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智能环保路面技术研究综述

文章出处:未知 人气: 发表时间:2021-06-23 11:42:29
1.1自净化路面技术
自净化路面技术主要通过路面尾气净化技术与自清洁等技术提升路面综合环境)路面尾气净化技术主要是通过路面表面使用可重复利用的催化材料等以降低有害气体、油污、重金属等污染的影响,缓解路面环境污染问题。TiO2由于禁带宽度、光谱响应、催化效率等优势特点,是目前应用最为广泛的光催化材料之一,同时各类催化氧化材料往往还具备压电性、热释电性、导电性、远红外辐射和释放负离子性等独特性能,可通过多种物理或化学方法混合(掺杂以获得多种高性能催化功能材料,此类材料受到越来越多道路工程领域研究者的青睐;自清洁技术则主要通过阻燃沥青、疏水材料和自融雪等材料与技术的应用以达到道路综合环境提升的目的。总体上,自净化路面技术的应用可以有效降解路面尾气、抑烟除尘、避免路面结冰积水和缓解重金属对路面环境的影响等,营造良好的路域环境,具有广阔的应用前景。
1.1.1光催化技术
路面尾气净化技术目前应用最为广泛的是光催化法,通过将光催化材料应用于路面,在阳光等作用下催化降解路表环境中的CO,HC和NOx等有害气体,氧化为碳酸盐和硝酸盐,在被路面表面吸收后经雨水冲刷或人工冲洗达到净化气体环境的目的.常用的光催化材料有二氧化钛、石墨类材料、氧化锌、二氧化锆和硫化镉等,其中二氧化钛、氧化锌和石墨相氮化碳因其优异的光催化活性、化学稳定性和可回收等优势备受关注。
TiO2主要有通过直接搅拌、涂层以及表面喷涂等方式应用到沥青路面。其中直接搅拌法因大量TiO2光催化剂被黑色不透明沥青包裹,阻碍了光和污染物的接触,导致自身的光催化降解效率低。为避免TiO2对沥青路面路用性能的影响,将TiO2光催化分解汽车尾气技术分别与路面薄层和微表处技术相结合,在原有路面上形成厚度5~25mm的薄罩面层,可以达到尾气降解和提高路用性能的效果。为了提高沥青的抗老化性能,Jin等通过将锐钛矿型二氧化钛纳米粒子插层到蒙脱土中制备了纳米复合材料,可在降解汽车尾气、提升路用性能的同时,显著降低TiO2的团聚问题;在此基础上,采用铈、铁、铜离子掺杂TiO2柱撑蒙脱石以进一步提升催化活性,发现金属掺杂改性沥青具有降解汽车尾气、提高沥青抗老化性能的潜力;通过使用ZrO2和CeO2可以对单一的TiO2光催化剂进行改性,ZrO2可以在一定程度上降低TiO2的结晶度,
CeO2可以改善TiO2的催化活性。Venturini等的发现不同类型TiO2的对尾气的降解效率从20.4%到57.4%不等,锐钛矿型TiO2的降解效果最好。在TiO2光催化材料中掺人稀土元素、金属离子或非金属离子可以降低禁带宽度,有效提高催化活性,也是当前光催化材料的研究热点。
g-C3N4是近年来出现的一种非金属半导体材料,具有2.7eV的禁带宽度和良好的可见光响应能力,但g-C3N4的光催化活性受到单半导体量子影响表现效率较低,应用到自浄化路面技术上并不理想。通过掺杂金属/非金属元素、调控g-C3N4半导体能带结构、软/硬模板法优化g-C3N4纳米结构、表面化学修饰2等方法可提高其光生载流子的分离效率以及抑制电子-空穴对的复合,提高其催化活性。另外,将g-C3N4与TiO2等催化材料结合使用,可开发出活性更高的复合光催化材料。
ZnO是光催化材料领域中常用的一种半导体光催化材料,由于ZnO材料容易在水中受紫外光照射发生光腐蚀,在强酸强碱性条件下易溶解,限制了其在路面领域的使用。目前对ZnO材料的研究工作主要集中在以下3个方面:①ZnO的表面修饰、改性及负载;②特殊形态和性质纳米材料研究;③纳米ZnO材料应用长效性。中国将纳米材料的应用研究列入重大攻关课题,如何将纳米ZnO应用到路面材料中并保证长效性还有待进一步研究。
除了光催化法外,催化氧化技术应用到路面上的研究也越来越广泛,电气石粉凭借着对特定气体分子具有活化作用的特点,在气固反应中起着重要作用。王朝辉等将不同类型和粒度的电气石粉加入沥青中,研究表明沥青对电气石粉的压、热电性能不会产生影响,电气石能够改善沥青的高温性能,同时电气石粉改性沥青具有热拌减排、阻燃抑烟及浄化空气等功能,电气石改性沥青混凝土对汽车尾气的浄化效果较好,特别是对NO的浄化,净化率可达93.1%以上。
1.1.2自清洁技术
沥青作为一种有机高分子材料具有明显的可燃性,当半封闭性的隧道内发生重大交通事故时,沥青在高温作用下可溶解于或部分溶解于露出的汽油、煤油、柴油或其他有机溶剂中参与燃烧过程,加剧火势蔓延。阻燃沥青技术主要是通过在沥青中添加合适的阻燃剂、抑烟剂等手段抑制或阻止聚合物的燃烧过程,以获得清洁、安全的道路环境。目前应用比较广泛安全的阻燃材料是氮系、铝簇系和膨胀型阻燃剂等。陈辉强等认为以磷、氮和碳元素构成的新型复合阻燃剂,具有环境友好及阻燃效率高等优点,引起了业内研究者的关注。近年来,道路科技工作者将自融雪技术与疏水性材料相结合,从而开发出具有脱黏抑冰效果的自清洁路面材料。
1.1.3其他自净化技术
双层排水降噪路面是由2层排水路面组成的一种复合结构,该技术是通过其表面的多孔性以获得降噪、排污的功能。于双层排水降噪路面的空隙率较大,在实际应用中易发生材料松散,因此需要使用高黏结力的胶结材料,做好混合料的配合比设计和性能控制。特别是双层排水路面,为保持大的空隙率,沥青混合料使用的小粒径级配,细料很少,导致路面强度较低,更需要高黏结力的沥青材料来补强。透水性沥青路面技术主要通过在透水性路面铺装中加铺具有净化功能的材料,起到净化和减少道路径流污染中磷、硫和重金属等污染物,防止地下水污染的目的。目前应用于透水性沥青路面的净化层材料主要 有沸石、活性炭、陶粒以及细砂。汪鸿山等采用20cm炉渣和20cm细沙铺装的过滤层,对径流中的有机污染物、体悬浮物和重金属平均去除率高达97%,其对路面径流污染浓度降低、防止地下水污染作用效果明显。
1.1.4自净化路面技术发展展望
基于光催化材料的自净化路面技术应用到路面环境提升方向具有良好的前景,%今后应加大投入,以解决功能层的耐久性问题。自清洁技术发展迅速,
在脱黏抑冰材料的开发过程中,研究者应多考虑材料在实际应用中的高效性和耐久性。结合目前实验室内取得的丰硕成果,自净化路面的发展趋势主要表现在自净化路面材料朝着多元复合化发展,及有效保证耐久性2个方向。
 
1.2凉爽路面技术
凉爽路面技术主要是指利用材料的自身特效,通过热量反射、阻隔、吸收储存等方法抑制路面升温来调节道路表面温度,进而降低路面夏季离混所造成的病害,同时有效缓解城市热岛效应。目前对于凉爽路面技术的研究主要有:路面热反射技术、相变调混技术 、热阻路面和保水降温路面等。
1.2.1路面热反射技术
路面热反射技术是指采用太阳热反射涂层技术、热致变色材料等方法改变沥青路面的太阳辐射吸收特性,从而降低路表面和内部的温度。太阳热反射涂层的基本原理是利用组成材料的高反射率将太阳辐射反射到外部空间, 减少太阳热辐射进入路面,从而对路面温度场起到抑制作用。热反射涂层在路面中的应用需具备以下特性:①保证驾驶人不炫光及路面标志标线可辨识的基本前提下合理选用颜料;②热反射涂层与沥青路面间有较高的黏结强度;③不影响道路表面的防滑和抗磨耗性能。目前的研究主要以硅丙乳液、丙烯酸树脂、不饱和树脂及环氧树脂等为基料,以二氧化铁、空心微珠、二氧化磁、消光粉等1种或多种作为功能填料制备热反射涂层,能够有效降低路面温度,降温能力随着涂层的厚度增加而 增强,到达一定厚度后降温能力会趋于稳定。路耐热反射技术曾应用于湖北京珠高速公路孝感段K1118+400 至K111 8 十450 处和哈阿高速试验路K453 + 800 至K454+100处,研究结果表明该技术在控制沥青路面车辙和缓解城市热岛效应等方面有重要参考价值和良好的应用前景。
1. 2. 2 构变调温技术
相变调温技术主要是利用相变材料改变其相态而使道路在高温下储存热量,实现主动调控路面温度的目的。近10 年,有大量研究将相变材料应用到
沥青混合料中以获得洞温型沥青路面,其中有机相变材料以良好的储热性能、无腐蚀性、无过冷现象等优点在路面阀混中得到广泛的应用。调温路面常用醇类、烷烃及石蜡为主体相变材料,通常辅助定形封装技术,以减少相变材料在使用过程中的泄露问题。目前相变调温路面的主要研究有:①路用复合相变材料的制备;②复合定形相变材料对沥青流变性及相变储热性能的影响;③复合定形相变材料对沥青混合料性能的影响。研究表明,复合相变材料在沥青混合料中改善高温稳定性时可延缓路而升温速率,降低路面高温峰值,减少路面高温的持续时间。在沥青混合料路面调节温度方面表现出良好的调温效果。
 
1.2.3其他路面调温技术
热阻路面是采用降低路面集料的导热系数,阻止路表团热量向路面内部传递,降低路面度。常用的热阻集料有陶粒、蛭石及铝矾土类等,将其直接替代普通碎石设计热阻沥青路面,能够有效降低路面结构内的混度,但路面性能会有不同程度的降低,尤其是水稳定性较差。王朝辉等提出将热阻集料进行与美丽修饰优化,可减少热阻沥青混合料路用性能降低的问题。此外还可以通过改变路面结构内部蓄存水分的能力,利用水分蒸发带走热量,从而达到降低路面温度的目的。路面结构中蓄存的水路面结构中蓄存的水分是决定降温的关键,因此对路面材料的选取尤为重要,在设计此类路面时还需权衡调温效果与路面
结构耐久性等问题 。
1.2.4凉爽路面技术发展前景
基于大量试验研究表明,凉爽路面技术在缓解城市热岛效应、降低路表面温度等方面取得了一定的成果。各种类型的调温路面都具有良好的调温功能,但仍存在诸多问题,如各种新材料、新结构对路面力学性能的影响等。未来对调温路面的研究趋势主要有:①路面热反射技术在满足路面降温效果的同时考虑反射的热量对路面周边环境及人体舒适度的影响,冬季降温时热反射路面使用造成的不利影响应予以关注。②相变调温路面仍存在使用过程中相变材料泄露的问题。需要不断探索以提高相变材料与道路材料的相容性;老化对相变沥青混合料调温效果的影响是其能够长远发展的关键,降低相变材料对混合料力学性能的影响仍应有待研究。③热阻路面因材料特性存在吸水率偏高、力学性能差等问题,需进一步进行表面优化处理,以实现热阻路面路用性能的增强。④需进一步验证透/保水调温路面水分蒸发模型的有效性,以及材料属性及气候对蒸发过程的影响等。凉爽路面技术拥有良好的调温效果,对延缓或降低极端温度的发生有良好的应用前景,目前需要解决的是凉爽路面在应用中路用性
能受到影响的问题)。
1.3自感知路面技术
以服务未来智慧交通为目标的智能道路基础设施是当代交通领域发展的重要方向,这对于道路基础设施服务水平的本质提升和交通强国建设与发展具有重大而深远的意义。自感知路面技术是智能道路基础设施研究方向的基础和前沿,需要通过特定的感知通讯、数据网络和材料结构系统设计,实现具有主动感知、自动辨析、自主适应调节、持续供能及动态指示等道路基础设施智能服务能力。路面自感知的主要目的是提升道路基础设施自身的耐久与行车安全性,其所感知的信息可以为智慧交通、车路协同等新技术提供重要的信息源。自感知路面技术涵盖了多学科理论与方法,包含感知信息解析方法、多源数据处理方法、感知材料设计和智能铺装结构设计等方面。
 
围绕上述目的,通过自感知获取的路面信息主要包括以下几方面内容:①施工过程状态信息。这其中包括施工温度、压实度、压实速度、压实遍数等,通过实时获取上述信息,提升施工过程控制的智能化程度。②道路服役状态信息。这其中包括路面的受力状态、力学响应、开裂与变形等,通过实时动态获取道路服役状态信息,可以为路面管养提供科学决策。③道路运营状态信息。主要包括路表的温湿度状态、水膜厚度、抗滑性能等,这些信息的实时动态获取是舒适安全行车的重要前提。④交通流量状态信息。包括行车荷载、行车速度、交通流密度等。目前,路面信息感知主要通过3个途径:①通过外部手段感知获得信息;②通过置入路面的感知元件感知信息;③通过具有自感知功能路面材料获得信息。
 
1.3.1基于外部手段的感知技术
 
这是比较传统也是应用范围较广的道路状态信息及道路服役环境信息获得方式。例如在获取路面外部特征及表面纹理等信息方面,摄影技术、视频技术、激光扫描技术等是重要的获取手段。为获得路面结构强度及损伤状态,贝克曼梁法、自动弯沉仪、落锤式弯沉仪以及探地雷达等技术也被广泛使用。这类道路信息获得方式经历了从早期的人工单点检测到20世纪末的半自动化检测以及现在的无损自动检测,为中国道路基础设施的建设与发展提供了重要的技术支持。然而,上述路面信息获取方式只能定点表征路表整体或路面结构整体的形态及受力状态等信息,并且该类检测方式时间上不能连续,获得信息种类单一,不能满足未来智能路面的信息感知要求。
 
1.3.2基于感知元件的感知技术
 
着感知元件技术的发展,体积小、精度高、成本低、用途广的感知元件越来越多地被用于路面各类信息感知。例如,温度是路面结构的重要参数。为了获得路面结构的温度,大量研究人员开发和使用温度智能传感器。Jorge等开发了一种成本低并坚固耐用的用于监测路面内部温度的温度传感器,与常规测试相比该系统提高了测试准确性并缩短了持续时间,且作者使用1年的温度检测数据建立了预测路面温度的神经网络模型。Cai等提出了一种用于路面结构温度分布式检测的智能传感器网络,并分别在沥青路面和水泥路面上进行了试验研究,结果显示该智能传感器网络能够适应路面结构温度的野外分布式检测和无人值守的测量环境,并且具有一定的有效性和可靠性。
 
此外,湿度、应力、应变等多种类传感器都在路面信息获取中发挥重要作用。然而,限制传感器大规模工程应用的重要原因是电源问题。为了突破这一限制,基于压电及热电技术的传感器供能技术得到了进一步发展。Nizar等开发了自供电无线传感器,该传感器能够长期检测、存储和传输应变历史。Amir等利用压电传感器从交通负荷中感测到的信号,既可以用于增强自供电传感器的功能,可以用于损坏诊断。Hou等研制了双晶片悬臂梁式压电装置收集道路中的机械能,为加速度传感器和射频通信提供能量,结果表明其发电功率可以达到1.68mW,能在一个操作周期内满足加速度传感器用于数据收集和传输的功率需求。Yu等研究了热电发电的概念框架并讨论了能量收集概念在道路基础设施智能感知和监测过程中的重要技术问题,他们认为热电技术有望提供道路智能感知传感器电源,将会解决一般传感器无法持续长效工作的问题。Dalola等将热电转换器件 ThermalElectric Generators(TEGS)应用于智能系统,并成功为系统中的温度传感器及传输系统提供能量。将感知元件融入路面的信息感知是目前主要的信息智能获取方式之一,但尚处于初步试验阶段,后续还需进一步对感知元件以及含感知元件的混合料与路面开展系列研究 。
 
1.3.3基于自感知功能材料的感知技术
 
智能骨料( Smart Aggregate, SA)是具有自感知功能路面材料的典型代表。侯爽等基于压电技术制备了智能骨料,并将其应用于沥青混合料以检测路面行车荷载,研究表明车辆动态荷载作用下智能骨料的灵敏度为线性,并且该种检测方法是可行的。Kong 等使用2 个压电陶瓷智能骨料传感器之间传播应力波的主动传感方法. 对冻融循环过程中土攘的性能进行了研究,并定量评价了土攘的冻融度,这项研究对冻土路基的智能检测有重要意义。Ji 等将2 个压电传料(PAs )嵌入沥青路而中,一个用作发送信号的致动器,另一个用作接收信号的传感器,用以检测沥背路面裂缝宽度,试验结果证明了该方法具有可行性。由于智能骨科能够模拟实际集料分布位置,因此智能传料在沥青混合料压实过程中也得到了应用。Dan 等利用Smart Rock和加速度传感器测量振动压实过程中沥青路面的动力响应,建立了压实度与沥青混合料中的垂直应力之间的关系。
 
1.3.4自感知技术发展前景
 
路面的自感知技术尚处于起步阶段,如何准确、有效、快速、稳定且耐久的对路面多方面信息进行感知是道路智能化的室主要前提。目前的自感知路面技术正在向自供能、自适应、无线且功能集成的方向发展,还需要系统研究和解决感知元件在路面材料和结构中的耐久性问题,感知元件、智能集料等与传统路面材料的融合设计理论与方法,以及具有自感知功能的新型道路材料研发和设计。最终达到构建道路感知理论与方法体系,提升中国道路基础设施智
 
能化水平和服务品质的目的。
 
1.4主动除冰雪技术
 
中国80%道路位于冰雪影响区, 路面的积雪结冰问题是影响寒区道路运行安全和运输效率的关键瓶颈。目前道路除雪方法主要采用人工除雪、机械除雪以及撒布融雪盐等方式,然而以上方法都不同程度占用了交通通行资源,影响道路服务水平,此外物理除雪过程破坏了路面的平整性,散布融雪盐不仅对道路基础设施具有腐蚀性,同时也污染了道路周围环绕。在此背景下,道路主动融雪除冰技术被广泛关注,通过对路面建设新技术、新方法、新材料的应用,赋予路面自身主动融冰化雪的能力,有力保障了路面冬季运营安全。目前道路主动除冰雪技术主要包括自应力弹性铺装技术、低冰点路面、相变材料路面以及能量转化型路面4 个方面。
1.4.1自应力弹性铺装路面
自应力弹性铺装路面是通过在沥青混合料中添加一定的弹性材料,利用车辆荷载作用下的不均匀受力使路表冰层开裂破碎,以达到除冰雪效果的技术。根据弹性自应力路面填充物的施工工艺,该项技术可分为填充式铺装路面和表面镶嵌式铺装路面。
填充式铺装路面主要是通过在路面施工过程中,将神性填充物填充入筑路材料,进行碾压成后,形成具有一定自应力变形的路面,目前弹性填充物主要为废旧轮胎制成的橡胶颗糙。现代意义上的橡胶沥青混合料最早出现在20 世纪40~60 年代的美国。1998 年,哈尔滨建筑大学开始了废旧轮胎橡胶颗粒沥青混合料技术的探索性研究。2006 年,哈工大的周纯秀等研究了橡胶颗糙的形状和表面特性等因素对混合料性能的影响,结果表明间断级配性能更佳。从2007 年开始在蓝商高速秦岭隧道、河南省商丘等地区进行试验段铺筑及观测,结果表明弹性路面除冰效果良好,且经济性较优。但随后研究发现自应力弹性路面存在其局限性,在表面冰层厚度跑过9 mm 或温度低于一12 ℃ 时除冰效果有限。 由于弹性铺装路面存在其局限性,学者们逐渐开始研究低冰点路面与弹性橡胶颗粒相结合的高弹/蓄盐类沥青路面,俞文生等提出了高弹自应力材料和盐化物相结合,制备了高弹/蓄盐类沥青混合料,并通过设计破冰试验,证明高弹/蓄盐类沥青路面可以除去12mm厚度以内的冰层。
表面镶嵌式铺装路面是在沥青路面摊铺碾压完成后,在沥青路面表面撒布弹性颗粒,采用施工机械碾压,弹性颗粒粘附于沥青路面表面,使路面形成非
均匀弹性表层。日本学者在北海道及本州铺筑多条镶嵌式弹性铺装路面,试验结果表明,在降雪条件下,路表突出的弹性材料改变了沥青路面的应力分布,在车辆荷载作用下,冰雪发生破碎,有效抑制了路面积雪结冰。然而在使用过程中,部分橡胶颗粒从路表剥落,使得沥青路面出现坑槽、松散等病害,降低了沥青路面的使用耐久性。因此,如何保证橡胶颗粒与沥青路面黏结的有效性和耐久性是该项技术应用的瓶颈。
 
1.4.2低冰点路面
低冰点路面是指将低冰点材料代替集料或矿粉进行沥青混合料拌和、铺筑,在车辆荷载、溶液浓度梯度等因素作用下,低冰点材料有效成分析出,渗入路表积雪,降低积雪冰点,进而实现融雪化冰的技术。
低冰点路面最早起源于欧洲,从20世纪60年代开始,瑞士、德国等开始研究盐化物自融雪路面技术并相继得到工程应用。1993年瑞士公司合成了一种名为Vweglimit的防冻剂,并用于铺筑融雪路面。20世纪90年代初期日本通过不断地研究改进发明了Mafilon融雪剂。中国低冰点填料的发展起步相对较晚。从2008年以来,中国陆续引进了V-260和Mafilon两种低冰点填料。中国学者也陆续开展了低冰点填料的相关研究,于2008年开始在蓝商高速、沪蓉西高速公路、郑州市黄河公铁两用桥面和洛三灵高速803段山口河大桥桥面等路段铺筑试验段,后续观测效果较为显著,证明了低冰点路面融雪抑冰的可行性。但是盐化物的融雪寿命较短,限制了其大面积应用。针对上述问题,中国学者一方面研究蓄盐混合料性能、盐化物掺量、适宜结构形式;另一方面从低冰点路面耐久性能入手,对低冰点沥青混合料有效成分的宏微观释放特性、缓释机理等方面进行了大量研究,积极研发具有缓释长效的抗凝冰材料,其中以哈工大谭忆秋团队的ZGHIT系列,长安大学的ICB、IGD系列融雪抑冰材料,中交抗暗冰系列等为主。低冰点路面在中国应用前景广阔,其中作为2022年北京冬奥重要交通线路——延崇高速运用了低冰点填料与抗冰防滑沥青混合料设计方法,以绿色环保理念解决延崇高速冬季融冰雪问题,经过后续观测 发现融雪效果良好。
此外,低冰点材料在沥青路面维修养护中具有广阔的应用前景。对于建成的沥青路面,可以采用低冰点超薄罩面和低冰点涂层的形式,将低冰点材料应用于重点融雪敏感性工程中。与全厚式、粗粒径沥青混合料不同,低冰点超薄罩面层根据厚度采用的最大粒径不超过10mm 的集料,相比于常规蓄盐沥青混合料薄层罩面类的融雪效果好、抗滑性能好、耐久性优、且摊铺厚度薄、造价低廉。熊锐等对比了超薄融雪罩面和AC-13全厚式路面路用性能,提出盐化物最优掺量不宜大于70%。低冰点涂层技术是以乳化沥青为基,裹附低冰点材料,并采用专用的设备将低冰点乳化沥青乳液以雾状形式喷洒到路面,施工后形成1mm左右厚度的薄膜以达到融雪抑冰效果,该项技术施工周期短,适用于沥青路面的应急功能性养护。田东针对乳化沥青的储存等问题研究了凝胶状低冰点乳化沥青,提出阳离子乳化沥青与低冰点填料拌和使用效果较优,路用性能和融雪除冰性能均具有良好效果。目前基于低冰点材料的路面养护技术研究处于探索阶段,缺乏实际工程支撑,材料设计和施工工艺缺乏标准规范,
给低冰点材料在路面养护工程的应用带来不便 。
1.4.3能量转化型路面
 
能量转化型路面是通过热力融雪的方式使路面积雪融化,进而保证降雪环境下沥青路面良好的服役能力。根据热力传输方式和能量转化模式的不同,现阶段基于能量转化的主动融冰雪路面主要包括流体加热融雪路面、热管融雪路面、电热转换融雪路面技术。
 
流体加热融雪路面系统是利用循环泵使被加热介质在埋设于路面内部的管线中循环,通过管壁处的对流换热热交换方式使加热介质的热量传递给路面结构%依靠结构层内部的热传导将热量传递到路体表面,进而通过热传递与冰雪进行热交换,从而达到融雪化冰的目的。在此系统中,循环介质多用丙二醇水溶液、乙二醇水溶液等低凝固点溶液;为了在施工安装过程当中%以及在使用工作阶段保持良好的性能,埋设于路体中的管材要求具有较高的强度以及良好的柔韧性,以使路面具有良好的抵抗车辆荷载作用的能力。同时,由于流体加热融雪系统对路面的加热作用具有一定的延时性,为了尽可能保障道面融雪性能,需要通过道面温度预测系统合理地确定融雪系统的启动时机,流体加热融雪路面的运行流体温度控制策略是目前的研究热点。
 
与流体加热融雪系统类似,热管加热融雪系统也是依靠在路体结构内埋设的管道,通过向路体输送热能达到融雪的目的)不同的是,热管融雪系统是一种不用外加动力设备就可以自动运行的系统:管内的循环介质,是一种低凝点,高蒸发点的流体。冬季,热管上端处于冷环境,下端处于土壤当中,相对温度较高,此时热管当中的循环介质在下端吸热蒸发,以气体形式存在,依靠浮力上升;由于环境温度较低,循环介质冷凝成液体,靠自身重力流回至下端,然后再吸热蒸发,如此循环把热量输送到路面。谭忆秋研究团队自2015年起,在北京首都国际机场和北京大兴国际机场围场路及停机坪等地铺筑5000㎡热管加热融雪路面,建立了能量转化型道面系统设计理论与运行控制策略,为飞机在冰雪等恶劣环境时全天候运营提供了安全保障。由于热管在建设初期便埋入路面结构中,在后期无法进行测试调控,且热管的传热过程不受人为控制,因此,热管加热融雪路面的合理设计是保证系统运行效果的关键。
 
电热转换融雪路面技术是采用电力加热路面,路面温度升高,进而实现路面融雪除冰的技术。目前电热能量转化主要存在2种方式:导电混凝土路面和电缆加热路面。导电混凝土路面是将导电材料掺入路面面层材料,在通电条件下,路面材料实现自发热进而融雪,常见的导电材料主要包括石墨、钢渣、炭黑、钢纤维及碳纤维等。Zhang等采用柔性石墨-PET薄片掺入水泥混凝土路面面层材料,通过电热转换附于路面主动融雪能力,这种材料具有理想的电阻和良好的机械操作灵活性,经过融雪试验表明,该电加热融雪系统具有良好的融雪性能。电缆加热融雪路面是通过在路面结构内部预埋发热电缆,通过热传导方式使路表温度升高,进而实现路面融雪。Liu等将发热电缆以蛇形排布方式铺筑在水泥混凝土路面内部,并以室内试验方式验证该系统的融雪效果,试验结果证明了该系统具有良好的融雪效率和人为可操控性。由于发热电缆技术受气候条件因素的影响很大,相关参数的设计要在工程中应用还需针对具体的气候条件进行针对性研究分析。
 
1.4.4相变材料融冰雪路面
 
相变材料(Phase Change Materials,简称PCM)是指在温度变化过程中,能够从一种状态转变成另一种状态的物质,并伴随着吸热放热过程。相变材料融雪路面则是利用相变过程中能量吸收释放满足道路温度的调控,从而达到融冰雪目的。中国20世纪80年代才开始对相变材料进行系统性的研究,主要集中在建筑领域,但在道路领域尤其是沥青混凝土路面中的研究应用还较少。近年来,中国学者也陆续针对相变材料的开发及路用性能做了大量的研究。Bryan等将相变材料掺入沥青混合料中,并对其调温效果进行了研究,试验结果表明,添加了相变材料的沥青混合料在降温过程中的降温速率要显著低于普通沥青混合料。Farah等对相变材料主动与被动降温的方式进行了归纳,认为将相变材料应用于道路工程等领域具有良好的可行性。Athukorallage等将相变材料应用到沥青混合料中,研究了其在外界环境下因气温变化时的路面温度趋势%研究结果显示,相变材料的应用可以延缓路面的升温和降温,改善路表的使用温度,提高沥青路面对环境的适应性。Kakar等指出将相变材料应用于沥青路面,可以很好地解决路面温度收缩变形,同时,将相变材料作为改性剂,可以降低沥青路面的温度病害%这为沥青路面病害的解决提供了新的探索途径。综上可以证明相变材料融雪道路应用的可行性,但目前有关相变材料的研究仍以室内试验、理论研究为主,由于受到环境因素影响较明显,还需结合工程实例观测、研究。
 
1.4.5主动融冰雪路面研究前景
 
(1)自应力弹性铺装路面具有较优的经济性,施工工艺相对简单,适用于各类融雪路面场景,但融雪除冰效果受降雪环境和车辆荷载影响较大,弹性材料的使用耐久性问题是制约该项技术推广应用的关键技术难点,因此,对于弹性材料与沥青混合料的黏附性改善研究对于该项技术的应用具有重要意义。
 
(2)目前学者对于低冰点路面在材料研发、性能验证等方面做了大量试验,证明了低冰点路面的可行性,低冰点路面在近年来逐渐应用在一些大型工
程中,取得了良好的应用效果。对于低冰点材料养护方法的研究尚处于起步阶段,工程经验不成熟。施工方法缺乏规范标准。
 
(3)能量转化式路面依靠路面结构内部埋设的管线,在降雪过程中通过能量转换可较好地实现路面冰雪融化。大量学者通过室内试验、有限元仿真对融雪路面系统的相关参数进行了优化。目前已有一些典型示范工程应用了该类融雪方式,取得了良好的融雪效益。然而融雪系统的控制策略依旧以主观选择为主,缺乏科学依据,因此,能量转化型融雪路面的运行控制策略优化将是本领域研究的热点。
 
1.5自供能路面技术
能源紧缺、气候变暖等环境问题的凸显促使社会将开发清洁能源作为当前研究重点。道路工程蕴藏着丰富的能源,若能将其转化为电能存储利用,则可实现道路清洁能源的绿色转换)。目前道路工程领域能够利用的能源主要包括车辆机械能、道路结构内部热能和表面太阳能,对应的路域能量采集技术依次为压电能量采集技术、热电能量采集技术和光伏路面能量采集技术。
 
1.5.1道路压电能量采集技术
 
道路结构内部在频繁车辆荷载作用下积存了大量机械振动能,道路压电能量采集技术能够通过压电材料的正压电效应将此部分车辆机械能转化为电能。有文献表明,压电能量采集技术是独立于电网,为智能道路设施供电的最佳方式。目前国内外研究学者针对道路压电能量采集技术开展了不同层次的研究,包括压电换能器与压电封装装置设计、道路压电能量采集电路开发及少量现场铺设测试等。在道路压电换能器研究方面%道路领域普遍采用堆叠式、悬臂梁式、桥式、压电换能器转换电能。针对其力电转换效率和结构强度低的问题,相关学者主要通过换能器的有限元分析优化其结构参 数,通过保护措施设计 提高其力学强度。然而现有研究表明,单个压电换能器的发电量仍处于较低水平,且不宜应用于大荷载、低频率、复杂的道路工作环境,应设计内部并联连接的压电封装装置解决这一问题。目前关于道路压电封装装置的研究主要集中于封装结构设计、封装材料优化等方面,研究人员考虑装置的传荷能力、可靠承载要求以及防水、防尘和耐久要求,设计了满足部分要求的堆叠式、阵列悬臂梁式压电封装装置,同时通过数值模拟、电学性能试验、方式不断提高着封装装置的发电量级、功率密度和道路兼容性。然而目前尚未研究出一种各方面均可靠的压电封装装置供道路压电能量采集使用。在道路压电能量采集电路方面,有研究针对压电陶瓷自身高电压、低电流、高阻抗特性和道路交通随机、瞬时特性,基于最优功率点跟踪理论研发了由整流电路、滤波电路和开关控制电路组合而成的新型能量采集电路。同时考虑上述道路压电微能量技术特性和储能元件充电条件、充电效率及充电时长特点,明确了具有高效、耐久、高能量密度和低自放电率特点的超级电容器更适用于道路压电微能量存储。然而由于道路交通低频、能量输出不连续、不规则等特性,这些能量采集电路和储能元件的采集存储效率仍然难以满足要求,未来有必要设计与之更加契合的能量采集存储系统。
 
在现场铺设测试方面,自以色列Innowattech公司在2008年率先将压电技术应用于道路发电系统以来,目前公开的现场铺设测试仍处于探索性铺设与可行性测试阶段。测试场景包括高速公路常规路段、收费站、地下车库减速带等,遗憾的是测试输出电量仍不能满足大规模应用要求,且暴露出防水、耐久方面的问题;同时最重要的是目前的测试条件为指定车型、车速交通条件,未考虑实际交通中不同车型、车速随机碾压的开放交通条件。因此,未来有必要全面测评其在开放交通条件中的电学性能和耐久性能,推动道路压电能量采集技术的实际应用进程。
 
1.5.2道路热电能量采集技术
 
暴露于太阳能辐射下的沥青路面吸收了大量热能,而道路热电能量采集技术能够通过热电材料的Seebeck效应将此部分热能产生的温度梯度差转化为电能,变废为宝的同时降低了道路结构内部的温度,减少了温度波动带来的温度应力,不影响甚至延长了道路的使用寿命。道路热电能量采集技术通常采用热电载体装置采集转换热能,其关键技术在于如何提高热能转换效率。
 
目前主要围绕热电材料转换效率、热电发电机的换能效率及其导热板的传递效率等方面开展了部分研究)热电材料转换效率研究方面,主要以提高热电材料的 Seebeck系数和电导率、降低其热导率为目标,但其热电转换效率仍不能满足道路应用需求,部分学者正尝试寻找新材料或使用纳米技术提高其转换效率。热电发电机换能效率研究方面,由于其导热板的传热效率处于较低水平,加之与频繁交通荷载(环境湿度条件不匹配,其能量转换效率进一步降低。因此未来仍需从高效率的热电材料研发、热电载体装置设计等方面开展研究,同时明确其在实际交通条件中的路用性能及长期性能。
 

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