CN114481747A - 一种基于相变调温材料的路面构造及施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于相变调温材料的路面构造及施工方法，属于道路工程技术领域，包括相变储能层，所述相变储能层为含有相变调温材料的沥青层或相变储能装置，所述相变储能层下部有隔热粘结层和基层，上部有面层。该路面构造及施工方法能解决冬季路面结冰与积雪问题，也有效避免传统除冰融雪带来的负面影响。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，更具体地，涉及一种基于相变调温材料的路面构造及施工方法。
背景技术
近年来，对于路面积雪结冰的问题，各国道路交通部门做了大量的研究工作，探索出许多清除道路积雪结冰的方法。这些方法可分为：路面外部除雪技术、路面内部除雪技术。
外部除雪技术包括清除法和融化法，主要有：人工清除法、机械清除法、撒融雪剂法和电缆加热融雪化冰方法等。人工清除法效率低且影响交通，机械清除法设备昂贵且闲置期长。撒融雪剂法是最常见且被广泛应用的方法，世界各国主要通过撤盐实现融冰化雪，然而，撒盐给混凝土路面结构和环境带来了许多负面效应，如会引起钢筋锈蚀、路面剥离破坏和环境污染等问题。世界上不少国家因使用除雪盐造成道路、桥梁的严重破坏，目前正在花费巨额费用进行修复，其经济损失十分巨大。电缆加热融雪化冰方法施工布设较难，而且电缆一旦出现问题，其维护工程量大且费用较高。
内部除雪技术包括热力融冰雪技术和抑制冻结铺装技术，此类方法虽然融化效果较好，但往往会严生大量的融雪液体(水或者融当剂溶液)以融化雪水，这些水进入路面结构时，势必会对高速公路带来各种水危害，并且它还是没有摆脱使用融雪剂所带来的负面效应，并且这种方法的使用消耗能源较大，还会污染环境。
如公开号为CN208055805U，名为一种相变材料结构升降温循环效果的融雪沥青路面结构的专利，包括：融雪装置、面层、防水粘结层，所述融雪装置设置在面层的内部，且融雪装置与面层通过嵌入方式相连接，所述防水粘结层(3)设置在面层的两侧及下方，且排水口设置在防水粘结层与面层的连接处，融雪装置共设置有N处，且融雪装置在面层的内部成矩形阵列状分布，面层内部的融雪装置通过耐高温电缆串联，且每两个融雪装置的接线盒之间通过电性相连接。然后通过电力融雪的存在一些负面影响。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提出一种基于相变调温材料的路面构造及施工方法，解决冬季路面结冰与积雪问题，也有效避免传统除冰融雪带来的负面影响。
本发明采用以下具体的技术方案：
一种基于相变调温材料的路面构造，包括相变储能层，所述相变储能层为含有相变调温材料的沥青层或相变储能装置，所述相变储能层下部有隔热粘结层和基层，上部有面层。
优选的，所述面层为掺入SiO2和/或石墨粉的沥青混凝土层。
优选的，所述面层中SiO2与石墨粉的总占比为5％-10％，使其导热性能更佳。
优选的，所述含有相变调温材料的沥青层中，相变材料占比为10％-20％。
优选的，所述相变储能装置为灌入相变调温材料的热管，所述热管外表面设置螺纹或锯齿，使其能与沥青面层更好的粘结起来。
优选的，所述热管采用铜管或铝管。
优选的，在坡度路面，所述热管在水平面的设置为一根波浪形管。
优选的，在弯道路面，所述热管在水平面的设置为两根波形相对的波浪形管。
优选的，在平坦路面，所述热管在水平面的设置为若干纵横交错的直管等间隔分布。
一种基于相变调温材料的路面构造的施工方法，包括以下步骤：
S1：根据公路沥青路面施工技术规范和施工流程要求，在道路土基层上铺设基层，在基层铺设完成后在其上表面铺设隔热粘结层；
所述隔热粘结层采用的隔热材料的导热系数不大于0.030W/m·k，表面密度不小于25kg/m3，抗压强度不小于280kPa，线性收缩率不大于0.002；
S2：在隔热粘结层上铺设相变储能层，所述相变储能层可为含有相变调温材料的沥青层或灌入相变调温材料的热管；
所述热管采用圆形带肋截面，内径3-5cm，壁厚2-4mm，在热管中灌入相变材料并密封好，组成相变热管，所述热管形状及布置密度依实际需求确定，铺设完成后将热管与下部隔热粘结层锚接在一起；
S3：相变储能层铺设完成之后，在沥青混凝土中掺入5％-10％的SiO2和/或石墨粉作为面层。
本发明的有益效果为：
(1)可及时去除道路、桥梁上的冰雪，大幅减少交通事故的发生，保证行车安全性，实用性好，特别适用于冬季道路出现冰雪的地区，值得推广；
(2)不会有因人工除雪而造成的路面破坏和能源消耗以及环境污染的问题；
(3)相变材料不会有所损耗，更大限度的提高其使用年限；
(4)不会影响面层的路用性能；
(5)施工方便。
附图说明
图1为本发明优选实施例的路面构造纵断面结构示意图；
图2为图1中热管的截面结构示意图；
图3为图1中相变储能层一优选实施例的平面结构示意图；
图4为图1中相变储能层一优选实施例的平面结构示意图；
图5为图1中相变储能层一优选实施例的平面结构示意图；
图6为本发明另一优选实施例的路面构造纵断面结构示意图。
1、面层；2、相变储能层；3、隔热粘结层；4、基层。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可视具体情况理解上述用语在本发明中的具体含义。
相变材料(PCM-Phase Change Material)：是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。本申请中的相变调温材料可为：
十四烷(相变温度2～5℃，相变焓205～218J/g)；月桂酸甲酯(相变温度3～5℃，相变焓150～170J/g)；辛酸-癸酸(相变温度-13～-3℃，相变焓101～112J/g)；结晶水合盐LiClO3·3H2O(相变温度7～10℃，相变焓245～260J/g)；石蜡C14H30(相变温度4～7℃，相变焓220～230J/g)。
实施例1
如图1所示，一种基于相变调温材料的路面构造，从上至下依次包括面层1、相变储能层2、隔热粘结层3和基层4，相变储能层2为含有相变调温材料的沥青层。
在沥青中掺入隔热性能与粘结性能均较好的材料作为隔热粘结层3，其中，隔热材料掺入5％-20％，如氢化丁腈橡胶HNBR、硅橡胶等，在隔热粘结层3之上，将热焓值较高的相变调温材料灌入导热系数较高且强度较高和耐腐蚀性较好的热管(如铜管、铝管等金属材料，能更好的保护热管中的相变材料)中作为相变储能装置，如图2所示，将相变材料集中的放在热管中，避免了相变材料与外界直接接触，使其没有损耗；热管外表面设置螺纹或锯齿，使其能与沥青面层更好的粘结起来；在沥青混凝土中掺入导热系数较高的材料(如SiO2、石墨粉等)作为面层1，面层中掺入10％的SiO2。
工作原理：当外界温度较高时，面层1将热量传到相变储能装置，相变储能装置中的相变材料，将吸收由面层1传下来的热量并储存起来；当外界温度降至相变材料放热临界温度以下时，相变材料开始释放其所储存的热量。从而使路面温度保持在一定温度范围内，达到自动除冰融雪的效果。隔热粘结层3的主要作用是将相变储能层2与基层4较好的粘结起来，同时防止热量传递到基层，对基层4造成破坏。
在坡度较陡的路面，如图3所示，本实施例的热管布置形式为：一根波浪形管，幅度略小于路宽，可更方便地安放热管。
本申请经过试验证明，对于路面或桥面的除冰融雪有较好的效果，能够一定程度上实现道路主动除冰融雪，从而节约大量人力、物力，能有效解决由传统除冰方式所带来的各种问题。
实施例2
如图1所示，一种基于相变调温材料的路面构造，从上至下依次包括面层1、相变储能层2、隔热粘结层3和基层4，相变储能层2为含有相变调温材料的沥青层。
在沥青中掺入隔热性能与粘结性能均较好的材料作为隔热粘结层3，其中，隔热材料掺入5％-20％，如氢化丁腈橡胶HNBR、硅橡胶等，在隔热粘结层3之上，将热焓值较高的相变调温材料灌入导热系数较高且强度较高和耐腐蚀性较好的热管(如铜管、铝管等金属材料，能更好的保护热管中的相变材料)中作为相变储能装置，如图2所示，将相变材料集中的放在热管中，避免了相变材料与外界直接接触，使其没有损耗；热管外表面设置螺纹或锯齿，使其能与沥青面层更好的粘结起来；在沥青混凝土中掺入导热系数较高的材料(如SiO2、石墨粉等)作为面层1，面层中掺入12％的SiO2和石墨粉。
工作原理：当外界温度较高时，面层1将热量传到相变储能装置，相变储能装置中的相变材料，将吸收由面层1传下来的热量并储存起来；当外界温度降至相变材料放热临界温度以下时，相变材料开始释放其所储存的热量。从而使路面温度保持在一定温度范围内，达到自动除冰融雪的效果。隔热粘结层3的主要作用是将相变储能层2与基层4较好的粘结起来，同时防止热量传递到基层，对基层4造成破坏。
在弯度较大的路面，如图4所示，本实施例的热管布置形式为：两根波形相对的波浪形管，每根热管的幅度略小于一半的路宽，能使热量更佳均匀地释放。
本申请经过试验证明，对于路面或桥面的除冰融雪有较好的效果，能够一定程度上实现道路主动除冰融雪，从而节约大量人力、物力，能有效解决由传统除冰方式所带来的各种问题。
实施例3
如图1所示，一种基于相变调温材料的路面构造，从上至下依次包括面层1、相变储能层2、隔热粘结层3和基层4，相变储能层2为含有相变调温材料的沥青层。
在沥青中掺入隔热性能与粘结性能均较好的材料作为隔热粘结层3，隔热粘结层3为掺入5％-25％的隔热材料(如氢化丁腈橡胶HNBR、硅橡胶等)的沥青混凝土，厚度在0.5cm-1cm，在隔热粘结层3之上，将热焓值较高的相变调温材料灌入导热系数较高且强度较高和耐腐蚀性较好的热管(如铜管、铝管等金属材料，能更好的保护热管中的相变材料)中作为相变储能装置，如图2所示，将相变材料集中的放在热管中，避免了相变材料与外界直接接触，使其没有损耗；热管外表面设置螺纹或锯齿，使其能与沥青面层更好的粘结起来；在沥青混凝土中掺入导热系数较高的材料(如SiO2、石墨粉等)作为面层1，面层中掺入的15％SiO2和/或石墨粉。
工作原理：当外界温度较高时，面层1将热量传到相变储能装置，相变储能装置中的相变材料，将吸收由面层1传下来的热量并储存起来；当外界温度降至相变材料放热临界温度以下时，相变材料开始释放其所储存的热量。从而使路面温度保持在一定温度范围内，达到自动除冰融雪的效果。隔热粘结层3的主要作用是将相变储能层2与基层4较好的粘结起来，同时防止热量传递到基层，对基层4造成破坏。
在地质条件较好的平坦路面，如图5所示，本实施例的热管布置形式为：若干纵横交错的直管等间隔分布，形成网格平面，方便施工，放热更均匀。
本申请经过试验证明，对于路面或桥面的除冰融雪有较好的效果，能够一定程度上实现道路主动除冰融雪，从而节约大量人力、物力，能有效解决由传统除冰方式所带来的各种问题。
实施例4
一种基于相变调温材料的路面构造的施工方法，主要针对以上实施例1至实施例3的路面构造，包括以下步骤：
S1：根据公路沥青路面施工技术规范和施工流程要求，在道路土基层上铺设基层4，在基层4铺设完成后在其上表面铺设隔热粘结层3；
隔热粘结层3采用的隔热材料的导热系数不大于0.030W/m·k，表面密度不小于25kg/m3，抗压强度不小于280kPa，线性收缩率不大于0.002；
S2：在隔热粘结层3上铺设灌入相变调温材料的热管；热管为铜或铝制成内径为3公分且带螺纹或锯齿的薄壁圆管，将相变储热材料灌入制作好的铜管或铝管内，并将其密封好，最后检测密封好的热管的气密性，合格后将其安放在路面内；
S3：热管铺设完成之后，在沥青混凝土中掺入5％-10％的SiO2和/或石墨粉作为面层1。
实施例5
如图6所示，一种基于相变调温材料的路面构造，从上至下依次包括面层1、相变储能层2、隔热粘结层3和基层4，相变储能层2为含有相变调温材料的沥青层。
在沥青中掺入隔热性能与粘结性能均较好的材料作为隔热粘结层3，隔热粘结层为掺入5％-20％的隔热材料(如氢化丁腈橡胶HNBR、硅橡胶等)的沥青混凝土，在隔热粘结层3之上，与上述实施例1-3不同的是，将铺设含有相变调温材料的沥青层，相变材料占比为10％-20％；在沥青混凝土中掺入导热系数较高的材料(如SiO2、石墨粉等)作为面层1，面层中掺入5％-10％的SiO2和/或石墨粉。
工作原理：当外界温度较高时，面层1将热量传到相变储能装置，相变储能装置中的相变材料，将吸收由面层1传下来的热量并储存起来；当外界温度降至相变材料放热临界温度以下时，相变材料开始释放其所储存的热量。从而使路面温度保持在一定温度范围内，达到自动除冰融雪的效果。隔热粘结层3的主要作用是将相变储能层2与基层4较好的粘结起来，同时防止热量传递到基层，对基层4造成破坏。
本申请经过试验证明，对于路面或桥面的除冰融雪有较好的效果，能够一定程度上实现道路主动除冰融雪，从而节约大量人力、物力，能有效解决由传统除冰方式所带来的各种问题。
实施例6
一种基于相变调温材料的路面构造的施工方法，主要针对以上实施例5的路面构造，包括以下步骤：
S1：根据公路沥青路面施工技术规范和施工流程要求，在道路土基层上铺设基层4，在基层4铺设完成后在其上表面铺设厚度在0.5cm-1cm的隔热粘结层3；
所述隔热粘结层3采用的隔热材料的导热系数不大于0.030W/m·k，表面密度不小于25kg/m3，抗压强度不小于280kPa，线性收缩率不大于0.002；
S2：隔热粘结层3铺装好后，在沥青混凝土中掺入10％-20％的相变材料作为相变储能层2；
S3：相变储能层2铺设完成之后，在沥青混凝土中掺入5％-10％的SiO2和/或石墨粉作为面层。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，包括相变储能层，所述相变储能层为含有相变调温材料的沥青层或相变储能装置，所述相变储能层下部有隔热粘结层和基层，上部有面层。
2.根据权利要求1所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，所述面层为掺入SiO2和/或石墨粉的沥青混凝土层。
3.根据权利要求2所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，所述面层中SiO2与石墨粉的总占比为5％-10％，使其导热性能更佳。
4.根据权利要求1所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，所述含有相变调温材料的沥青层中，相变材料占比为10％-20％。
5.根据权利要求1所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，所述相变储能装置为灌入相变调温材料的热管，所述热管外表面设置螺纹或锯齿，使其能与沥青面层更好的粘结起来。
6.根据权利要求5所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，所述热管采用铜管或铝管。
7.根据权利要求6所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，在坡度路面，所述热管在水平面的设置为一根波浪形管。
8.根据权利要求6所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，在弯道路面，所述热管在水平面的设置为两根波形相对的波浪形管。
9.根据权利要求6所述的基于相变调温材料的路面构造，其特征在于，在平坦路面，所述热管在水平面的设置为若干纵横交错的直管等间隔分布。
10.根据权利要求1-9任一一项所述的基于相变调温材料的路面构造的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据公路沥青路面施工技术规范和施工流程要求，在道路土基层上铺设基层，在基层铺设完成后在其上表面铺设隔热粘结层；
所述隔热粘结层采用的隔热材料的导热系数不大于0.030W/m·k，表面密度不小于25kg/m3，抗压强度不小于280kPa，线性收缩率不大于0.002；
S2：在隔热粘结层上铺设相变储能层，所述相变储能层可为含有相变调温材料的沥青层或灌入相变调温材料的热管；
所述热管采用圆形带肋截面，内径3-5cm，壁厚2-4mm，在热管中灌入相变材料并密封好，组成相变热管，所述热管形状及布置密度依实际需求确定，铺设完成后将热管与下部隔热粘结层锚接在一起；
S3：相变储能层铺设完成之后，在沥青混凝土中掺入5％-10％的SiO2和/或石墨粉作为面层。
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