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摘要：

隨著傳統(tǒng)工程材料與現(xiàn)代新型材料研究的深入, 以及人們對道路基礎(chǔ)設(shè)施需求的不斷提升, 道路的內(nèi)在屬性和功能定位發(fā)生了顯著的變化, 從早期滿足通行基本需求的結(jié)構(gòu)物, 演化到具有經(jīng)濟屬性和環(huán)境屬性的固定資產(chǎn). 進入21世紀(jì)以來, 智慧出行和安全出行的需求, 對道路基礎(chǔ)設(shè)施提出了新的需求. 道路作為交通工具的重要載體, 需要進一步提升其自身的智慧化水平. 材料科學(xué)和交叉學(xué)科的飛速發(fā)展, 為設(shè)計和建造各類新型路面提供了可能與技術(shù)支撐, 也推動了路面材料研究領(lǐng)域的不斷拓寬. 為此, 本文介紹了具有自俘能、自發(fā)光、自調(diào)溫和自愈合功能新型路面材料的技術(shù)原理、設(shè)計、發(fā)展與挑戰(zhàn), 為新型路面材料的設(shè)計和研究提供參考和借鑒. 新型路面材料設(shè)計的意義不僅僅在于拓展路面的功能, 而且在于引發(fā)路面材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計理念的更新, 進一步豐富和拓展現(xiàn)代道路工程以及相關(guān)學(xué)科知識體系, 推動現(xiàn)代路面工程技術(shù)進步和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

關(guān)鍵詞：路面材料, 自俘能, 自發(fā)光, 自調(diào)溫, 自愈合

道路作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施, 是人類社會進步與發(fā)展的重要基礎(chǔ). 人類建造道路的歷史至少有幾十個世紀(jì). 公元前20世紀(jì), 古埃及的人們修建了道路, 把大量的巨石從采石場運到工地, 建成了舉世聞名的金字塔和獅身人面像. 古羅馬帝國時期, 人們修建了以羅馬為中心馬達(dá)的道路系統(tǒng), 有諺語“條條大路通羅馬”.這些道路對古羅馬帝國的興盛起到了巨大的作用(http://www.triplenine.org/Vidya/OtherArticles/ABriefHistoryofRoadBuilding.aspx). 公元前2世紀(jì)至13、14世紀(jì), 橫貫亞洲、歐洲與非洲的絲綢之路, 推動了東西方的經(jīng)濟、文化與科技交流, 對世界經(jīng)濟發(fā)展與社會進步產(chǎn)生了重要的作用(https://en.unesco.org/silkroad/about-silk-road/).

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展, 從早期的天然塊石、卵石、礫石、木材、碎陶片等材料, 到古巴比倫和印加帝國采用的天然瀝青, 用于修筑道路的建筑材料在不斷升級變化[1]. 進入到19世紀(jì)后, 隨著石油和水泥工業(yè)的快速發(fā)展, 瀝青和水泥逐漸成為高等級公路路面的主要材料, 它們的應(yīng)用大幅度提升了道路的穩(wěn)定性和承載能力. 進入20世紀(jì)后, 隨著現(xiàn)代化工技術(shù)的進步, 不同類型的高性能水泥和改性瀝青材料日益成熟和豐富, 顯著提升了路面的服務(wù)品質(zhì)和服役壽命, 極大地滿足了人們對道路通行功能的基本需求[2]. 在20世紀(jì)中后期, 隨著人們對資源節(jié)約和環(huán)境保護意識的不斷提升, 道路工程材料經(jīng)歷了綠色化發(fā)展階段, 涌現(xiàn)出一批以溫拌瀝青、乳化瀝青為代表的低排放材料[3], 以橡膠瀝青等為代表的廢舊資源路用材料和以多孔瀝青混合料、低吸熱路面材料與尾氣分解路面材料為代表的環(huán)境友好路面材料, 極大地豐富了道路的環(huán)境友好屬性[4].

進入21世紀(jì)后, 科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展尤其是大數(shù)據(jù)和人工智能的迅速發(fā)展, 促進了整個社會對智能化的需求, 智能交通已成為道路發(fā)展的必然趨勢. 中國已經(jīng)提出了建設(shè)交通強國的國家戰(zhàn)略并印發(fā)了《交通強國建設(shè)綱要》, 明確提出到21世紀(jì)中葉, 全面建成人民滿意、保障有力、世界前列的交通強國, 并且交通智能化與綠色化水平位居世界前列. 道路作為交通工具的重要載體, 需要進一步提升其自身的智慧化水平. 目前, 國內(nèi)外已經(jīng)開展了面向智慧公路的新型路面材料設(shè)計與研發(fā). 在荷蘭, 研究人員在一段長500 m的公路上涂上熒光涂層, 利用熒光材料白天“吸能”、夜晚發(fā)光的特性, 幫助司機判斷晚間道路位置并降低能源消耗. 此外, 全球已開展了光伏路面的研究. 例如, 2017年, 中國濟南繞城高速上鋪筑了世界首條高速公路光伏路面試驗路, 全長1120 m. 總體看來, 光伏路面的技術(shù)尚不成熟, 在應(yīng)用中還有諸多問題需要解決. 近年來,智慧路面發(fā)展較為迅速. 為了解決路面結(jié)冰及溫度過高導(dǎo)致穩(wěn)定性降低等問題, 研究人員研究開發(fā)了多種融雪化冰[5]、熱反射[6]和降溫路面[7]等新型路面材料.

本文面向智慧道路建造的需求, 分析了具有自俘能、自發(fā)光、自調(diào)溫和自愈合功能的新型路面材料技術(shù)原理、設(shè)計、發(fā)展與挑戰(zhàn), 為新型路面材料的設(shè)計和研究提供參考和借鑒.

1  自俘能材料

1.1 路面能量收集需求

在承擔(dān)交通功能的同時, 道路周邊存在著大量的環(huán)境能量, 包括熱能、機械能等. 近年來, 在全球能源短缺、環(huán)境污染和氣候變暖的背景下, 路面能量的收集與利用成為研究熱點. 已有研究表明, 道路環(huán)境中潛在的熱能和機械能能量可觀, 利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)和壓電材料的壓電效應(yīng), 可將路域環(huán)境中的熱能[8]和機械能[9]轉(zhuǎn)化為電能. 若能將路面能量加以收集利用, 不僅可以大大減弱信息、通訊和傳感器件對傳統(tǒng)供能的依賴[10~12], 未來還有望成為新能源汽車能量來源的重要途徑之一.

1.2 壓電路面材料設(shè)計

1.2.1 技術(shù)原理

車輛荷載自身振動和對路面結(jié)構(gòu)的擠壓, 使得路面結(jié)構(gòu)變形, 有大量機械能潛藏在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部. 在傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)中, 潛在的機械能最終以熱能形式耗散在路面內(nèi)部, 增加路面病害風(fēng)險. 壓電路面利用正壓電效應(yīng), 可將這部分機械能轉(zhuǎn)化為電能. 壓電材料是壓電路面的核心部分, 主要有復(fù)合式壓電材料和埋置式壓電材料兩種. 其中, 復(fù)合式壓電路面材料是將壓電材料與傳統(tǒng)路面材料一體化, 如瀝青基壓電復(fù)合材料[13]和水泥基壓電復(fù)合材料[14]; 而埋置式壓電路面材料是將壓電材料封裝形成壓電換能器, 壓電換能器再以埋置的方式嵌入路面結(jié)構(gòu).

與復(fù)合式壓電路面材料相比, 埋置式壓電路面材料能量轉(zhuǎn)化效率高, 施工可控性強, 是目前廣泛采用的壓電路面材料. 埋置式壓電路面材料的設(shè)計包括壓電材料形狀、種類和外部封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計. 壓電材料形狀多樣, 其中膜狀、薄片狀和塊狀材料多用于道路能量收集研究. 膜狀壓電材料如聚偏氟乙烯薄膜(polyvinylidene fluoride, PVDF)和薄片狀壓電材料如懸臂梁式壓電材料, 二者能量輸出均與彎曲變形量正相關(guān). 然而, 路面結(jié)構(gòu)小變形要求限制了其作動空間, 并且二者幾乎沒有承載能力, 不能用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件. 塊狀壓電材料如柱狀壓電材料, 剛度大、抗壓強度高, 不僅滿足路面小變形要求, 還可與路面材料一同承擔(dān)交通荷載. 因此,埋置式壓電路面材料宜選用塊狀壓電材料. 塊狀壓電材料極化方向一般為厚度方向, 在車輛荷載豎向激振力作用下, 其厚度方向產(chǎn)生電壓. 壓電材料的這種工作模式稱為3-3壓電模式, 此時極化方向(第一個3)與施力方向(第二個3)一致. 壓電材料種類決定壓電參數(shù), 在3-3壓電模式下, 影響壓電能量收集的壓電參數(shù)主要為壓電變形常數(shù)d33和壓電電壓常數(shù)g33, 二者乘積越大, 材料壓電能量輸出效果越好[15]. 擁有良好鐵電性能的壓電陶瓷材料是壓電材料的較優(yōu)選擇. 外部封裝結(jié)構(gòu)除了保護脆性壓電材料不受集料棱角影響外, 還應(yīng)有應(yīng)力放大的作用, 且封裝材料需要有良好的機械性能和耐候性能.

1.2.2 壓電路面設(shè)計與能量輸出

成型小型壓電路面組件, 壓電材料選用柱式PZT-5H, 直徑為6 mm, 高度為10 mm, d33=670×10–12 C/N,等效電容Ca=90 pF. 封裝結(jié)構(gòu)由壓頭、蓋環(huán)、內(nèi)部構(gòu)件組和底座組成(圖1), 其中內(nèi)部構(gòu)件組由墊片、電極、約束體組成. 壓頭頂面直徑為39.6 mm, 底座底部直徑為5 6 mm, 埋置式壓電路面材料整體高度為26 mm. 除銅電極外, 封裝結(jié)構(gòu)均采用工程性能良好的尼龍材料. 采用4 cm AC13+6 cm AC20組合結(jié)構(gòu), 面層級配均參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2017)[16]建議的級配范圍中值進行設(shè)計. 粗、細(xì)集料均為石灰?guī)r, 填料為磨細(xì)石灰粉, 瀝青為基質(zhì)90#A級瀝青. 采用分層成型法將壓電換能器埋置在下面層頂部.采用小型加速加載設(shè)備MMLS3模擬道路荷載對小型壓電路面進行加載. 面層溫度調(diào)控范圍為–20~60°C.

在最低和最高溫度范圍內(nèi), 組件輸出電壓-時間曲線為交流電(圖2), 但峰值和谷值電壓并不完全對稱.低溫時輸出電壓不足10 V, 高溫時輸出電壓可達(dá)250 V.單次軸載作用下能量輸出與溫度關(guān)系表明, 溫度低時,能量輸出變化幅度小; 當(dāng)面層溫度提高到零度以上后,能量輸出快速增長, 最高溫度下輸出能量是最低溫度下消耗能量的3700余倍. 因此, 溫度對壓電路面能量產(chǎn)出影響顯著. 低溫時壓電路面輸出嚴(yán)重不足, 這是因為低溫時路面結(jié)構(gòu)剛度大, 使得車輛荷載經(jīng)路面結(jié)構(gòu)傳遞給壓電材料的荷載遠(yuǎn)小于路表荷載. 這可能會導(dǎo)致壓電路面在冬季無法獲得充足電能, 因此有必要設(shè)計與壓電能量輸出相匹配的能量收集、存儲及智能管理系統(tǒng).

1.3 熱電路面材料設(shè)計

1.3.1 技術(shù)原理

熱電路面是利用溫差發(fā)電技術(shù), 將瀝青路面多余的能量收集并實現(xiàn)路面能量的綠色轉(zhuǎn)化, 同時降低路面溫度、延長道路使用壽命的一種新型路面, 組成上要有熱電轉(zhuǎn)換器件、熱端和冷端三部分. 其中, 熱電轉(zhuǎn)換器件基于塞貝克效應(yīng)[17], 將P型和N型兩種不同類型的熱電材料(P型是富空穴材料, N型是富電子材料)一端相連形成一個PN結(jié), 置于高溫狀態(tài), 另一端形成低溫. 通過熱激發(fā)作用, 高溫端P型材料空穴和N型材料電子的濃度高于低溫端, 在這種濃度梯度的驅(qū)動下, 空穴和電子向低溫端擴散, 形成電動勢. 在陶瓷基體上將若干對半導(dǎo)體元件在電路上串聯(lián)起來, 而在傳熱方面是并聯(lián)的, 這就構(gòu)成了一個通用的熱電轉(zhuǎn)換器件. 這種半導(dǎo)體元件無運動部件(除了電子和空穴等載流子、晶格振動或聲子的運動以外)、無流體介質(zhì)、無噪聲污染、無磨損免維護, 是一種綠色使用方式.

瀝青路面類似于黑體, 對太陽輻射的吸收系數(shù)高達(dá)0.8~0.95, 可吸收大量熱量. 尤其在夏季高溫時節(jié), 瀝青路面白天表面溫度可達(dá)70°C左右, 可以直接作為熱電路面的熱端, 或者將路面內(nèi)部的溫度采用導(dǎo)熱體導(dǎo)出, 以導(dǎo)熱體作為熱電路面的熱端. 熱電路面的冷端材料在同等條件下應(yīng)該較熱端材料溫度低, 因此可以采用空氣、水、路基土壤、相變儲熱材料等作為冷端材料[18].

1.3.2 熱電路面設(shè)計與能量輸出

選擇成品熱電轉(zhuǎn)換器件將路面內(nèi)部溫度用導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)出, 導(dǎo)熱介質(zhì)作為熱電路面的熱端. 導(dǎo)熱介質(zhì)選用鋁均熱板. 冷端安裝有機玻璃水槽, 使用水作為冷端材料. 熱電路面試驗試件尺寸為300 mm×300 mm×100 mm, 鋁均熱板埋設(shè)于距路表20 mm處.

按照氣象學(xué)中將全年氣溫劃分成的高溫、中溫和低溫3個時期[19], 分別選取高溫天氣(7月24日)、中溫天氣(4月22日)和低溫天氣(2月24日)測試的代表數(shù)據(jù)(圖3). 可以看出, 熱電路面試件發(fā)電電壓變化隨著一天氣溫變化呈先增大后減小的規(guī)律. 試件在高溫、中溫和低溫三種天氣下測試得到的電壓峰值分別為0.564、0.391和 0.275 V, 即環(huán)境溫度越高, 熱電路面輸出電壓越大.

1.4 發(fā)展與挑戰(zhàn)

自俘能路面材料可以將自身感知到的振動能和熱能轉(zhuǎn)化為電能. 這可為道路附屬設(shè)施及智能感知、檢測設(shè)備提供電能, 隨著技術(shù)的進步, 還可能通過無線充電技術(shù)為新能源汽車充電. 這對建設(shè)智能路面具有十分重要的意義. 對于壓電路面材料, 提高能量輸出效果是現(xiàn)階段面臨的首要問題. 應(yīng)積極開發(fā)新型復(fù)合式壓

電路面材料、優(yōu)化極化方法和制備工藝; 應(yīng)在優(yōu)化埋置式壓電路面材料自身結(jié)構(gòu)性能的同時減少路面病害,綜合提升壓電路面性能. 對于熱電路面材料, 提高能量轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前面臨的主要問題. 需進一步研究增大熱電路面熱端及冷端產(chǎn)生的溫差, 優(yōu)化熱端材料及冷端材料的配置; 優(yōu)選適用于熱電路面結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換器件.

2 自發(fā)光材料

2.1 路面光線需求

道路照明旨在為駕駛員和步行者提供交通的安全性與導(dǎo)向性, 但道路照明設(shè)施的大規(guī)模應(yīng)用帶來的是日趨龐大的能源消耗和光污染[20]. 據(jù)統(tǒng)計, 道路照明用電在國家照明總耗電中約占20%~30%, 而電能利用率尚不到65%, 浪費嚴(yán)重[21]. 傳統(tǒng)路燈照明帶來的眩光會引起駕乘人員視覺上的不舒適和疲勞, 嚴(yán)重時還會造成交通安全隱患[22]. 采用路面內(nèi)置發(fā)光器件或摻雜自發(fā)光材料使道路自主發(fā)光, 全部或部分替代外設(shè)照明光源, 既可以節(jié)約能源, 還可以消除路燈造成的光照不均勻及眩光等問題. 自發(fā)光路面是一種采用環(huán)保稀土發(fā)光材料為原料而設(shè)計的兼具安全、美觀、節(jié)能等諸多特點的新型功能道面[23]. 目前, 德國、美國和法國等發(fā)達(dá)國家相繼開展了自發(fā)光路面的開發(fā)與研究[24,25].

2.2 自發(fā)光路面材料設(shè)計

長余輝稀土發(fā)光材料是重要的稀土功能材料之一,而SrAl2O4:Eu2+/Dy3+是目前應(yīng)用最為廣泛的長余輝稀土發(fā)光材料[26]. 與其他發(fā)光材料不同的是, 它可以吸收外部光輻射源的能量并儲存其中. 在關(guān)閉激發(fā)源后, 能量可以在較暗的環(huán)境中以光的形式緩慢釋放. 摻雜稀有金屬離子的堿土鋁酸鹽熒光粉在接受熒光燈或陽光照射后, 呈現(xiàn)出明亮而持久的余輝. 由于無放射性、余輝壽命長、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點, 長余輝稀土發(fā)光材料成為一種潛在的可替代傳統(tǒng)硫化物基熒光粉的持久性發(fā)光材料.

一般來說, 路面的自發(fā)光現(xiàn)象可以通過多種方式實現(xiàn), 如在水泥混凝土中摻加稀土發(fā)光材料, 改變混凝土的微觀結(jié)構(gòu); 制備發(fā)光涂層, 在道路表面涂抹發(fā)光材料等. 由于自身顏色的限制, 瀝青材料通常會遮蔽絕大部分余輝, 目前主要將水泥混凝土作為自發(fā)光材料的載體, 用于制備和應(yīng)用自發(fā)光漿體材料. 與傳統(tǒng)路面發(fā)光的標(biāo)志標(biāo)線相比, 自發(fā)光漿體材料無論從技術(shù)原理還是制備工藝上, 都具有較高的可行性. 除此之外, 余輝的能見度范圍更廣, 不但適用于道路交通, 還可以鋪設(shè)于景區(qū)、城市步道和廣場.

為了進一步研究自發(fā)光水泥基漿體材料的發(fā)光性能, 將不同粒徑的長余輝SrAl2O4:Eu2+/Dy3+熒光粉(luminescent powder, LPM)和反光粉(reflective powder,RPM)按照25%和10%的摻量摻加到白色水泥材料中,研究漿體材料的發(fā)光性能. 通過自主研發(fā)的亮度測量儀, 對含有不同粒度熒光粉和反光粉的自發(fā)光漿體材料的亮度進行測試, 得出自發(fā)光水泥漿體的亮度衰減規(guī)律及熒光粉和反光粉的最佳粒徑. 當(dāng)熒光粉和反光粉的粒度分別為150和100目時, 自發(fā)光漿體材料的亮度和余輝最佳(圖4).

為了探究粒徑效應(yīng)對水泥漿體發(fā)光性能影響的原因, 保持反光粉的粒徑為100目, 對自發(fā)光水泥漿體進行熒光光譜分析. 當(dāng)對自發(fā)光漿體進行光激發(fā)后, 不同粒徑的熒光粉表現(xiàn)出不同強度的發(fā)射光譜, 其中150目時光譜強度最大. 在自然光下對自發(fā)光漿體材料進行8 h照射, 移至暗處后對其進行亮度衰減記錄. 結(jié)果表明, 6 h后, 該自發(fā)光漿體材料仍然可以達(dá)到人眼可見亮度.

2.3 發(fā)展與挑戰(zhàn)

作為一種智慧功能型路面, 自發(fā)光路面能夠在不增加能耗的前提下有效改善夜間路面的能見度. 目前,世界范圍內(nèi)對自發(fā)光路面的研究還處于起步階段, 仍有許多技術(shù)及應(yīng)用問題待解決. 例如, 由于熒光粉性狀特殊性, 采用瀝青混合料摻入熒光粉無法達(dá)到發(fā)光目的, 目前多采用水泥無機材料作為熒光粉發(fā)光載體, 適用材料范圍較為單一; 應(yīng)用較為廣泛的夜光石撒布路面的鋪設(shè)方法會造成行車噪聲大, 且無法保證路面材料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性; 我國幅員遼闊, 地域差異顯著, 冬季夜晚最長時長可達(dá)16.5 h, 需要重點研究如何提高發(fā)光材料性能以盡可能達(dá)到蓄能時間短、持續(xù)發(fā)光時間長等的要求. 因此, 對自發(fā)光路面材料的科學(xué)設(shè)計、自發(fā)光路面結(jié)構(gòu)形式的選擇、自發(fā)光路面發(fā)光性能的長效評價機制等有待深入研究.

3 自調(diào)溫材料

3.1 路面溫度調(diào)節(jié)需求

瀝青路面的高吸熱性和溫度敏感性決定了其在夏季高溫季節(jié)容易出現(xiàn)車轍病害, 這也是導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)的主要原因之一. 此外, 瀝青路面在高溫環(huán)境中揮發(fā)有害氣體, 影響人居生活環(huán)境. 因此, 有必要采取有效措施主動縮短瀝青路面的高溫作用時間, 從根本上改變?yōu)r青路面產(chǎn)生的不利影響. 從另一方面講, 瀝青路面作為道路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分, 其智能化的實現(xiàn)需要在瀝青路面中引入智能材料. 研發(fā)具有主動管理路面熱環(huán)境能力的相變材料, 主動感知并調(diào)節(jié)瀝青路面溫度, 最終實現(xiàn)延長路面服務(wù)年限、提高使用品質(zhì)、降低環(huán)境污染的目標(biāo).

3.2 自調(diào)溫路面材料設(shè)計

自調(diào)溫路面材料具有主動感知和調(diào)節(jié)瀝青路面溫度的能力. 該類材料能夠在相變溫度范圍內(nèi), 通過相態(tài)之間的轉(zhuǎn)變(通常為固液相變)以潛熱的形式吸收或釋放瀝青路面的熱量, 從而增加瀝青路面熱量吸收或釋放的時間, 為路面的溫度變化提供緩沖[27,28]. 選取適用于瀝青路面的相變材料是實現(xiàn)其應(yīng)用價值的前提. 相變材料應(yīng)具有適宜的相變溫度、足夠高的相變焓值以及優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì), 同時要兼顧對路用性能的影響.

研究顯示, 棕櫚酸、肉豆蔻酸和聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)均具有適用于瀝青路面降溫的相變溫度和足夠高的相變焓值, 同時具有足夠高的熱穩(wěn)定性應(yīng)對熱拌瀝青路面的施工溫度. 從對瀝青性能的影響進行評估發(fā)現(xiàn), PEG對瀝青的溫度敏感性影響更小, 更適合作為自調(diào)溫路面材料.

不同分子量PEG相變特性和熱穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明, 分子量對PEG的熱穩(wěn)定性影響不大(圖5). 相比之下, PEG2000具有較低的高溫相變溫度(50.93°C), 而PEG4000~20000具有相似的高溫相變溫度, 但PEG20000的相變儲熱能力明顯更低, 其適用性低于PEG4000~10000(圖6). 為此, 在選取適宜的PEG時, 首先應(yīng)從相變溫度篩選, 其次根據(jù)對瀝青性能的影響進一步篩選.

為避免PEG相變過程中由于固液態(tài)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致使用中材料強度和穩(wěn)定性變化進而影響路面使用性能和壽命等, 常將PEG吸附到介孔基體中或采用微膠囊包裹的方式制備成復(fù)合相變材料. 研究表明, 在夏季高溫時段, 摻有相變材料的瀝青路面可以比普通瀝青路面降低4°C以上[29~32].

3.3 發(fā)展與挑戰(zhàn)

采用相變材料主動管理瀝青路面溫度已經(jīng)表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景. 目前研究重點主要集中在對固液相變材料進行物理封裝和對路面性能的影響評估. 然而,瀝青路面施工和運營階段的荷載作用容易造成封裝材料開裂、破碎等, 進而產(chǎn)生PEG泄漏. 因此, 采用化學(xué)方法制備具有確定相變特征的復(fù)合相變材料具有潛在的應(yīng)用前景. 為實現(xiàn)相變材料對瀝青路面溫度的精準(zhǔn)感知和及時調(diào)節(jié), 如何有效提高相變材料的導(dǎo)熱性也值得進一步研究.

4  自愈合材料

4.1 路面裂縫修復(fù)需求

瀝青材料在持續(xù)的交通荷載以及溫度變化、水損害、氧化等環(huán)境因素作用下容易變硬變脆, 黏聚性和黏附性變差, 使得瀝青路面在服役期內(nèi)產(chǎn)生大量微裂縫. 另一方面, 作為一種典型的溫度敏感型黏彈性材料, 在荷載間歇期或環(huán)境溫度較高時, 由于瀝青的毛細(xì)流動、分子浸潤以及分子間擴散作用, 產(chǎn)生的微裂縫可以自發(fā)愈合[33]. 同時, 瀝青具有界面潤濕、黏合與分子擴散能力, 這些都為裂縫愈合后強度形成提供了基礎(chǔ)條件. 通過構(gòu)建智能瀝青材料, 使其具有自我修復(fù)的能力, 可有效減輕瀝青路面與裂縫相關(guān)的病害并減少后期養(yǎng)護費用. 利用瀝青混凝土的自修復(fù)性能在瀝青路面出現(xiàn)宏觀損害之前就進行養(yǎng)護, 是美國、荷蘭、瑞士、英國等發(fā)達(dá)國家近些年來所倡導(dǎo)的先進瀝青路面養(yǎng)護理念[34].

4.2 自愈合路面材料設(shè)計

通過瀝青自愈合技術(shù), 可以提高瀝青的自我修復(fù)能力, 延長瀝青路面的使用壽命. 作為一種典型的黏彈性材料, 在較高溫度下或荷載間歇期, 瀝青材料可以自發(fā)進行愈合. 現(xiàn)階段, 往往采用加熱誘導(dǎo)的方法加速瀝青混凝土路面裂縫的愈合. 微波加熱技術(shù)由于加熱速度快、加熱效率高和選擇性加熱等優(yōu)點, 近年來被廣泛應(yīng)用于瀝青路面除冰、自愈合等. 為提高瀝青路面的吸波能力, 多采用向混合料中摻入吸波物質(zhì). 當(dāng)微波穿過吸波材料時, 其內(nèi)部發(fā)生分子振動, 損耗的微波能轉(zhuǎn)換為熱能, 從而愈合混凝土內(nèi)部的微裂縫. 根據(jù)微波損耗機理不同, 吸波材料可分為電損耗型(多為碳基材料)和磁損耗型(多為磁性材料). 后者由于價格低廉、環(huán)保價值高而具有很大的研究潛力.

鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣. 鋼鐵企業(yè)廢渣的處理和資源化利用問題一直受到重視. 近年來, 鋼渣瀝青路面由于良好的路用性能而得到廣泛使用. 然而, 基于自愈合目的的鋼渣瀝青混合料電、熱物理性能相關(guān)研究較少. 向瀝青混合料中摻加鋼渣, 通過分析鋼渣瀝青混合料愈合效率及其在微波加熱下的升溫速率、表面溫度分布情況, 可以評價鋼渣瀝青混合料作為自愈合路面材料的可行性.

鋼渣具有較高的鐵元素含量, 可以用作吸波材料.同時, 由于其多孔結(jié)構(gòu), 微波在其孔腔內(nèi)可多次反射損耗. 鋼渣密度較大, 用體積法替換部分3~5 mm檔的集料. 通過平行于橫縱截面切割馬歇爾混合料制備試件,由三點彎曲試驗使試件產(chǎn)生微裂縫, 用試件在微波愈合前后的強度比作為混合料的愈合指標(biāo). 試驗結(jié)果顯示, AC-13瀝青混合料中鋼渣摻量為60%時, 瀝青混合料的愈合效果最佳(76.83%)(圖7).

微波加熱后試件表面的溫度分布情況如圖8所示, 結(jié)果表明, 瀝青混合料表面溫度為90°C時, 對裂縫有較好的愈合效果[35]. 當(dāng)鋼渣摻量較少時, 由于缺少吸波材料, 在微波加熱一段時間后, 試件表面溫度仍然較低; 當(dāng)鋼渣摻量為60%時, 試件表面溫度大多達(dá)到90°C, 愈合效果最佳; 而當(dāng)鋼渣摻量過多時, 會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象, 導(dǎo)致集料松散坍塌.因此, 鋼渣存在最佳摻量使得混合料的愈合效率達(dá)到最佳.

4.3 發(fā)展與挑戰(zhàn)

自愈合路面材料是智能道路發(fā)展的重要部分. 微波加熱技術(shù)可以顯著提高瀝青混凝土自愈合能力, 但仍有很多技術(shù)問題有待解決. 鋼渣作為吸波材料, 在微波下可升溫愈合裂縫, 但引起的局部過熱問題尚未得到有效控制; 纖維狀吸波材料在混合料拌和過程中容易出現(xiàn)纏繞、斷裂等問題; 碳基吸波材料能夠在短時間內(nèi)迅速升溫, 縮短微波加熱時間, 但其價格昂貴, 限制了其廣泛應(yīng)用. 因此, 自愈合路面材料的科學(xué)設(shè)計方法有待深入研究, 建立相應(yīng)的理論和方法, 為其推廣提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持.

5 結(jié)語

現(xiàn)代以及未來先進路面材料并不僅僅局限本文所介紹的自俘能、自發(fā)光、自調(diào)溫和自愈合功能的新型路面材料. 對路面從單一的通道功能到適應(yīng)未來智能交通的多重環(huán)保和智慧調(diào)節(jié)功能的改變, 其意義不僅僅在于拓展路面的功能, 而且在于引發(fā)路面技術(shù)的變革. 這將導(dǎo)致路面材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計理念的更新, 將豐富和發(fā)展現(xiàn)代道路工程以及相關(guān)學(xué)科知識體系, 帶動現(xiàn)代道路工程技術(shù)進步和相關(guān)社會產(chǎn)業(yè)的變革與發(fā)展.

(1) 自俘能路面材料具有顯著的發(fā)電效應(yīng). 其中,壓電路面材料在設(shè)計時, 除了要考慮如何提升壓電路面能量輸出, 還要兼顧其與路面結(jié)構(gòu)和交通荷載的匹配性; 并且要減少外界環(huán)境對能量輸出的影響, 或設(shè)計與能量輸出相匹配的能量收集、存儲及智能管理系統(tǒng),提高能量輸出效率. 熱電路面材料設(shè)計時, 應(yīng)在滿足路用性能要求的基礎(chǔ)上, 主要考慮增大熱電轉(zhuǎn)換器件熱端和冷端的溫差, 提高能量轉(zhuǎn)換效率, 優(yōu)化熱電轉(zhuǎn)換器件、熱端及冷端材料的配置, 并考慮開發(fā)新材料及新發(fā)電模型.

(2) 以長余輝SrAl2O4:Eu2+/Dy3+熒光粉作為發(fā)光體摻入到水泥無機材料中制備的自發(fā)光水泥漿體具有較好的自主發(fā)光特性. 在選擇用于路面的發(fā)光材料時, 不僅要考慮路面功能要求, 而且要考慮路用性能要求, 如滿足一定的抗壓、抗折強度等力學(xué)性能和良好的水穩(wěn)定性和抗滑能力. 為保障交通安全, 路面照度、眩光限制等也要達(dá)到相關(guān)要求.

(3) 將相變材料用作自調(diào)溫路面材料具有較好的應(yīng)用價值. 在相變材料的選取過程中, 應(yīng)綜合考慮相變材料自身的相變性能、穩(wěn)定性和對瀝青路面性能的影響. 此外, 應(yīng)根據(jù)路面設(shè)計、施工、運營需求, 進一步研究設(shè)計滿足長期性能要求的復(fù)合相變材料.

(4) 鋼渣具有較好的吸波性能, 在微波加熱條件下,可以迅速升溫愈合裂縫. 在自愈合路面材料的選取過程中, 還應(yīng)考慮其傳熱能力及其對瀝青混凝土拌和、施工、力學(xué)性能的影響. 通過優(yōu)化自愈合路面材料, 有效地延長瀝青混凝土路面的使用壽命.