CN106868971A - 一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于道路工程绿色能源收集利用领域，具体公开了一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层，包括沥青混凝土和设置于其内部的多组堆叠式压电换能器，堆叠式压电换能器包含堆叠而成的压电陶瓷片。其制备方法包括以下步骤：首先制备堆叠式压电换能器；然后将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌，再加入矿粉，均匀搅拌，碾压成型，最后在沥青混凝土上开凿凹陷处，并将所述埋置堆叠式压电换能器埋置于所述凹陷处，填料，碾压，即得。本发明提供的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，制备方便、快捷，可收集更多的电能，可应用于道路警示标志中，成本低廉，耐久高效，绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程绿色能源收集利用领域，尤其涉及一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层及其制备方法。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的基础，随着社会经济发展水平的提高，世界各国对能源的需求与日俱增，而煤炭、石油和天然气三大石化能源却日渐枯竭，寻求和开发多来源、无污染的替代能源是21世纪面临的主要挑战，除太阳能、风能、核能外，由振动、变形等机械能也具有较高的转化成电能的效率。
沥青路面在车辆作用下，会产生应力、应变、位移和振动，这些响应会给路面带来应变能，并可通过压电效应回收利用。以色列在2008年研制出了基于压电转化的路面能量收集系统(Innowattech Piezo Electric Generator)，1条双车道的道路每公里可收集高达0.5兆瓦/小时的电能，可供约600-800户家庭的用电。该系统的使用寿命为30年，投资回收期在6-12年。沥青路面压电能量的收集与转化的技术实现，涉及路面工程、热力学、材料学、电气学多个学科，学科交叉明显，需要投入大量的人力和物力展开持续研究。然而国外的路面能量收集与转化系统的技术处于保密阶段，未有任何的技术资料可供参考。
为使得压电换能器能够与沥青路面协调工作，同时又能够产生尽可能多的压电能量，应用于道路工程领域的压电换能器必须有合适的刚度以及较高的能力转化效率。然而，目前现有压电换能器仍然存在上述问题。因此，迫切需要一种与沥青路面协同性好、能量转化效率高的技术方式。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层及其制备方法，该结构简单、成本低廉、耐久高效，制备方法简单，可收集更多的电能，应用于道路警示标志中。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，包括：沥青混凝土和设置于所述沥青混凝土内部的多组堆叠式压电换能器，所述堆叠式压电换能器包含堆叠而成的压电陶瓷片。
作为优选地，所述沥青混凝土包含以下重量百分比的原料组分：集料90-94％，矿粉4-7％，沥青3-6％。
作为优选地，所述堆叠而成的压电陶瓷片包含5-10片压电陶瓷片。
作为优选地，所述堆叠而成的压电陶瓷片的外部包裹有封装层，所述封装层包含以下重量百分比的原料组分：沥青70-80％，环氧树脂12-20％，固化剂9-11％。
作为优选地，所述压电陶瓷片之间通过粘合材料进行堆叠，所述粘合材料包含以下重量百分比的原料组分：沥青70-80％，环氧树脂12-20％，固化剂9-11％。
作为优选地，所述压电陶瓷片为圆形、圆环形或矩形。
作为优选地，所述堆叠式压电换能器的外部包裹有塑胶。
作为优选地，所述堆叠式压电换能器的外部还包裹有改性沥青。
一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将压电陶瓷片依次堆叠，制得堆叠式压电换能器，备用；
步骤2，将集料加热至160-170℃，将沥青加热至140-150℃，将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌0.5-1分钟，再加入矿粉，均匀搅拌0.5-1分钟，得沥青混凝土；
步骤3，将所述沥青混凝土进行碾压成型；
步骤4，在碾压成型后的沥青混凝土层上开凿用于埋置堆叠式压电换能器的凹陷处，并将所述埋置堆叠式压电换能器埋置于所述凹陷处，填料，碾压，即得可收集压电能量的沥青混凝土路面层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明综合考虑行车荷载、环境条件、路面结构和材料特性，提供的一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层，制备方法方便、快捷；本发明采用堆叠式压电换能器，将其设计在道路行车道轮迹分布带下，沿道路轴线纵向延伸，可收集更多的电能，可应用于道路警示标志中，成本低廉，耐久高效，绿色环保，对促进公路交通建设领域绿色清洁能源利用、保护环境具有重要意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为一种堆叠式压电换能器的结构示意图；图中，1、压电陶瓷片；2、粘合材料；3、封装层。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
本发明提供了一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层，包括：沥青混凝土和设置于所述沥青混凝土内部的多组堆叠式压电换能器，所述堆叠式压电换能器包含堆叠而成的压电陶瓷片。
其中，沥青混凝土包含以下重量百分比的原料组分：集料90-94％，矿料4-7％，沥青3-6％。堆叠而成的压电陶瓷片包含5-10片压电陶瓷片，且其外部包裹有封装层，所述封装层包含以下重量百分比的原料组分：沥青70-77％，环氧树脂11-17％，固化剂6-11％。
参考图1，堆叠压电陶瓷片时，将压电陶瓷片通过粘合材料将多片的压电陶瓷片粘合堆叠，使得压电陶瓷片之间相互粘合，制得堆叠而成的压电陶瓷片。其中，粘合材料包含以下重量百分比的原料组分：沥青70-80％，环氧树脂12-20％，固化剂9-11％。
本发明还提供了一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将集料加热至160-170℃，将沥青加热至140-150℃，将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌0.5-1分钟，再加入矿粉，均匀搅拌0.5-1分钟，得沥青混凝土；
步骤2，将所述沥青混凝土进行碾压成型；
步骤3，在碾压成型后的沥青混凝土层上开凿用于埋置堆叠式压电换能器的凹陷处，并将所述埋置堆叠式压电换能器埋置于所述凹陷处，即得可收集压电能量的堆叠式沥青混凝土。
具体地，通过以下实施例进行说明。
实施例1
一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将10片圆形的压电陶瓷片依次堆叠，制得堆叠式压电换能器，备用；将压电陶瓷片进行堆叠，堆叠过程中采用的粘合材料包含以下重量百分比的原料组分：沥青70％，环氧树脂20％，固化剂10％；堆叠而成的压电陶瓷片的外部均匀包裹一层封装层，封装层的厚度为1mm，封装层包含以下重量百分比的原料组分：沥青80％，环氧树脂12％，固化剂8％。
步骤2，取90％的集料加热至160℃，取6％的沥青加热至140℃，将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌0.5分钟，再加入4％的矿粉，均匀搅拌1分钟，得沥青混凝土；
步骤3，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)用马歇尔击实法将沥青混凝土试件双面各击实10次，或者采用轮碾法成型往返碾压2个往返(4次)；
步骤4，在沥青混凝土上开凿用于埋置堆叠式压电换能器的凹陷处，在步骤1制备的堆叠式压电换能器的外层包裹黑胶带，并在黑胶带的外部包裹一层改性沥青，将其埋置于开凿出的凹陷处，填料，再进行击实或碾压使其满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，即得。
实施例2
一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将5片矩形的压电陶瓷片依次堆叠，制得堆叠式压电换能器，备用；将压电陶瓷片进行堆叠，堆叠过程中采用的粘合材料包含以下重量百分比的原料组分：沥青80％，环氧树脂12％，固化剂8％；堆叠而成的压电陶瓷片的外部均匀包裹一层封装层，封装层的厚度为1mm，封装层包含以下重量百分比的原料组分：沥青70％，环氧树脂20％，固化剂10％。
步骤2，取93％的集料加热至170℃，取4％的沥青加热至150℃，将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌1分钟，再加入3％的矿粉，均匀搅拌30s，得沥青混凝土；
步骤3，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)用马歇尔击实法将沥青混凝土试件双面各击实10次，或者采用轮碾法成型往返碾压2个往返(4次)；
步骤4，在沥青混凝土试件上开凿用于埋置堆叠式压电换能器的凹陷处，在步骤1制备的堆叠式压电换能器的外层包裹黑胶带，并在黑胶带的外部包裹一层改性沥青，将其埋置于开凿出凹陷处，填料，再进行击实或碾压使其满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，即得。
实施例3
一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将8片圆环形的压电陶瓷片依次堆叠，制得堆叠式压电换能器，备用；将压电陶瓷片进行堆叠，堆叠过程中采用的粘合材料包含以下重量百分比的原料组分：沥青75％，环氧树脂16％，固化剂9％；堆叠而成的压电陶瓷片的外部均匀包裹一层封装层，封装层的厚度为1mm，封装层包含以下重量百分比的原料组分：沥青75％，环氧树脂16％，固化剂9％；
步骤2，取86％的集料加热至165℃，取8％的沥青加热至145℃，将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌1分钟，再加入6％的矿粉，均匀搅拌30s，得沥青混凝土；
步骤3，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)用马歇尔击实法将沥青混凝土试件双面各击实10次，或者采用轮碾法成型往返碾压2个往返(4次)；
步骤4，在沥青混凝土试件上开凿用于埋置堆叠式压电换能器的凹陷处，在步骤1制备的堆叠式压电换能器的外层包裹黑胶带，并在黑胶带的外部包裹一层改性沥青，将其埋置于开凿出凹陷处，填料，再进行击实或碾压使其满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，即得。
上述实施例1-3中，环氧树脂是分子结构中含有环氧基团的高分子化合物，南通兴辰公司生产，固化剂是聚酰胺树脂，胺值200±20，分子量600-1100，镇江丹宝公司生产。固化温度在20-25℃时，固化时间为20-24h。
上述实施例1-3中，堆叠式压电换能器中的堆叠而成的压电陶瓷片包含有正极连接线和负极连接线，在堆叠过程中，各压电陶瓷片相互串联连接，并在包裹黑胶带以及填料时将正极连接线和负极连接线引出在沥青混凝土层的外部。堆叠式压电换能器在埋置之前包裹改性沥青的目的是使得压电换能器与沥青混凝土之间能够更好的融合。
上述实施例中，将多组堆叠式压电换能器埋置于沥青混凝土路面时，多组堆叠式压电换能器可以均匀地沿行车轮迹带方向埋置于沥青混凝土路面层中，多组堆叠式压电换能器之间可以并联连接，也可以串联连接。
将上述实施例1制备的埋置有堆叠式压电换能器的沥青混凝土进行以下试验，以测试其收集压电能量的能力。
实施例4
本实施例的条件为：沥青混凝土的模量不同，标准轴载胎压产生的电压不同。
分别采用模量大小不同的沥青混凝土，参数分别为1300MPa、1500MPa、1700MPa，进行室内试验，每个参数做三组平行试验，如无变异取平均值。将由10片压电片堆叠的圆柱形压电换能器植入车辙板顶部轮迹带位置，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)将车辙板试件连同车辙板试模一起置于已达到试验温度的恒温室中，保温不少于5h，也不得超过12h，试验温度可以按照条件要求控制，采用试验温度60℃±1℃。保温结束后，将车辙板试件连同车辙板试模一起置于车辙试验机的试验台上，试验轮在车辙板中部，其行走方向须与试件碾压或行车方向一致，将路用压电器正负两极通过引出的导线输出端。启动车辙试验机，使试验轮往返行走，胎压0.7MPa的胶轮会每次碾过压电装置的埋置位置，将输出端与示波器相连，电压最大峰值电压分别为75V、58V、53V。
实施例5
本实施例的条件为：沥青混凝土模量相同，不同轴载胎压产生电压不同。
采用模量为1500MPa的沥青混凝土进行室内试验。将由10片压电片堆叠的圆柱形压电换能器植入车辙板顶部轮迹带位置，将车辙板试件连同车辙板试模一起置于已达到试验温度的恒温室中，保温不少于5h，也不得超过12h，试验温度可以按照条件要求控制。采用试验温度60℃±1℃。保温结束后，将车辙板试件连同车辙板试模一起置于车辙试验机的试验台上，试验轮在车辙板中部，其行走方向须与试件碾压或行车方向一致，将路用压电器正负两极通过引出的导线输出端。启动车辙试验机，使试验轮往返行走，分别使用胎压0.7MPa、0.95MPa、1.17MPa(其对应轴载分别为单轴双轮组100kN、160kN、220kN)的胶轮碾过压电装置的埋置位置，每个参数做三组平行试验，如无变异取平均值。将输出端与示波器相连，电压最大峰值电压分别为58V、72V、89V。
实施例6
本实施例的条件为：沥青混凝土模量相同，不同数量压电片堆叠产生电压不同。
采用模量为1500MPa的沥青混凝土进行室内试验。分别将由5片、10片、15片压电片堆叠的圆柱形压电换能器植入车辙板顶部轮迹带位置，每个参数做三组平行试验，如无变异取平均值。将车辙板试件连同车辙板试模一起置于已达到试验温度的恒温室中，保温不少于5h，也不得超过12h，试验温度可以按照条件要求控制。采用试验温度60℃±1℃。保温结束后，将车辙板试件连同车辙板试模一起置于车辙试验机的试验台上，试验轮在车辙板中部，其行走方向须与试件碾压或行车方向一致，将路用压电器正负两极通过引出的导线输出端。启动车辙试验机，使试验轮往返行走，胎压0.7MPa的胶轮会每次碾过压电装置的埋置位置，将输出端与示波器相连，电压最大峰值电压分别为37V、58V、68V。
通过以上实施例可知，本发明的可收集压电能量的沥青混凝土路面层在保证沥青混合料路面层路面性能的基础上，同时还可收集更多的电能，应用于道路警示标志中。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，包括：沥青混凝土和设置于所述沥青混凝土内部的多组堆叠式压电换能器，所述堆叠式压电换能器包含堆叠而成的压电陶瓷片。
2.根据权利要求1所述的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，所述沥青混凝土包含以下重量百分比的原料组分：集料90-94％，矿粉4-7％，沥青3-6％。
3.根据权利要求1所述的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，所述堆叠而成的压电陶瓷片的外部包裹有封装层，所述封装层包含以下重量百分比的原料组分：沥青70-80％，环氧树脂12-20％，固化剂9-11％。
4.根据权利要求1所述的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，所述堆叠而成的压电陶瓷片包含5-10片压电陶瓷片。
5.根据权利要求4所述的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，所述压电陶瓷片之间通过粘合材料进行堆叠，所述粘合材料包含以下重量百分比的原料组分：沥青70-80％，环氧树脂12-20％，固化剂9-11％。
6.根据权利要求5所述的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，所述压电陶瓷片为圆形、圆环形或矩形。
7.根据权利要求1所述的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，所述堆叠式压电换能器的外部包裹有绝缘胶带。
8.根据权利要求1所述的可收集压电能量的沥青混凝土路面层，其特征在于，所述堆叠式压电换能器的外部还包裹有改性沥青。
9.一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将压电陶瓷片依次堆叠，制得堆叠式压电换能器，备用；
步骤2，将集料加热至160-170℃，将沥青加热至140-150℃，将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌0.5-1分钟，再加入矿粉，均匀搅拌0.5-1分钟，得沥青混凝土；
步骤3，将所述沥青混凝土进行碾压成型；
步骤4，在碾压成型后的沥青混凝土上开凿用于埋置堆叠式压电换能器的凹陷处，并将所述堆叠式压电换能器埋置于所述凹陷处，填料，碾压，即得可收集压电能量的沥青混凝土路面层。
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