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功能型路面国内外研究综述
2022年10月13日    阅读量:48674     新闻来源:中网沥青 sinoasphalts.com    |  投稿

摘 要

在时代发展迅速的今天,路面的使用功能已不单单只满足汽车的正常行驶功能,对于道路的安全性、舒适性、环保性等方面也提出了更高的要求。功能型路面设计满足这一要求,并会成为以后路面的发展趋势。本文通过分析国内外功能型路面的发展概况,总结现在典型功能型路面所面临的材料问题、工艺问题、关键技术问题,为之后的研究提供一些借鉴和参考沥青网sinoasphalt.com


关键词 

功能型路面 | 蓄盐材料 | 相变材料 | 压电材料


我国地域幅员辽阔,气候分布复杂,从北方的温带季风气候到南方的热带亚热带季风气候。北方在寒冷的冬季气温零下,降雪使路面积雪结冰,路面积雪会覆盖道路标志标线,影响行车视线,危害驾驶人的人身安全,对车辆和道路设施也造成严重破坏。在南方冬季气温适宜不会产生结冰路面而夏季却因气温高,使沥青路面产生车辙,泛油等病害,减少路面的使用寿命,并且伴随着大的降雨量,会在路表形成径流导致高速行驶车辆因与地面接触面积减少摩擦力降低而产生滑移,因此需针对不同的地域研究适应不同环境的路面。


交通运输部在2014年提出了“综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通”的指导方针,对于现今道路网络已经成为社会和经济发展的中枢,其分布范围之广和发展速度之快,都是其他建设工程不能比拟的。道路网络和各种交通工具为社会带来巨大效益,但随之也对公路沿线的自然景观和生态系统产生分割、干扰、退化、污染等负面影响,如道路对沿线生态的环境影响,道路上的汽车噪音和尾气对沿线环境的污染等,尤其是人们现在对道路安全性、舒适性、环保及资源再利用等的要求越来越高,实现道路的功能化,使道路成为更安全、更舒适、更友好、更节约、更环保的建筑,不仅是道路设计者、建设者、投资者关注的重要问题,也是我们没一个道路使用者管心的问题。因此,为了消除或降低各种因素对道路功能、环境和生态的影响,促进道路与环境的协调发展,国内外学者提出了诸多新型路面结构、新材料、新工艺和新技术等,改善道路环境和行车条件,并最大限度地减少道路工程对已有自然生态系统的影响和破坏。


路面类型


中国公路总里程已达484.65万公里,高速公里达14.26万公里,居世界第一。路面受环境影响损坏增多,从而影响车辆正常行驶,甚至造成交通事故。近年来国家越来越重视环保、人文等因素,道路的功能也更加多样。目前典型的多功能道路类型有抗结冰路面、降噪路面、调温降温路面、排水路面、发电路面,本文将重点对这几种路面现状进行研究分析。

功能型路面国内外研究综述 沥青网,sinoasphalt.com


典型路面类型及国内外发展状况


抗结冰路面


在冬季,每年大约有百分之70的路面会受到积雪结冰病害的影响,给道路畅通和行车安全带来严重的不良影响。冰雪使路面附着系数降低,制动距离延长,甚至刹车失灵、方向失控,造成严重的交通事故。据统计,每年因路面积雪结冰而发生的重大交通事故超过上百起。造成大量的人员伤亡与财产的损失。因此,为了保障道路畅通和行车安全,避免交通事故或少出交通事故,提高道路通行能力和运营效益,必须采取有效措施清除路面冰雪。


(1)国外研究现状


化学类抗结冰路面最早起源于20世纪60年代的欧洲,在德国、瑞士等国家有所应用。日本在20世纪70年代末期引进该种路面,并于90年代初期进行了成功的推广。化学类抑制结冰铺装技术的有效抗冻成分为盐化物,将盐化物加入混合料中替代其中的部分矿质材料,经盐化物在路表挥发降低冰雪的冰点,达到融化冰雪的目的。主要类型有:添加材混入型,添加材混入、吸着型,添加剂吸着型。上世纪60年代,瑞士、德国等国首先开始了对蓄盐路面的研究,并研制出了Verglimit防冻剂作为添加剂的蓄盐路面,可将路面冰点降低至-20℃,从而达到有效阻止和延缓路面结冰的效果,随后又对该产品进行改性,最终发展成了现在比较成熟的V-260,并对V-260进行了研究,发现该产品具有很好的耐高温性,代替混合料中相应粒径的集料,拌合碾压所成的沥青混合料具有较好的高低温性能,水稳定性较普通混合料稍差,但仍满足要求。


日本从20世纪70年代末期开始进行物理类防冻路面的研究开发。类型主要有弹性体混入型、弹性体散布型、弹性体压入型、空隙填充型、刻槽填充型。他们的共同点都是在沥青混合料中添加橡胶颗粒,由于所加的橡胶颗粒具有很高的回弹能力,废橡胶颗粒改性的沥青混凝土路面在车轮的碾压下可以很容易地将冻结在路表面上的薄冰破除,从而达到改善行驶条件的作用。20世纪80年代美国工程兵寒冷地区工程试验室研究发现,掺入粒径为4.75~9.5mm的橡胶颗粒的沥青混合料弹性路面具有一定的除冰雪性能,并对橡胶颗粒掺量为3%、6%和12%的沥青混合料进行室内除冰雪性能研究。


(2)国内研究现状


哈尔滨工业大学硕士生孙嵘蓉在国外蓄盐路面调查的基础上,对日本缓释蓄盐填料的除冰机理进行了研究,在试验研究基础上确定了同时具有除冰雪功能和缓释功能的自制化缓释蓄盐填料的成分组成和生产工艺,然后,通过对指标敏感性分析确定复数模量系数为沥青与填料交互作用能力评价的指标。哈尔滨工业大学谭忆秋对橡胶颗粒沥青路面抑制积雪的机理分析认为:在行车荷载作用下,橡胶颗粒内部分子链的缠绕和摩擦导致橡胶颗粒的温度升高,降低了橡胶颗粒与表面积雪之间的粘附性;由于橡胶颗粒沥青路面在行车荷载作用下的变形不协调,导致路表积雪容易剥落。


长安大学硕士研究生张丽娟对添加了MFL的蓄盐路面进行了级配组成设计方法、作用机理及路用性能评价,定量分析了盐化物对沥青路面冻结抑制效果的影响;又根据依数性定律确定了氯化钠溶液凝固点和溶液浓度之间的关系,进而确定了不同降雪量时的盐分溶析目标值,并分析得盐化物添加量、路面空隙率、路面温度等会影响盐分溶析量。长安大学研究生孙玉齐在张丽娟的基础上对蓄盐路面除冰雪性能和蓄盐路面的地区适用性进行分区,并提出蓄盐路面适用于冬温半干区、冬温湿润区,不适合冬严寒湿润区和冬严寒半干区。刘状壮系统综述了蓄盐沥青路面的工作机理、盐化物材料、沥青混合料及其性能与评价方法研究进展。按照材料形态和盐分包裹材料,对盐化物材料进行分类,对比了几种常用的融雪抑冰沥青混合料设计方法,从填料特性与级配干扰的角度分析了盐化物材料掺入后沥青混合料级配参数的变化规律。


综合考虑蓄盐类材料能有效降低路面冰点和高弹性材料可实现自应力弹性除冰的特征,将两者有机的结合在一起,形成蓄盐类高弹沥青路面综合除冰技术,是路面新型融冰化雪技术的研究发展方向之一。


降噪路面


高分贝的、长时间的道路交通噪声会影响睡眠、休息,损伤人的听力,导致人体循环系统异常,内分泌失调,严重的可引起心脏病、脑血管疾病、消化系统疾病、神经系统疾病等多种疾病。同时,高分贝的、长时间的道路交通噪声容易导致人们心情紧张、激动、情绪变坏、丧失理智,影响人精力集中。不同的路面材料及结构类型对路面噪声有很大的影响,选择合适的路面材料及结构能有效的降低噪音。近年来,沥青路面的降噪性能受到了国内外众多学者的关注。


(1)国外研究现状


1995年,Meiarashi等采用单车经过法对不同孔隙率和不同厚度的排水沥青路面试验路进行了测试,并与密级配沥青路面进行了比较。对于小型汽车,排水路面噪声较密级配沥青路面低0~5dB;对于轻型卡车和中型卡车减少值分别为2~4dB和2~5dB;当孔隙率≥20%时,噪声强度不再随孔隙率变化。2003年Golebiewski等也采用单车经过法对波兹南(波兰)市区街道改造前后的噪声进行了测试比较,改造前为密级配沥青路面,改造后为排水沥青路面,测试结果表明,改造后较改造前的噪声明显减小,且速度越高噪声减小效果越明显,当速度为60km/h时,噪声减小了约5dB。2004年,Kandhal对美国及世界道路联盟和欧洲的多个国家的测试结果进行对比分析得出,虽然各国的测试数据不同,但路面噪声总的规律是OGFC<SMA<HMA<PCC,OGFC路面、SMA路面噪声分别较HMA路面低4dB和2dB,PCC路面噪声则较HMA路面高3dB。


国外研究资料表明,与普通沥青混凝土相比,多孔隙沥青混凝土对于小汽车可降低噪声5~8dB,对于载重汽车降低噪声3dB,而且即使载重汽车在停车空运转时也有2dB的降噪效果。在法国,对于小汽车可降低4dB,对于重型汽车则可降7dB。在英国,在粗糙度相同的情况下噪声可降低4~5.5dB。在比利时,多空隙沥青混凝土与刻槽水泥路面相比,可降低噪声6~8dB。总之,根据国外研究情况可以看到,沥青路面明显优于水泥混泥土路面,排水沥青路面优于SMA路面。其中沥青混合料的公称粒径越大降噪效果越明显。


(2)国内研究现状


沥青混凝土路面是柔性路面,与水泥混凝土路面相比,其噪声相对较低。低噪声沥青混凝土路面有弹性沥青混凝土路面、排水沥青路面和高构造深度沥青混凝土路面。弹性沥青混凝土路面是将废旧轮胎制成的橡胶颗粒作为集料掺加到混合料中或者使用改性沥青形成的路面结构。由于使用了具有弹性和柔性的橡胶颗粒,路面材料弹性系数和阻尼系数增大,使得震动噪音和摩擦噪音大大降低,与传统的沥青混凝土路面相比,具有更好的降噪效果。橡胶沥青混凝土路面就是典型的弹性沥青混凝土路面。


长安大学张爱霞研究荷兰双层排水沥青路面结构降噪效果,双层排水沥青路面其上用一层薄的较细的排水沥青和其下用一层较厚和粗糙的排水沥青底层组成,研究结果表明双层排水沥青路面能明显降低噪音,能将噪音减少到5dB。


肖飞鹏通过分析路面噪声的产生及增强原理,对橡胶沥青路面的降噪功能及机理进行了重点评述,并且总结了多种因素对橡胶沥青路面降噪效果的影响,结果表明橡胶粉掺量及目数、路表纹理状况、长期服役行为是影响降噪效果的三个关键因素。重庆交通大学李耀楠将橡胶颗粒沥青混合料应用于隧道路面来达到降低噪声的目的,文中主要分析了橡胶颗粒沥青混合料用于微表处的降噪性能、路用性能和社会经济效益。


北京建筑大学乐兴堃等选取大孔隙橡胶沥青路面材料作为研究对象,通过室内试验测定材料吸声性能和实际工程测定路面降噪性能,确定大孔隙橡胶沥青路面材料具有良好的降噪性能,并给出了材料的设计与路面服务性能水平。


综合国内研究现状看,降噪路面现主要集中在结构、材料等方面研究。主要采用的路面类型有高构造深度沥青混凝土路面、弹性沥青混泥土路面、排水沥青路面。弹性沥青混凝土路面最典型类型是在混合料中加入具有弹性和柔性的橡胶颗粒的橡胶沥青混凝土路面,国内学者对其降噪机理、降噪性能、社会经济性等做了大量研究,结果表明橡胶沥青混凝土路面各方面均良好,具有推广意义。


调温降温路面


沥青混凝土路面的高温是城市热岛效应和各种高温病害的根本原因,要解决上述问题必须控制沥青混凝土路面温度场。目前国内外学者主要从洒水降温、大孔隙排水路面、保水性路面铺装、热反射涂层等途径来控制路面的温度场,取得了一些成果,但总体而言,各种方法仍有一定的局限性,很难大面积推广应用。相变材料的出现,给主动改善沥青混凝土路面的温度状况提供了可能,利用相变材料的相变潜热特性,外界环境温度升高时,沥青混凝土路面的温度随之上升,当达到相变温度时,相变材料瞬间发生相变,吸收并储存大量的热,减少了沥青混凝土路面温度的热量,升温速率降低,相同时间内沥青混凝土路面达到的高温温度减小,起到“削峰”作用;当外界环境温度降低时,与此过程相反,相变材料可以起到“填谷”作用。


将相变材料应用于沥青混凝土路面可以减少高低温病害,延长使用寿命,并且可以减少路面的凝霜结冰,增强抗滑性,减少融雪剂使用,利于环保。目前,国内外科研工作者对将相变材料应用于沥青混合料开展了一些研究,取得了部分成果,但在相变材料的筛选、相变材料的泄露以及相变沥青混合料的调温机理等方面仍存在很多问题。


(1)国外研究现状


当今世界许多国家如美、英、法、德、日等都在储能技术研究及应用上制定了长期的发展规划,具有良好的保温储热性能,在建筑、装修、节能行业中应用广泛,一些相变材料也实现了商品化,但是对高潜热相变材料的稳定性和可靠性问题的研究一直没能取得突破性进展。例如:水合盐类具有较高的潜热密度,种类较多可供选择的熔点范围很广,是很有应用前景的相变材料,但是相分离和过冷现象一直没能得到有效的解决。此外,目前大多数相变材料(PCM)都存在长期性能衰减、腐蚀容器等问题,使得相变储能技术的工程实用化和产业化存在一定难度。


相变领域进展一直都比较缓慢的是相变机理方面。热物性是相变材料的主要应用参数,而目前一些相变材料的热物性(如比热容等)的测试数据比较少,尤其是相变材料经过多次熔化一凝固循环后比热容等热物性参数的变化情况几乎没有报道,在这方面也是相变储能技术需要强化的环节。


国外相变材料应用于沥青混合料方面的研究主要是瑞典X.Cocu在沥青混凝土路面抑制结冰相变材料的制备及其调温效果的评价方面的探索,结果表明:将固—液相变材料与SiO2复合,替代部分集料,与水、增塑剂等制备沥青胶浆,再将其灌入大孔隙率(空隙率大于20%)沥青混凝土制备具有除冰效果的相变沥青混凝土,具有一定的抑制结冰效果,但由于相变材料容易泄露并影响沥青混凝土的性能,致使其掺入量有限,除冰雪效果不明显。


(2)国内研究现状


国内科研工作者在路面使用的相变改性沥青及相变沥青混合料制备工艺及调温机理方面做了某些研究工作。


相变改性沥青。哈尔滨工业大学边鑫从相变原理、相变材料筛选、相变材料对沥青性能影响、相变材料的导入封装工艺以及相变沥青混合料的调温机理展开研究,结果表明在实际工程应用中,相变材料对沥青混凝土路面的高温抗车辙以及减少城市热岛效应具有十分重要的意义。


重庆交通大学何丽红等,以石蜡和石墨制备复合为相变材料,对掺入复合相变材料的冷拌沥青混合料路面降温效果、高温稳定性、低温稳定性进行评价。结果表明:复合相变材料的相变起始温度为25.8℃,相变焓为122.9J/g,导热系数为3.258W/(m·K);掺入5%复合相变材料的冷拌沥青混合料马歇尔稳定度为5.63KN,TSR为91.5%,可降低路面温度5.2℃,各项指标均满足规范要求,具有良好的路面降温效果。


武汉理工大学的万路分别就相变材料的掺入对沥青胶浆性能的影响、相变沥青混凝土的制备及调温效果和相变水泥沥青复合混凝土的路用性能进行了研究结果表明相变材料的加入能明显改善其高温性能。


相变材料在道路交通领域尤其在沥青混凝土路面方面的研究较少,工程应用尚存在一系列突出问题。目前国内外对相变材料应用于沥青混凝土路面方面的研究,取得了一些成果,但是距离工程应用仍有一段距离,相关问题比较突出:


第一,道路交通领域对相变体系的相变原理研究较少。


第二,相变材料对沥青性能的影响现阶段只通过三大指标数据来间接反映,缺乏可信度。


第三,复合相变材料的导入封装工艺还有不足,有机相变材料抽真空封装后易于泄露。


第四,相变沥青混合料的调温机理研究方面研究有限,加入相变材料后对沥青混合料的导热系数有一定的影响。


排水路面


排水沥青混凝土空隙率大,且内部有较高的连通空隙率,排水性能好,并且具有降低噪音、增加抗滑等特性。与普通的水泥混凝土路面相比,排水性强的路面能使地表水迅速渗入地下,补充地下水并保持土壤湿度,改善城市地表植物的生存条件;该路面较大的空隙率,能蓄积能量,调节城市的温度及湿度,降低城市的热现象。


(1)国外研究现状


大空隙排水沥青路面的首次应用出现在上世纪60年代的欧洲,被称为多孔沥青混凝土PorousAs-phaltConcrete(PAC),其主要作用是为了改善城市的排水系统,降低行车噪音提高居民生活质量。德国在1960年成为第一个尝试多孔沥青混泥土路面的国家;上世纪70年代,英国运输与道路实验室针对多孔沥青混合料路面有过相关研究,但当时所用沥青性能较差,结果表明此种材料不能满足交通运输的需求。随着改性沥青的推广使用,多孔沥青混合料路面又重回人们的视野,随后的20~30年间,该种路面材料在各国得到了广泛的应用。


日本在上世纪80年代赴德国考察,开始学习并引进欧洲的多孔沥青路面技术,该种路面在日本被称为“超级路面”。日本绕过了前期排水路面的探索阶段,针对其高温等气候条件,研发了高粘度改性沥青使用在排水路面中。相对于西方国家,排水路面更符合日本国情,因此日本大力发展排水路面的应用,可以说是目前应用排水性沥青路面最为成功的国家,已形成较为完善的排水性沥青混合料设计方法。1992年日本道路协会颁布了《排水性路面铺装技术指南》,强制高速公路使用排水路面。目前,日本排水路面占所有路面铺筑面积的40%。


法国所使用的排水路面空隙率较大,一般在25%~28%之间,铺设厚度约4cm作为上面层使用,并且发现加厚式排水路面的排水降噪效果更为突出,相比于传统排水路面能够降低4dB噪声。


英国考文垂大学通过铺设试验段研究排水路面径流方式进行了研究,结果表明排水路面可以明显削弱洪峰时的径流量,通过检测非径流水发现水质在一定程度上得到了改善。上世纪80年代,西班牙开始大量铺筑排水路面,铺筑面积超过三百万平方米。Dreelin等对黏性土路基的透水路面路表径流量进行研究,发现较之于密实路面,透水路面能够降低约93%的地表径流,同时可以过滤地表径流中所含的碳氢化合物、重金属和氮磷污染物。Kuang等对透水路面材料的空隙特征与渗透速度的关系模型进行研究。Alvarez等对透水路面的功能和耐久性能之间的平衡进行优化,通过现场测量对透水路面雨水渗透功能的持续性进行研究,对透水沥青路面的适用性和耐久性进行研究。


(2)国内研究现状


我国排水沥青路面发展较迟,于20世纪80年代开始引入美国的OGFC。较早的试验路是1996年铺筑在杭金线,起止桩号为K18+200-K18+375约为700㎡,通过长时间的调研观察,发现在此路段表面径流现象明显减少,夜间眩光减轻。


21世纪初,交通运输部开始重视排水路面的推广及应用,开始研究符合我国实际情况的排水路面技术。交通运输部公路科学研究院在2001年至2005年承担了交通部西部项目《山区公路沥青面层排水技术的研究》课题,该项目研究了原材料的性能,混合料的设计,结构设计,施工技术,路面安全特性等问题,形成了一套符合我国实际情况的排水路面应用技术,为该种路面在我国的推广应用奠定了基础。


关彦斌利用cosmos图像分析软件对大空隙沥青混合料试件切片进行图像分析获取参数并采用蒙特卡罗(MonteCarlo)方法建立渗透模型计算了路表面不产生径流所需的有效空隙率。


倪富健、覃勉、刘清泉、曹东伟通过室内试验,对TPS改性剂的特性、改性沥青的制备方法、改性剂剂量及TPS改性剂对沥青性能和排水性沥青混合料性能的影响等内容进行研究。发现15%的改性剂剂量比较合理,改性后的沥青感温性明显下降,高温热稳定性,耐老化性和低温抗裂性显著提高,达到高粘度改性沥青的要求。同时发现添加TPS的排水性沥青混合料动稳定度、水稳定性和低温性能等路用性能优良。结果表明TPS改性效果明显,是一种适合排水性沥青混合料的改性剂。


徐斌、杨志浩对比分析排水沥青路面和SMA路面的路用安全性能。通过对比试验数据可知,排水沥青路面在强降雨天气下依然可以保持良好的抗滑性能,且随着降雨量的增大或车速的增加,排水沥青路面相对于SMA路面可降低12%~18%的雨天刹车距离,结果表明排水沥青路面所表现出的抗滑性能更为显著。


尘福涛、李明亮、曹东伟针对排水沥青路面的施工特点,对路面单车道施工和横向接缝制定合理的室内试验方法,并且研发出了合理的接缝材料。


彭庆华依托于遂广高速公路排水沥青路面科技示范工程,通过原材料选取、配合比设计、沥青混合料性能测试以及现场施工质量检测等方面开展研究工作。验证了排水沥青路面在我国南方降雨量较大地区与SMA沥青路面相比有良好的排水、抗滑和降噪等突出性能。


从国内引入排水沥青路面这二十年的应用情况及相关科研案例看,在经历十年重载交通后依然具有良好的路用性能,符合路面耐久性设计目标。排水沥青路面具有较深的构造深度和微观纹理能提高路面抗滑性能,而且极大的空隙率能迅速排出降雨期间的路表积水和结构内部积水,从而减少行车水雾、水溅现象以及在汽车荷载下的动水冲刷作用,有利于行车安全,提高耐久性能,同时还有降低噪音的功效。


发电路面


利用路面的振动和变形可以实现高效、清洁能源的生产,在满足交通功能的基础上进行发电,用于道路交通标志、警示牌或路面附属设施供电,既环保又节能,尤其是用于边远地区和长途道路、危险路段、特大型桥梁隧道的信号标识和信号灯等的供电,具有显著的经济效益和社会价值。


(1)国外研究现状


随着全球智能交通技术(ITS)的发展,与众多的技术一样,美国MSI公司研发与生产的压电传感器在过去数年里取得了长足的发展。它为用户提供的不仅仅是良好的性能,高度的可靠性,简易的安装方法,还有逐步降低的价格。它独一无二的特性使其在日益扩展的应用中成为理想的选择。压电传感器主要应用于行驶中称重(WIM),计轴数,测轴距,车辆分类统计,车速检测,闯红灯拍照,泊车区域监控,收费站地磅,交通信息采集和统计(道路监控),以及机场滑行道。


压电材料对机械能量收集起着至关重要的作用。到目前为止,应用最广泛的压电材料是压电陶瓷(PZT),PZT具有较大的压电常数及机电涡合系数,压电性能及介电性能较好,但由于其柔韧性较差,在动态荷载作用下极易产生疲劳裂纹,发生脆性断裂,这一易碎的特性使其应用于压电能量收集系统中受到了很大限制。另一种常用的压电材料为聚偏氟乙烯(PVDF),Lee等在高频率高电场的环境中研究由PVDF制备的压电多功能换能器,研究发现PVDF良好的柔韧性使得换能器的使用寿命显著延长,这一结果表明PVDF用于能量回收系统中回收的能量必然更多。然而,AdrienBadel等通过理论分析及试验研究对比了压电陶瓷和压电单晶两种材料制备的压电换能器的发电性能,结果表明连接相同的非线性功率调节电路的情况下,使用压电单晶制作的压电换能器回收的能量比压电陶瓷的高20倍。与此同时,Sodano等比较了压电纤维复合材料(MFC)、压电双晶片(QP)和PZT三种压电材料的性能,研究结果表明三种压电材料中的能量转换效率PZT>QP>MFC。


(2)国内研究现状


哈尔滨工业大学的关新春教授进行了用于道路发电的水泥基压电材料研究,通过预埋压电陶瓷而制备的水泥基压电复合材料,制成路面水泥制品实现车辆与行人载荷的电能转化。


谭忆秋教授从压电发电原理入手,结合路面荷载及环境特点,通过理论分析、有限元模拟及室内试验的分析方法,开展用于沥青路面机械能量收集的压电换能器的研究。通过本研究为基于路面压电发电技术的研究及路面机械能量收集的应用提供了经验积累。


纪小平基于ABAQUS建立了沥青路面压电输出(电压)的数值模拟方法,系统地研究了压电换能器属性及铺设参数、路面结构与温度、轴载等对沥青路面压电输出的影响。结果表明:路面模型平面尺寸大于5.0m×5.0m可保证模拟精度;压电材料PZT-5X具有相对较低的弹性模量和最高的压电参数,因此电压最高。


由于路面受到低频、高应力的车辆荷载的作用,且长时间处于恶劣的环境中,根据已有的压电材料的研究为路面压电换能器的选择提供了科学依据,进行路面使用的压电材料的选择,对应的压电材料不仅要具较好的压电性能、介电性能及压电涡合性能,还要具有较高的抵抗外部不利环境作用的能力。因此开发压电换能器,即要考虑压电性能及能量转换效率,也要特别关注材料的耐久性能等。


结论


(1)从化学和物理两方面对抗结冰路面进行了研究,化学类抗结冰路面是使用盐化物的蓄盐路,现已成熟的材料是瑞士、德国研发的V-206。物理类是通过向沥青混合料中加入橡胶颗粒,由于橡胶颗粒具有很高的回弹能力,废橡胶颗粒改性的沥青混凝土路面在车轮的碾压下可以很容易将冻结在路表面上的薄冰破除,从而达到除冰功能,改善行驶条件。


(2)调温降温路面和发电路面在材料与工艺上还存在不足。调温降温路面的相变材料目前评价指标,封装工艺,调温机理方面研究依然匮乏。发电路面的压电材料的环境适应性,压电换能器的转换效率等还需进一步研究。


(3)关于降噪路面国外调查数据显示与普通沥青混凝土相比,多孔隙沥青混凝土有明显的降噪效果,噪声总的规律是OGFC<SMA<HMA<PCC。国内从结构、材料等方面研究,主要采用的路面类型有高构造深度沥青混凝土路面、弹性沥青混泥土路面、排水沥青路面。对弹性沥青混泥土路面的典型路面橡胶沥青混泥土路面研究表明,其具有良好的推广效益。


(4)从国内引入排水沥青路面这二十年的应用情况及相关科研案例来看,具有排水、抗滑、降噪等众多优良性能,并且在经历十年重载交通后依然具有良好的路用性能,符合路面耐久性设计目标。结合其优良的路用性能及国外发展经验看,排水沥青路面今后也将成为我国道路发展的必然趋势。


功能型路面国内外研究综述 沥青网,sinoasphalt.com

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