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            功能型路面國內外研究綜述
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            功能型路面國內外研究綜述
            2022年10月13日    閱讀量:23060    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

            摘 要

            在時代發展迅速的今天,路面的使用功能已不單單只滿足汽車的正常行駛功能,對于道路的安全性、舒適性、環保性等方面也提出了更高的要求。功能型路面設計滿足這一要求,并會成為以后路面的發展趨勢。本文通過分析國內外功能型路面的發展概況,總結現在典型功能型路面所面臨的材料問題、工藝問題、關鍵技術問題,為之后的研究提供一些借鑒和參考瀝青網sinoasphalt.com。


            關鍵詞 

            功能型路面 | 蓄鹽材料 | 相變材料 | 壓電材料


            我國地域幅員遼闊,氣候分布復雜,從北方的溫帶季風氣候到南方的熱帶亞熱帶季風氣候。北方在寒冷的冬季氣溫零下,降雪使路面積雪結冰,路面積雪會覆蓋道路標志標線,影響行車視線,危害駕駛人的人身安全,對車輛和道路設施也造成嚴重破壞。在南方冬季氣溫適宜不會產生結冰路面而夏季卻因氣溫高,使瀝青路面產生車轍,泛油等病害,減少路面的使用壽命,并且伴隨著大的降雨量,會在路表形成徑流導致高速行駛車輛因與地面接觸面積減少摩擦力降低而產生滑移,因此需針對不同的地域研究適應不同環境的路面。


            交通運輸部在2014年提出了“綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通”的指導方針,對于現今道路網絡已經成為社會和經濟發展的中樞,其分布范圍之廣和發展速度之快,都是其他建設工程不能比擬的。道路網絡和各種交通工具為社會帶來巨大效益,但隨之也對公路沿線的自然景觀和生態系統產生分割、干擾、退化、污染等負面影響,如道路對沿線生態的環境影響,道路上的汽車噪音和尾氣對沿線環境的污染等,尤其是人們現在對道路安全性、舒適性、環保及資源再利用等的要求越來越高,實現道路的功能化,使道路成為更安全、更舒適、更友好、更節約、更環保的建筑,不僅是道路設計者、建設者、投資者關注的重要問題,也是我們沒一個道路使用者管心的問題。因此,為了消除或降低各種因素對道路功能、環境和生態的影響,促進道路與環境的協調發展,國內外學者提出了諸多新型路面結構、新材料、新工藝和新技術等,改善道路環境和行車條件,并最大限度地減少道路工程對已有自然生態系統的影響和破壞。


            路面類型


            中國公路總里程已達484.65萬公里,高速公里達14.26萬公里,居世界第一。路面受環境影響損壞增多,從而影響車輛正常行駛,甚至造成交通事故。近年來國家越來越重視環保、人文等因素,道路的功能也更加多樣。目前典型的多功能道路類型有抗結冰路面、降噪路面、調溫降溫路面、排水路面、發電路面,本文將重點對這幾種路面現狀進行研究分析。

            功能型路面國內外研究綜述 瀝青網,sinoasphalt.com


            典型路面類型及國內外發展狀況


            抗結冰路面


            在冬季,每年大約有百分之70的路面會受到積雪結冰病害的影響,給道路暢通和行車安全帶來嚴重的不良影響。冰雪使路面附著系數降低,制動距離延長,甚至剎車失靈、方向失控,造成嚴重的交通事故。據統計,每年因路面積雪結冰而發生的重大交通事故超過上百起。造成大量的人員傷亡與財產的損失。因此,為了保障道路暢通和行車安全,避免交通事故或少出交通事故,提高道路通行能力和運營效益,必須采取有效措施清除路面冰雪。


            (1)國外研究現狀


            化學類抗結冰路面最早起源于20世紀60年代的歐洲,在德國、瑞士等國家有所應用。日本在20世紀70年代末期引進該種路面,并于90年代初期進行了成功的推廣?;瘜W類抑制結冰鋪裝技術的有效抗凍成分為鹽化物,將鹽化物加入混合料中替代其中的部分礦質材料,經鹽化物在路表揮發降低冰雪的冰點,達到融化冰雪的目的。主要類型有:添加材混入型,添加材混入、吸著型,添加劑吸著型。上世紀60年代,瑞士、德國等國首先開始了對蓄鹽路面的研究,并研制出了Verglimit防凍劑作為添加劑的蓄鹽路面,可將路面冰點降低至-20℃,從而達到有效阻止和延緩路面結冰的效果,隨后又對該產品進行改性,最終發展成了現在比較成熟的V-260,并對V-260進行了研究,發現該產品具有很好的耐高溫性,代替混合料中相應粒徑的集料,拌合碾壓所成的瀝青混合料具有較好的高低溫性能,水穩定性較普通混合料稍差,但仍滿足要求。


            日本從20世紀70年代末期開始進行物理類防凍路面的研究開發。類型主要有彈性體混入型、彈性體散布型、彈性體壓入型、空隙填充型、刻槽填充型。他們的共同點都是在瀝青混合料中添加橡膠顆粒,由于所加的橡膠顆粒具有很高的回彈能力,廢橡膠顆粒改性的瀝青混凝土路面在車輪的碾壓下可以很容易地將凍結在路表面上的薄冰破除,從而達到改善行駛條件的作用。20世紀80年代美國工程兵寒冷地區工程試驗室研究發現,摻入粒徑為4.75~9.5mm的橡膠顆粒的瀝青混合料彈性路面具有一定的除冰雪性能,并對橡膠顆粒摻量為3%、6%和12%的瀝青混合料進行室內除冰雪性能研究。


            (2)國內研究現狀


            哈爾濱工業大學碩士生孫嶸蓉在國外蓄鹽路面調查的基礎上,對日本緩釋蓄鹽填料的除冰機理進行了研究,在試驗研究基礎上確定了同時具有除冰雪功能和緩釋功能的自制化緩釋蓄鹽填料的成分組成和生產工藝,然后,通過對指標敏感性分析確定復數模量系數為瀝青與填料交互作用能力評價的指標。哈爾濱工業大學譚憶秋對橡膠顆粒瀝青路面抑制積雪的機理分析認為:在行車荷載作用下,橡膠顆粒內部分子鏈的纏繞和摩擦導致橡膠顆粒的溫度升高,降低了橡膠顆粒與表面積雪之間的粘附性;由于橡膠顆粒瀝青路面在行車荷載作用下的變形不協調,導致路表積雪容易剝落。


            長安大學碩士研究生張麗娟對添加了MFL的蓄鹽路面進行了級配組成設計方法、作用機理及路用性能評價,定量分析了鹽化物對瀝青路面凍結抑制效果的影響;又根據依數性定律確定了氯化鈉溶液凝固點和溶液濃度之間的關系,進而確定了不同降雪量時的鹽分溶析目標值,并分析得鹽化物添加量、路面空隙率、路面溫度等會影響鹽分溶析量。長安大學研究生孫玉齊在張麗娟的基礎上對蓄鹽路面除冰雪性能和蓄鹽路面的地區適用性進行分區,并提出蓄鹽路面適用于冬溫半干區、冬溫濕潤區,不適合冬嚴寒濕潤區和冬嚴寒半干區。劉狀壯系統綜述了蓄鹽瀝青路面的工作機理、鹽化物材料、瀝青混合料及其性能與評價方法研究進展。按照材料形態和鹽分包裹材料,對鹽化物材料進行分類,對比了幾種常用的融雪抑冰瀝青混合料設計方法,從填料特性與級配干擾的角度分析了鹽化物材料摻入后瀝青混合料級配參數的變化規律。


            綜合考慮蓄鹽類材料能有效降低路面冰點和高彈性材料可實現自應力彈性除冰的特征,將兩者有機的結合在一起,形成蓄鹽類高彈瀝青路面綜合除冰技術,是路面新型融冰化雪技術的研究發展方向之一。


            降噪路面


            高分貝的、長時間的道路交通噪聲會影響睡眠、休息,損傷人的聽力,導致人體循環系統異常,內分泌失調,嚴重的可引起心臟病、腦血管疾病、消化系統疾病、神經系統疾病等多種疾病。同時,高分貝的、長時間的道路交通噪聲容易導致人們心情緊張、激動、情緒變壞、喪失理智,影響人精力集中。不同的路面材料及結構類型對路面噪聲有很大的影響,選擇合適的路面材料及結構能有效的降低噪音。近年來,瀝青路面的降噪性能受到了國內外眾多學者的關注。


            (1)國外研究現狀


            1995年,Meiarashi等采用單車經過法對不同孔隙率和不同厚度的排水瀝青路面試驗路進行了測試,并與密級配瀝青路面進行了比較。對于小型汽車,排水路面噪聲較密級配瀝青路面低0~5dB;對于輕型卡車和中型卡車減少值分別為2~4dB和2~5dB;當孔隙率≥20%時,噪聲強度不再隨孔隙率變化。2003年Golebiewski等也采用單車經過法對波茲南(波蘭)市區街道改造前后的噪聲進行了測試比較,改造前為密級配瀝青路面,改造后為排水瀝青路面,測試結果表明,改造后較改造前的噪聲明顯減小,且速度越高噪聲減小效果越明顯,當速度為60km/h時,噪聲減小了約5dB。2004年,Kandhal對美國及世界道路聯盟和歐洲的多個國家的測試結果進行對比分析得出,雖然各國的測試數據不同,但路面噪聲總的規律是OGFC<SMA<HMA<PCC,OGFC路面、SMA路面噪聲分別較HMA路面低4dB和2dB,PCC路面噪聲則較HMA路面高3dB。


            國外研究資料表明,與普通瀝青混凝土相比,多孔隙瀝青混凝土對于小汽車可降低噪聲5~8dB,對于載重汽車降低噪聲3dB,而且即使載重汽車在停車空運轉時也有2dB的降噪效果。在法國,對于小汽車可降低4dB,對于重型汽車則可降7dB。在英國,在粗糙度相同的情況下噪聲可降低4~5.5dB。在比利時,多空隙瀝青混凝土與刻槽水泥路面相比,可降低噪聲6~8dB??傊?,根據國外研究情況可以看到,瀝青路面明顯優于水泥混泥土路面,排水瀝青路面優于SMA路面。其中瀝青混合料的公稱粒徑越大降噪效果越明顯。


            (2)國內研究現狀


            瀝青混凝土路面是柔性路面,與水泥混凝土路面相比,其噪聲相對較低。低噪聲瀝青混凝土路面有彈性瀝青混凝土路面、排水瀝青路面和高構造深度瀝青混凝土路面。彈性瀝青混凝土路面是將廢舊輪胎制成的橡膠顆粒作為集料摻加到混合料中或者使用改性瀝青形成的路面結構。由于使用了具有彈性和柔性的橡膠顆粒,路面材料彈性系數和阻尼系數增大,使得震動噪音和摩擦噪音大大降低,與傳統的瀝青混凝土路面相比,具有更好的降噪效果。橡膠瀝青混凝土路面就是典型的彈性瀝青混凝土路面。


            長安大學張愛霞研究荷蘭雙層排水瀝青路面結構降噪效果,雙層排水瀝青路面其上用一層薄的較細的排水瀝青和其下用一層較厚和粗糙的排水瀝青底層組成,研究結果表明雙層排水瀝青路面能明顯降低噪音,能將噪音減少到5dB。


            肖飛鵬通過分析路面噪聲的產生及增強原理,對橡膠瀝青路面的降噪功能及機理進行了重點評述,并且總結了多種因素對橡膠瀝青路面降噪效果的影響,結果表明橡膠粉摻量及目數、路表紋理狀況、長期服役行為是影響降噪效果的三個關鍵因素。重慶交通大學李耀楠將橡膠顆粒瀝青混合料應用于隧道路面來達到降低噪聲的目的,文中主要分析了橡膠顆粒瀝青混合料用于微表處的降噪性能、路用性能和社會經濟效益。


            北京建筑大學樂興堃等選取大孔隙橡膠瀝青路面材料作為研究對象,通過室內試驗測定材料吸聲性能和實際工程測定路面降噪性能,確定大孔隙橡膠瀝青路面材料具有良好的降噪性能,并給出了材料的設計與路面服務性能水平。


            綜合國內研究現狀看,降噪路面現主要集中在結構、材料等方面研究。主要采用的路面類型有高構造深度瀝青混凝土路面、彈性瀝青混泥土路面、排水瀝青路面。彈性瀝青混凝土路面最典型類型是在混合料中加入具有彈性和柔性的橡膠顆粒的橡膠瀝青混凝土路面,國內學者對其降噪機理、降噪性能、社會經濟性等做了大量研究,結果表明橡膠瀝青混凝土路面各方面均良好,具有推廣意義。


            調溫降溫路面


            瀝青混凝土路面的高溫是城市熱島效應和各種高溫病害的根本原因,要解決上述問題必須控制瀝青混凝土路面溫度場。目前國內外學者主要從灑水降溫、大孔隙排水路面、保水性路面鋪裝、熱反射涂層等途徑來控制路面的溫度場,取得了一些成果,但總體而言,各種方法仍有一定的局限性,很難大面積推廣應用。相變材料的出現,給主動改善瀝青混凝土路面的溫度狀況提供了可能,利用相變材料的相變潛熱特性,外界環境溫度升高時,瀝青混凝土路面的溫度隨之上升,當達到相變溫度時,相變材料瞬間發生相變,吸收并儲存大量的熱,減少了瀝青混凝土路面溫度的熱量,升溫速率降低,相同時間內瀝青混凝土路面達到的高溫溫度減小,起到“削峰”作用;當外界環境溫度降低時,與此過程相反,相變材料可以起到“填谷”作用。


            將相變材料應用于瀝青混凝土路面可以減少高低溫病害,延長使用壽命,并且可以減少路面的凝霜結冰,增強抗滑性,減少融雪劑使用,利于環保。目前,國內外科研工作者對將相變材料應用于瀝青混合料開展了一些研究,取得了部分成果,但在相變材料的篩選、相變材料的泄露以及相變瀝青混合料的調溫機理等方面仍存在很多問題。


            (1)國外研究現狀


            當今世界許多國家如美、英、法、德、日等都在儲能技術研究及應用上制定了長期的發展規劃,具有良好的保溫儲熱性能,在建筑、裝修、節能行業中應用廣泛,一些相變材料也實現了商品化,但是對高潛熱相變材料的穩定性和可靠性問題的研究一直沒能取得突破性進展。例如:水合鹽類具有較高的潛熱密度,種類較多可供選擇的熔點范圍很廣,是很有應用前景的相變材料,但是相分離和過冷現象一直沒能得到有效的解決。此外,目前大多數相變材料(PCM)都存在長期性能衰減、腐蝕容器等問題,使得相變儲能技術的工程實用化和產業化存在一定難度。


            相變領域進展一直都比較緩慢的是相變機理方面。熱物性是相變材料的主要應用參數,而目前一些相變材料的熱物性(如比熱容等)的測試數據比較少,尤其是相變材料經過多次熔化一凝固循環后比熱容等熱物性參數的變化情況幾乎沒有報道,在這方面也是相變儲能技術需要強化的環節。


            國外相變材料應用于瀝青混合料方面的研究主要是瑞典X.Cocu在瀝青混凝土路面抑制結冰相變材料的制備及其調溫效果的評價方面的探索,結果表明:將固—液相變材料與SiO2復合,替代部分集料,與水、增塑劑等制備瀝青膠漿,再將其灌入大孔隙率(空隙率大于20%)瀝青混凝土制備具有除冰效果的相變瀝青混凝土,具有一定的抑制結冰效果,但由于相變材料容易泄露并影響瀝青混凝土的性能,致使其摻入量有限,除冰雪效果不明顯。


            (2)國內研究現狀


            國內科研工作者在路面使用的相變改性瀝青及相變瀝青混合料制備工藝及調溫機理方面做了某些研究工作。


            相變改性瀝青。哈爾濱工業大學邊鑫從相變原理、相變材料篩選、相變材料對瀝青性能影響、相變材料的導入封裝工藝以及相變瀝青混合料的調溫機理展開研究,結果表明在實際工程應用中,相變材料對瀝青混凝土路面的高溫抗車轍以及減少城市熱島效應具有十分重要的意義。


            重慶交通大學何麗紅等,以石蠟和石墨制備復合為相變材料,對摻入復合相變材料的冷拌瀝青混合料路面降溫效果、高溫穩定性、低溫穩定性進行評價。結果表明:復合相變材料的相變起始溫度為25.8℃,相變焓為122.9J/g,導熱系數為3.258W/(m·K);摻入5%復合相變材料的冷拌瀝青混合料馬歇爾穩定度為5.63KN,TSR為91.5%,可降低路面溫度5.2℃,各項指標均滿足規范要求,具有良好的路面降溫效果。


            武漢理工大學的萬路分別就相變材料的摻入對瀝青膠漿性能的影響、相變瀝青混凝土的制備及調溫效果和相變水泥瀝青復合混凝土的路用性能進行了研究結果表明相變材料的加入能明顯改善其高溫性能。


            相變材料在道路交通領域尤其在瀝青混凝土路面方面的研究較少,工程應用尚存在一系列突出問題。目前國內外對相變材料應用于瀝青混凝土路面方面的研究,取得了一些成果,但是距離工程應用仍有一段距離,相關問題比較突出:


            第一,道路交通領域對相變體系的相變原理研究較少。


            第二,相變材料對瀝青性能的影響現階段只通過三大指標數據來間接反映,缺乏可信度。


            第三,復合相變材料的導入封裝工藝還有不足,有機相變材料抽真空封裝后易于泄露。


            第四,相變瀝青混合料的調溫機理研究方面研究有限,加入相變材料后對瀝青混合料的導熱系數有一定的影響。


            排水路面


            排水瀝青混凝土空隙率大,且內部有較高的連通空隙率,排水性能好,并且具有降低噪音、增加抗滑等特性。與普通的水泥混凝土路面相比,排水性強的路面能使地表水迅速滲入地下,補充地下水并保持土壤濕度,改善城市地表植物的生存條件;該路面較大的空隙率,能蓄積能量,調節城市的溫度及濕度,降低城市的熱現象。


            (1)國外研究現狀


            大空隙排水瀝青路面的首次應用出現在上世紀60年代的歐洲,被稱為多孔瀝青混凝土PorousAs-phaltConcrete(PAC),其主要作用是為了改善城市的排水系統,降低行車噪音提高居民生活質量。德國在1960年成為第一個嘗試多孔瀝青混泥土路面的國家;上世紀70年代,英國運輸與道路實驗室針對多孔瀝青混合料路面有過相關研究,但當時所用瀝青性能較差,結果表明此種材料不能滿足交通運輸的需求。隨著改性瀝青的推廣使用,多孔瀝青混合料路面又重回人們的視野,隨后的20~30年間,該種路面材料在各國得到了廣泛的應用。


            日本在上世紀80年代赴德國考察,開始學習并引進歐洲的多孔瀝青路面技術,該種路面在日本被稱為“超級路面”。日本繞過了前期排水路面的探索階段,針對其高溫等氣候條件,研發了高粘度改性瀝青使用在排水路面中。相對于西方國家,排水路面更符合日本國情,因此日本大力發展排水路面的應用,可以說是目前應用排水性瀝青路面最為成功的國家,已形成較為完善的排水性瀝青混合料設計方法。1992年日本道路協會頒布了《排水性路面鋪裝技術指南》,強制高速公路使用排水路面。目前,日本排水路面占所有路面鋪筑面積的40%。


            法國所使用的排水路面空隙率較大,一般在25%~28%之間,鋪設厚度約4cm作為上面層使用,并且發現加厚式排水路面的排水降噪效果更為突出,相比于傳統排水路面能夠降低4dB噪聲。


            英國考文垂大學通過鋪設試驗段研究排水路面徑流方式進行了研究,結果表明排水路面可以明顯削弱洪峰時的徑流量,通過檢測非徑流水發現水質在一定程度上得到了改善。上世紀80年代,西班牙開始大量鋪筑排水路面,鋪筑面積超過三百萬平方米。Dreelin等對黏性土路基的透水路面路表徑流量進行研究,發現較之于密實路面,透水路面能夠降低約93%的地表徑流,同時可以過濾地表徑流中所含的碳氫化合物、重金屬和氮磷污染物。Kuang等對透水路面材料的空隙特征與滲透速度的關系模型進行研究。Alvarez等對透水路面的功能和耐久性能之間的平衡進行優化,通過現場測量對透水路面雨水滲透功能的持續性進行研究,對透水瀝青路面的適用性和耐久性進行研究。


            (2)國內研究現狀


            我國排水瀝青路面發展較遲,于20世紀80年代開始引入美國的OGFC。較早的試驗路是1996年鋪筑在杭金線,起止樁號為K18+200-K18+375約為700㎡,通過長時間的調研觀察,發現在此路段表面徑流現象明顯減少,夜間眩光減輕。


            21世紀初,交通運輸部開始重視排水路面的推廣及應用,開始研究符合我國實際情況的排水路面技術。交通運輸部公路科學研究院在2001年至2005年承擔了交通部西部項目《山區公路瀝青面層排水技術的研究》課題,該項目研究了原材料的性能,混合料的設計,結構設計,施工技術,路面安全特性等問題,形成了一套符合我國實際情況的排水路面應用技術,為該種路面在我國的推廣應用奠定了基礎。


            關彥斌利用cosmos圖像分析軟件對大空隙瀝青混合料試件切片進行圖像分析獲取參數并采用蒙特卡羅(MonteCarlo)方法建立滲透模型計算了路表面不產生徑流所需的有效空隙率。


            倪富健、覃勉、劉清泉、曹東偉通過室內試驗,對TPS改性劑的特性、改性瀝青的制備方法、改性劑劑量及TPS改性劑對瀝青性能和排水性瀝青混合料性能的影響等內容進行研究。發現15%的改性劑劑量比較合理,改性后的瀝青感溫性明顯下降,高溫熱穩定性,耐老化性和低溫抗裂性顯著提高,達到高粘度改性瀝青的要求。同時發現添加TPS的排水性瀝青混合料動穩定度、水穩定性和低溫性能等路用性能優良。結果表明TPS改性效果明顯,是一種適合排水性瀝青混合料的改性劑。


            徐斌、楊志浩對比分析排水瀝青路面和SMA路面的路用安全性能。通過對比試驗數據可知,排水瀝青路面在強降雨天氣下依然可以保持良好的抗滑性能,且隨著降雨量的增大或車速的增加,排水瀝青路面相對于SMA路面可降低12%~18%的雨天剎車距離,結果表明排水瀝青路面所表現出的抗滑性能更為顯著。


            塵福濤、李明亮、曹東偉針對排水瀝青路面的施工特點,對路面單車道施工和橫向接縫制定合理的室內試驗方法,并且研發出了合理的接縫材料。


            彭慶華依托于遂廣高速公路排水瀝青路面科技示范工程,通過原材料選取、配合比設計、瀝青混合料性能測試以及現場施工質量檢測等方面開展研究工作。驗證了排水瀝青路面在我國南方降雨量較大地區與SMA瀝青路面相比有良好的排水、抗滑和降噪等突出性能。


            從國內引入排水瀝青路面這二十年的應用情況及相關科研案例看,在經歷十年重載交通后依然具有良好的路用性能,符合路面耐久性設計目標。排水瀝青路面具有較深的構造深度和微觀紋理能提高路面抗滑性能,而且極大的空隙率能迅速排出降雨期間的路表積水和結構內部積水,從而減少行車水霧、水濺現象以及在汽車荷載下的動水沖刷作用,有利于行車安全,提高耐久性能,同時還有降低噪音的功效。


            發電路面


            利用路面的振動和變形可以實現高效、清潔能源的生產,在滿足交通功能的基礎上進行發電,用于道路交通標志、警示牌或路面附屬設施供電,既環保又節能,尤其是用于邊遠地區和長途道路、危險路段、特大型橋梁隧道的信號標識和信號燈等的供電,具有顯著的經濟效益和社會價值。


            (1)國外研究現狀


            隨著全球智能交通技術(ITS)的發展,與眾多的技術一樣,美國MSI公司研發與生產的壓電傳感器在過去數年里取得了長足的發展。它為用戶提供的不僅僅是良好的性能,高度的可靠性,簡易的安裝方法,還有逐步降低的價格。它獨一無二的特性使其在日益擴展的應用中成為理想的選擇。壓電傳感器主要應用于行駛中稱重(WIM),計軸數,測軸距,車輛分類統計,車速檢測,闖紅燈拍照,泊車區域監控,收費站地磅,交通信息采集和統計(道路監控),以及機場滑行道。


            壓電材料對機械能量收集起著至關重要的作用。到目前為止,應用最廣泛的壓電材料是壓電陶瓷(PZT),PZT具有較大的壓電常數及機電渦合系數,壓電性能及介電性能較好,但由于其柔韌性較差,在動態荷載作用下極易產生疲勞裂紋,發生脆性斷裂,這一易碎的特性使其應用于壓電能量收集系統中受到了很大限制。另一種常用的壓電材料為聚偏氟乙烯(PVDF),Lee等在高頻率高電場的環境中研究由PVDF制備的壓電多功能換能器,研究發現PVDF良好的柔韌性使得換能器的使用壽命顯著延長,這一結果表明PVDF用于能量回收系統中回收的能量必然更多。然而,AdrienBadel等通過理論分析及試驗研究對比了壓電陶瓷和壓電單晶兩種材料制備的壓電換能器的發電性能,結果表明連接相同的非線性功率調節電路的情況下,使用壓電單晶制作的壓電換能器回收的能量比壓電陶瓷的高20倍。與此同時,Sodano等比較了壓電纖維復合材料(MFC)、壓電雙晶片(QP)和PZT三種壓電材料的性能,研究結果表明三種壓電材料中的能量轉換效率PZT>QP>MFC。


            (2)國內研究現狀


            哈爾濱工業大學的關新春教授進行了用于道路發電的水泥基壓電材料研究,通過預埋壓電陶瓷而制備的水泥基壓電復合材料,制成路面水泥制品實現車輛與行人載荷的電能轉化。


            譚憶秋教授從壓電發電原理入手,結合路面荷載及環境特點,通過理論分析、有限元模擬及室內試驗的分析方法,開展用于瀝青路面機械能量收集的壓電換能器的研究。通過本研究為基于路面壓電發電技術的研究及路面機械能量收集的應用提供了經驗積累。


            紀小平基于ABAQUS建立了瀝青路面壓電輸出(電壓)的數值模擬方法,系統地研究了壓電換能器屬性及鋪設參數、路面結構與溫度、軸載等對瀝青路面壓電輸出的影響。結果表明:路面模型平面尺寸大于5.0m×5.0m可保證模擬精度;壓電材料PZT-5X具有相對較低的彈性模量和最高的壓電參數,因此電壓最高。


            由于路面受到低頻、高應力的車輛荷載的作用,且長時間處于惡劣的環境中,根據已有的壓電材料的研究為路面壓電換能器的選擇提供了科學依據,進行路面使用的壓電材料的選擇,對應的壓電材料不僅要具較好的壓電性能、介電性能及壓電渦合性能,還要具有較高的抵抗外部不利環境作用的能力。因此開發壓電換能器,即要考慮壓電性能及能量轉換效率,也要特別關注材料的耐久性能等。


            結論


            (1)從化學和物理兩方面對抗結冰路面進行了研究,化學類抗結冰路面是使用鹽化物的蓄鹽路,現已成熟的材料是瑞士、德國研發的V-206。物理類是通過向瀝青混合料中加入橡膠顆粒,由于橡膠顆粒具有很高的回彈能力,廢橡膠顆粒改性的瀝青混凝土路面在車輪的碾壓下可以很容易將凍結在路表面上的薄冰破除,從而達到除冰功能,改善行駛條件。


            (2)調溫降溫路面和發電路面在材料與工藝上還存在不足。調溫降溫路面的相變材料目前評價指標,封裝工藝,調溫機理方面研究依然匱乏。發電路面的壓電材料的環境適應性,壓電換能器的轉換效率等還需進一步研究。


            (3)關于降噪路面國外調查數據顯示與普通瀝青混凝土相比,多孔隙瀝青混凝土有明顯的降噪效果,噪聲總的規律是OGFC<SMA<HMA<PCC。國內從結構、材料等方面研究,主要采用的路面類型有高構造深度瀝青混凝土路面、彈性瀝青混泥土路面、排水瀝青路面。對彈性瀝青混泥土路面的典型路面橡膠瀝青混泥土路面研究表明,其具有良好的推廣效益。


            (4)從國內引入排水瀝青路面這二十年的應用情況及相關科研案例來看,具有排水、抗滑、降噪等眾多優良性能,并且在經歷十年重載交通后依然具有良好的路用性能,符合路面耐久性設計目標。結合其優良的路用性能及國外發展經驗看,排水瀝青路面今后也將成為我國道路發展的必然趨勢。


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            標簽:今日頭條,行業新聞,綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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