CN109853319A - 一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，包括透水砂基面层、透水混凝土基层、供电装置以及控制模块，供电装置与控制模块电连接，透水砂基面层为包括水泥、纳米炭黑颗粒、树脂以及矿物外掺料组成的复合胶凝材料层，透水砂基面层设置在透水混凝土基层上，透水砂基面层内嵌设有若干短切碳纤维和碳纤维导电网，若干短切碳纤维分布于透水砂基面层内，短切碳纤维和碳纤维导电网导通，控制模块与碳纤维导电网电连接，本发明具有融雪除冰功能，在具备透水性同时不易堵塞，本发明还提出一种制备人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的制备方法，通过本方法制备出的透水路面具有融雪除冰功能，具有透水性同时不易堵塞的优点。

Description

一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面及其制备方法

技术领域

本发明涉及排水领域，特别是涉及一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面及其制备方法。

背景技术

大部分用于人行道路的传统路面材料，其透水能力较差或者根本不具备透水功能，自然降雨、洒水等因素均易导致路面出现大量积水，这给人们出行带来很大的不便，尤其是在气候寒冷的区域，人行道路面的积水还会结冰，给出行带来的不便更加明显，冰雪路面甚至会给人们出行带来严重的安全隐患；由于传统路面材料不具备透水功能，不仅会因地面积水带来出行不便，而且在高温季节，城市地面以下的水分难以蒸发出来，造成“热岛效应”；针对上述问题，出现了小部分路用透水材料例如以透水混凝土为主路面材料，其透水功能的实现是通过混凝土自身大量的宏观孔隙完成的，但这些孔隙极易被腐殖物、淤泥、灰砂等杂质堵住，一旦孔隙被堵则难以疏通，透水功能因此而衰减甚至完全失效。鉴于上述现象可知，能够获得一种不易堵塞的人行道用透水路面材料显得尤为重要；此外，小部分路用透水材料例如以透水混凝土虽然对缓解路面积水和城市热岛效应起到了积极地作用，但是在寒冷地区，地面上的水结冰以后，传统的路用透水材料就失去了应有的功能，路面材料内部孔隙中残留的大量水分的冰冻应力甚至会造成路面结构被破坏，而具有融雪除冰功能的透水路面砂基材料在国内外鲜见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有融雪除冰功能，具备透水性同时不易堵塞的人行道路的人行道路的融雪除冰复合结构透水路面及其制备方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：包括透水砂基面层、透水混凝土基层、供电装置以及控制模块，所述供电装置与所述控制模块电连接，所述透水砂基面层为包括水泥、树脂、纳米炭黑颗粒、以及矿物外掺料组成的复合胶凝材料层，所述透水砂基面层设置在所述透水混凝土基层上，所述透水砂基面层内嵌设有碳纤维导电网和若干短切碳纤维，若干所述短切碳纤维分布于所述透水砂基面层内，相邻的两个所述短切碳纤维之间的距离范围为0～3mm，所述短切碳纤维和所述碳纤维导电网导通，所述控制模块与所述碳纤维导电网电连接。

还包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器和所述湿度传感器均埋置于所述透水砂基面层内部且位于所述碳纤维导电网的上方，所述温度传感器和所述湿度传感器均外均覆设有碳纤维布，所述温度传感器和所述湿度传感器分别连接所述控制模块。

所述碳纤维导电网的数量为两张，两张所述碳纤维导电网上下平行布置于所述透水砂基面层内，两张所述碳纤维导电网的每张所述碳纤维导电网的上均方对应设置两个所述温度传感器和两个所述所述湿度传感器。

所述供电装置包括太阳能供电装置、风能供电装置和市电供电装置，所述供电装置的输出电压为36V。

所述透水砂基面层的数量为多块。

所述碳纤维导电网还电连接有导电铜网，所述导电铜网电连接有电极，所述电极的部分露出于所述透水砂基面层并与所述控制模块电连接。

每块所述透水砂基面层内均设置有两张碳纤维导电网，每张碳纤维导电网均电连接两张导电铜网。

一种制备上述的人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备好模具、石英粉、细砂、纳米炭黑颗粒、碎石、硅酸盐水泥、水、环氧树脂、固化剂、短切碳纤维、散剂溶液、供电装置、控制模块、铜电极、温度传感器以及湿度传感器，其中环氧树脂、硅酸盐水泥、细砂、纳米炭黑颗粒、石英粉和分散剂溶液的质量比为1:0.33:40:1.4:2.32:1.34，碎石、硅酸盐水泥和水的质量比为3:0.8:0.3；

步骤2、先将所述石英粉和所述细砂均匀混合获得细砂混合料，将环氧树脂与固化剂均匀混合获得树脂混合料，将细砂混合料与混合树脂混合料进行混合并搅拌均匀，再加入纳米炭黑颗粒继续搅拌，将纳米炭黑颗粒与上述细砂混合料以及混合树脂混合料混合至均匀，获得凝胶砂料复合物，将若干短切碳纤维加入散剂溶液中并搅拌均匀获得短切碳纤维溶液；

步骤3、将步骤2所获得的凝胶砂料复合物与步骤2所获得的短切碳纤维溶液进行充分混合制成透水砂浆混合料；

步骤4、将碎石、硅酸盐水泥和水制备成新拌混凝土；

步骤5、将步骤3获得的新拌混凝土装入所述模具中，震动模具,获得透水混凝土基层；

步骤6、在所述模具内位于上述透水混凝土基层固的上方位置固定碳纤维导电网、导电铜网和电极，连接碳纤维导电网和导电铜网，连接导电铜网和电极，调节碳纤维导电网、导电铜网和电极在模具内的位置；

步骤7、向步骤5调节完碳纤维导电网、导电铜网和电极后的模具内注入步骤二所获得的透水砂浆混合料，对透水砂浆混合料进行振压，获得透水路面单元；

步骤8、根据选择若干透水路面单元，将控制模块与供电装置进行连接，将控制模块分别与若干透水路面单元上的铜电极、温度传感器以及湿度传感器电连接，获得一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面。

本发明一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面具有如下优点：透水砂基面层设置在透水混凝土基层上，透水砂基面层内嵌设有碳纤维导电网和若干短切碳纤维，若干短切碳纤维密集分布于透水砂基面层内，透水砂基面层为水泥、树脂以及矿物外掺料组成的复合胶凝材料层，透水砂基面层具有的透水性能在分子层面实现，即一般液体可以透过，固体物质不能透过，因此，透水砂基面层具有不易堵塞的特征，即使路面被泥土、沙土或灰尘覆盖，只需用水冲洗即可除去透水砂基面层表面覆盖的垃圾，具有易清洗的特征，短切碳纤维和碳纤维导电网在导电后可以发热，融化位于透水砂基面层上的冰雪；

本发明所选用的供电装置包括太阳能供电装置、风能供电装置和市电供电装置，太阳能供电装置、风能供电装置和市电供电装置分别与控制模块，供电装置的输出电压为36V安全电压，且正常气候条件下可完全由太阳能、风能设备单一工作或共同工作转化成电能作为系统工作电源，即使出极端情况导致太阳能和风能无法正常供电，控制模块会自动切换成市电供电装置供电模式，由此最大限度保障系统正常运行，并节约能源。

本发明提出的一种制备人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的制备方法，通过本方法制备出的一种制备人行道路的融雪除冰复合结构透水路面具有融雪除冰功能，具有透水性同时不易堵塞的优点。

附图说明

图1为本发明一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的连接结构示意图；

图2为本发明一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面中的透水混凝土基层以及省略碳纤维导电网、短切碳纤维、铜制导电网和铜制电极后的透水砂基面层结构示意图；

图3为本发明一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的透水砂基面层的一个视角的纵向剖面结构示意图；

图4为本发明一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的透水砂基面层的另一个视角的纵向剖面结构示意图；

图5为本发明一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的碳纤维导电网、铜制导电网、铜制电极、温度传感器和湿度传感器的俯视结构示意图；

图中：11.透水砂基面层、12.透水混凝土基层、211.碳纤维导电网、212.短切碳纤维、215.铜制导电网、216.铜制电极、22.导线、23.温度传感器、24.湿度传感器、25.供电装置、26.电源控制模块、27.传感器分析模块、28.传感器控制模块。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

本实施例提供的一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，包括透水砂基面层11、透水混凝土基层12、供电装置25、控制模块、温度传感器23和湿度传感器，所述控制模块与透水砂基面层11电连接。

透水砂基面11为包括水泥、树脂、纳米炭黑颗粒、以及矿物外掺料组成的复合胶凝材料层，所述纳米炭黑颗粒为在市面上直接购买的现有的纳米级别的碳黑颗粒也被称为纳米碳黑，较佳的，透水砂基面11具有多块，可以根据实际工程情况选择一定数量的透水砂基面层11进行连接，在本实施方式中，如图1所示，透水砂基面层11的数量为3块，图中透水砂基面层11和所述控制模块通过导线22连接，所述控制模块和所述供电装置电连接，所述控制模块主要用于对透水铺装材料内部设置的电器元件及电路进行调控，如稳压、供电、温湿度信号输出等，具体的，所述控制模块包括电源控制模块26、传感器分析模块27和传感器控制模块28，所述供电装置包括风力发电设备、太阳能发电设备以及市电供电设备，风力发电设备、太阳能发电设备以及市电供电设备分别与电源控制模块26电连接，风力发电设备、太阳能发电设备以及市电供电设备可以根据实际工作情况共同工作或者单一工作，其工作状态由电源控制模块26进行手动切换或者自动切换，传感器分析模块27可将透水砂基面11内部埋置的温度传感器23和湿度传感器的监测数据进行收集、记录和显示传感器控制模块28主要是用于对传感器的相关临界参数进行预先设置，当传感器检测到的数据超出预设的相关临界参数范围时，传感器会将数据信号发送给传感器控制模块28和电源控制模块26，并且传感器控制模块28上设置有闪烁信号灯和音频播报设备，传感器控制模块28会通过灯光闪烁以及播放声音形式进行报警。

如图2所示，透水砂基面层11设置在透水混凝土基层12上，本发明的透水砂基面层11和透水混凝土基层12为本发明的职能透水部分，此外，透水砂基面层11主要作为人行道路面材料使用，透水混凝土基层12主要作为下部基层材料承受来自透水砂基面层11的各种外力，透水混凝土基层12即可直接购买市售成品使用，也可在制备透水砂基面层11的同时现场浇制。

透水砂基面层11的结构如图3-5所示，透水砂基面层11内嵌设有碳纤维导电网211、若干短切碳纤维212，碳纤维导电网211沿水平方向水平嵌设在透水砂基面层11内，短切碳纤维212由长条导电炭纤维切段制成，较佳的，在本实施方式中所选用的短切碳纤维212尺寸为单丝直径7μm，长度5mm，若干短切碳纤维212密集分布于透水砂基面层11内，具体的，相邻的两个短切碳纤维212的间距范围值为0～3mm，短切碳纤维212和碳纤维导电网211相接触形成相互搭接的相导通，具体的部分短切碳纤维212直接相互搭接形成点接触，少量短切碳纤维212之间虽然不能直接接触，但利用切碳纤维212之间的水泥-树脂复合胶凝材料、透水砂基面层11中分散的上述纳米炭黑颗粒以及透水砂基面层11中微量的孔隙水作为导电介质将没有直接接触的短切碳纤维212连接起来，最终使得分散在透水砂基面层11中的短切碳纤维之间形成乱向分布的导电网络，当连接到碳纤维导电网211的电极上施加电压后，碳纤维导电网211因形成导电回路而出现轻微的发热现象，较佳的，碳纤维导电网211的数量为两张，两张碳纤维导电网211上下平行布置于透水砂基面层11上，两张碳纤维导电网211中位于上方的一张碳纤维导电网211的上方对应设置两个温度传感器23和两个所述湿度传感器，碳纤维导电网211的宽度方向两侧各电连接有一张铜制导电网215，两张铜制导电网215在透水砂基面层11内部且与碳纤维导电网211多点接触从而与碳纤维导电网211形成良好的导电连接，两张铜制导电网215外端靠近透水砂基面层11外侧的位置各对应设置有一个铜制电极216，且铜制电极216部分位于透水砂基面层11内，部分露出于透水砂基面层11外部，铜制电极216露出于透水砂基面层11的部分用于与其他透水砂基面层11上的铜制电极216或者电器元件实现电路连接，两张碳纤维导电网211不仅能够实现更快的加热，两张碳纤维导电网211上下平行嵌设在透水砂基面层11内的结构设计还可以起到增强透水砂基面层11的结构稳定性和力学性能起的作用，每层碳纤维导电网211上分别设置两个温度传感器23和两个湿度传感器24的设计可以采集碳纤维导电网211上不同位置的温度以及湿度参数从而采集更准确的数据。

本发明在工作时，首先，在通电条件下透水砂基面11内的碳纤维导电网211产生电热作用使得透水砂基面11的温度升高至水体的冰点以上，从而将附着于路面材料面层的冰雪融化；其次，利用透水砂基面11的透水性能将融化以后的雪水渗入路面下层的导流系统，从而避免低温环境下人行道路面结冰或存集大量冰水，提高人行道的路用舒适性，减少道路交通安全事故的发生。

本实施例还提供了上述一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备好模具、石英粉、细砂、纳米碳黑颗粒、碎石、硅酸盐水泥、水、环氧树脂、固化剂、短切碳纤维、散剂溶液、供电装置、控制模块、铜电极、温度传感器以及湿度传感器，其中上述模具根据需要进行制作，环氧树脂、硅酸盐水泥、细砂、纳米碳黑颗粒、石英粉和分散剂溶液的质量比为1:0.33:40:1.4:2.32:1.34，碎石、硅酸盐水泥和水的质量比为3:0.8:0.3，较佳的，上述温度传感器以及上述湿度传感器外均包裹有碳纤维布；

步骤2、先将石英粉和细砂均匀混合获得细砂混合料，将环氧树脂与固化剂均匀混合获得树脂混合料，将细砂混合料与混合树脂混合料进行混合并搅拌均匀，将混合好的树脂混合料匀速加入上述细砂混合料中使用搅拌机搅拌均匀，上述搅拌机转速为60转/分钟，搅拌时间3分钟，再加入纳米炭黑颗粒继续搅拌，将纳米炭黑颗粒与上述细砂混合料以及混合树脂混合料混合至均匀，加入纳米炭黑颗粒继续搅拌时搅拌机转速为60转/分钟，搅拌时间3分钟，获得凝胶砂料复合物，将若干短切碳纤维加入散剂溶液中并搅拌均匀直至若干短切碳纤维在散剂溶液中没有明显结团即获得短切碳纤维溶液；

步骤3、将步骤2所获得的凝胶砂料复合物与步骤2所获得的短切碳纤维溶液进行充分混合，制成透水砂浆混合料；

步骤4、将碎石、硅酸盐水泥和水制备成新拌混凝土；

步骤5、将步骤3获得的新拌混凝土装入模具中，使用振动机械对模具进行高频低幅的机械震动10S,机械震动参数为频率60次/秒，振幅5mm,获得透水混凝土基层，混凝土基层的厚度根据实际需要进行选择；

步骤6、在模具内位于上述透水混凝土基层固的上方位置固定碳纤维导电网、导电铜网、电极、温度传感器和湿度传感器，将碳纤维导电网和导电铜网相互连接，将连接导电铜网和电极相互连接，调节碳纤维导电网、导电铜网和电极在模具内的位置，具体的，碳纤维导电网的数量为两张，两张碳纤维导电网一上一下平行设置，两张碳纤维导电网均与透水混凝土基层的上表面相平行，在两张碳纤维导电网中位于上方的一层的上方对应放置温度传感器以及湿度传感器；

步骤7、向步骤6调节完碳纤维导电网位置、导电铜网位置和电极位置后的模具内注入步骤二所获得的透水砂浆混合料，然后对透水砂浆混合料频率80次/秒、振幅5mm的震压，震压时间45s后脱模养护，获得透水路面单元；

步骤8、根据实际情况选择合适数量的透水路面单元，例如选择刚好足以覆盖所需面积的数量的透水路面单元，利用导线将控制模块与供电装置进行连接，利用导线将控制模块分别与透水路面单元上的铜电极、温度传感器以及湿度传感器电连接，获得一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面。

较佳的，在上述步骤6中，也可先注入部分步骤二所获得的透水砂浆混合料，上述部分透水砂浆混合料形成透水砂浆底层，在透水砂浆底层上放置预带有导电铜网215的碳纤维导电网211，并按图5的设置方式在已设置的碳纤维导电网211上设置温度传感器和湿度传感器，将铜电极放置于透水砂浆底层外；然后继续往模具内添加部分剩下的透水砂浆混合料形成透水砂浆中层，在透水砂浆中层上放置带有导电铜网215的第二层碳纤维导电网211，然后在第二层碳纤维导电网上面以如图5所示的方式放置温度传感器和湿度传感器，并将温度传感器和湿度传感器的导线延伸至透水砂浆中层外，最后再在该层材料上继续往模具内添加剩下的透水砂浆混合料直至装满整个模具。

较佳的上述温度传感器以及上述湿度传感器外均包裹有碳纤维布。

上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (8)

1.一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：包括透水砂基面层、透水混凝土基层、供电装置以及控制模块，所述供电装置与所述控制模块电连接，所述透水砂基面层为包括水泥、树脂、纳米炭黑颗粒、以及矿物外掺料组成的复合胶凝材料层，所述透水砂基面层设置在所述透水混凝土基层上，所述透水砂基面层内嵌设有碳纤维导电网和若干短切碳纤维，若干所述短切碳纤维分布于所述透水砂基面层内，相邻的两个所述短切碳纤维之间的距离范围为0～3mm，所述短切碳纤维和所述碳纤维导电网导通，所述控制模块与所述碳纤维导电网电连接。

2.如权利要求1所述的一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：还包括温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器和所述湿度传感器均埋置于所述透水砂基面层内部且位于所述碳纤维导电网的上方，所述温度传感器和所述湿度传感器均外均覆设有碳纤维布，所述温度传感器和所述湿度传感器分别连接所述控制模块。

3.如权利要求2所述的一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：所述碳纤维导电网的数量为两张，两张所述碳纤维导电网上下平行布置于所述透水砂基面层内，两张所述碳纤维导电网的每张所述碳纤维导电网的上均方对应设置两个所述温度传感器和两个所述所述湿度传感器。

4.如权利要求1所述的一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：所述供电装置包括太阳能供电装置、风能供电装置和市电供电装置，所述供电装置的输出电压为36V。

5.如权利要求1所述的一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：所述透水砂基面层的数量为多块。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：所述碳纤维导电网还电连接有导电铜网，所述导电铜网电连接有电极，所述电极的部分露出于所述透水砂基面层并与所述控制模块电连接。

7.如权利要求6所述的一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面，其特征在于：每块所述透水砂基面层内均设置有两张碳纤维导电网，每张碳纤维导电网均电连接两张导电铜网。

8.一种制备如权利要7所述的人行道路的融雪除冰复合结构透水路面的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备好模具、石英粉、细砂、纳米炭黑颗粒、碎石、硅酸盐水泥、水、环氧树脂、固化剂、短切碳纤维、散剂溶液、供电装置、控制模块、铜电极、温度传感器以及湿度传感器，其中环氧树脂、硅酸盐水泥、细砂、纳米炭黑颗粒、石英粉和分散剂溶液的质量比为1:0.33:40:1.4:2.32:1.34，碎石、硅酸盐水泥和水的质量比为3:0.8:0.3；

步骤2、先将所述石英粉和所述细砂均匀混合获得细砂混合料，将环氧树脂与固化剂均匀混合获得树脂混合料，将细砂混合料与混合树脂混合料进行混合并搅拌均匀，再加入纳米炭黑颗粒继续搅拌，将纳米炭黑颗粒与上述细砂混合料以及混合树脂混合料混合至均匀，获得凝胶砂料复合物，将若干短切碳纤维加入散剂溶液中并搅拌均匀获得短切碳纤维溶液；

步骤3、将步骤2所获得的凝胶砂料复合物与步骤2所获得的短切碳纤维溶液进行充分混合制成透水砂浆混合料；

步骤4、将碎石、硅酸盐水泥和水制备成新拌混凝土；

步骤5、将步骤3获得的新拌混凝土装入所述模具中，震动模具,获得透水混凝土基层；

步骤6、在所述模具内位于上述透水混凝土基层固的上方位置固定碳纤维导电网、导电铜网和电极，连接碳纤维导电网和导电铜网，连接导电铜网和电极，调节碳纤维导电网、导电铜网和电极在模具内的位置；

步骤7、向步骤5调节完碳纤维导电网、导电铜网和电极后的模具内注入步骤二所获得的透水砂浆混合料，对透水砂浆混合料进行振压，获得透水路面单元；

步骤8、根据选择若干透水路面单元，将控制模块与供电装置进行连接，将控制模块分别与若干透水路面单元上的铜电极、温度传感器以及湿度传感器电连接，获得一种人行道路的融雪除冰复合结构透水路面。