。

图6 各试件涂层前后的反射率变化

由图6 可知：无论是哪种填料，有涂层的沥青混合物比无涂层的沥青混合物反射率更大。且随着涂层材料用量的增加，测得的反射率也增加。这表明太 阳 辐 射 可 以 被 Micro-TiO2、Nano-TiO2和Nano-ZnO 的细颗粒反射。此外，明显可以发现3 种涂层中Micro-TiO2涂层的反射率最大。当涂层用量仅为0.3 kg/m2时，AC-13、SMA-13 和OGFC-13 试件的反射率分别增大至32.8%、31.2%和34.2%。而涂覆Nano-TiO2涂层的沥青混合物试件的反射率最低，当涂层用量为0.9 kg/m2时，AC-13 和SMA-13 试件的反射率分别为18.8%和19.9%，仍小于仅1 层Micro-TiO2涂层的试件。可见，Micro-TiO2是沥青混合料涂层的有效反射填料。

3 涂层的尾气降解效果分析

对涂有0.9 kg/m2涂层的AC-13 试件，采用图2的测试仪，进行紫外线照射，并测试涂层光催化下CO、HC、NOx浓度，图7 为降解60 min 过程中CO 浓度的变化。

图7 CO 浓度随时间的变化

由图7 可以看出：随着紫外线照射和光触媒填料的降解，CO 浓度逐渐降低，3 种填料均有降解CO 的效果。但是，由于图2 中电机稳定性问题，所产生尾气中初始浓度不完全相同，导致按图7 难以直观对比3 种填料降解效果的差异。为此，按式（2）计算60 min 内每10 min 时刻的降解率，并计算CO、HC、NOx在不同时刻的累计降解率η，结果如图8 所示。

图8 CO、HC、NOx在不同时刻的累计降解率

式中：Ci为i时刻的浓度值，i=10 min，20 min，…，60 min。

从图8（a）可知：随着光催化时间的增长，光催化下3 种涂层对CO 的降解率逐渐提高，当光催化60 min 时，Micro-TiO2、Nano-TiO2和Nano-ZnO 对CO 的降解率分别达到了14.1%、26.42%、24.09%，体现了良好的降解效果。而且相同紫外光照时间下，3 种涂层的降解效果排序是：Nano-TiO2>Nano-ZnO>Micro-TiO2。值得注意的是，即使是内含没有涂层沥青混合料的箱体，在紫外线照射下，其内部气体中CO 也被一定程度地降解了。这是因为紫外线本身对CO 有一定的分解效果，并非沥青混合料的作用。

由图8（b）、（c）可以看出：无论是HC 还是NOx，Nano-TiO2涂层的降解效果最好，Micro-TiO2的降解效果最差，这与图8（a）对CO 降解效果的排序一致。此外，比较涂层对CO、HC、NOx的降解率可知，涂层对NOx的降解最为明显，对HC 的降解效果较差，如Nano-TiO2在60 min 内可将61.9%的NOx降解，而对HC 只降解了19.54%。

4 结论

（1）从提高沥青混合料光反射率看，涂层优劣排序为：Micro-TiO2>Nano-ZnO>Nano-TiO2。

（2）从尾气降解效果看，涂层优劣排序为：Nano-TiO2>Nano-ZnO> Micro-TiO2。

（3）TiO2、ZnO 等光触媒材料对尾气CO、HC、NOx的降解效果是：NOx>CO>HC。