本發(fā)明涉及道路工程綠色能源收集利用領(lǐng)域，尤其涉及一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層及其制備方法。
背景技術(shù)：
能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高，世界各國(guó)對(duì)能源的需求與日俱增，而煤炭、石油和天然氣三大石化能源卻日漸枯竭，尋求和開(kāi)發(fā)多來(lái)源、無(wú)污染的替代能源是21世紀(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)，除太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能外，由振動(dòng)、變形等機(jī)械能也具有較高的轉(zhuǎn)化成電能的效率。
瀝青路面在車輛作用下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變、位移和振動(dòng)，這些響應(yīng)會(huì)給路面帶來(lái)應(yīng)變能，并可通過(guò)壓電效應(yīng)回收利用。以色列在2008年研制出了基于壓電轉(zhuǎn)化的路面能量收集系統(tǒng)(Innowattech Piezo Electric Generator)，1條雙車道的道路每公里可收集高達(dá)0.5兆瓦/小時(shí)的電能，可供約600-800戶家庭的用電。該系統(tǒng)的使用壽命為30年，投資回收期在6-12年。瀝青路面壓電能量的收集與轉(zhuǎn)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，涉及路面工程、熱力學(xué)、材料學(xué)、電氣學(xué)多個(gè)學(xué)科，學(xué)科交叉明顯，需要投入大量的人力和物力展開(kāi)持續(xù)研究。然而國(guó)外的路面能量收集與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的技術(shù)處于保密階段，未有任何的技術(shù)資料可供參考。
為使得壓電換能器能夠與瀝青路面協(xié)調(diào)工作，同時(shí)又能夠產(chǎn)生盡可能多的壓電能量，應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域的壓電換能器必須有合適的剛度以及較高的能力轉(zhuǎn)化效率。然而，目前現(xiàn)有壓電換能器仍然存在上述問(wèn)題。因此，迫切需要一種與瀝青路面協(xié)同性好、能量轉(zhuǎn)化效率高的技術(shù)方式。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層及其制備方法，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、耐久高效，制備方法簡(jiǎn)單，可收集更多的電能，應(yīng)用于道路警示標(biāo)志中。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層，其特征在于，包括：瀝青混凝土和設(shè)置于所述瀝青混凝土內(nèi)部的多組堆疊式壓電換能器，所述堆疊式壓電換能器包含堆疊而成的壓電陶瓷片。
作為優(yōu)選地，所述瀝青混凝土包含以下重量百分比的原料組分：集料90-94％，礦粉4-7％，瀝青3-6％。
作為優(yōu)選地，所述堆疊而成的壓電陶瓷片包含5-10片壓電陶瓷片。
作為優(yōu)選地，所述堆疊而成的壓電陶瓷片的外部包裹有封裝層，所述封裝層包含以下重量百分比的原料組分：瀝青70-80％，環(huán)氧樹(shù)脂12-20％，固化劑9-11％。
作為優(yōu)選地，所述壓電陶瓷片之間通過(guò)粘合材料進(jìn)行堆疊，所述粘合材料包含以下重量百分比的原料組分：瀝青70-80％，環(huán)氧樹(shù)脂12-20％，固化劑9-11％。
作為優(yōu)選地，所述壓電陶瓷片為圓形、圓環(huán)形或矩形。
作為優(yōu)選地，所述堆疊式壓電換能器的外部包裹有塑膠。
作為優(yōu)選地，所述堆疊式壓電換能器的外部還包裹有改性瀝青。
一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟1，將壓電陶瓷片依次堆疊，制得堆疊式壓電換能器，備用；
步驟2，將集料加熱至160-170℃，將瀝青加熱至140-150℃，將加熱后的瀝青加入加熱后的集料中，均勻攪拌0.5-1分鐘，再加入礦粉，均勻攪拌0.5-1分鐘，得瀝青混凝土；
步驟3，將所述瀝青混凝土進(jìn)行碾壓成型；
步驟4，在碾壓成型后的瀝青混凝土層上開(kāi)鑿用于埋置堆疊式壓電換能器的凹陷處，并將所述埋置堆疊式壓電換能器埋置于所述凹陷處，填料，碾壓，即得可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
本發(fā)明綜合考慮行車荷載、環(huán)境條件、路面結(jié)構(gòu)和材料特性，提供的一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層，制備方法方便、快捷；本發(fā)明采用堆疊式壓電換能器，將其設(shè)計(jì)在道路行車道輪跡分布帶下，沿道路軸線縱向延伸，可收集更多的電能，可應(yīng)用于道路警示標(biāo)志中，成本低廉，耐久高效，綠色環(huán)保，對(duì)促進(jìn)公路交通建設(shè)領(lǐng)域綠色清潔能源利用、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。
附圖說(shuō)明
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為一種堆疊式壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1、壓電陶瓷片；2、粘合材料；3、封裝層。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，下列實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明提供了一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層，包括：瀝青混凝土和設(shè)置于所述瀝青混凝土內(nèi)部的多組堆疊式壓電換能器，所述堆疊式壓電換能器包含堆疊而成的壓電陶瓷片。
其中，瀝青混凝土包含以下重量百分比的原料組分：集料90-94％，礦料4-7％，瀝青3-6％。堆疊而成的壓電陶瓷片包含5-10片壓電陶瓷片，且其外部包裹有封裝層，所述封裝層包含以下重量百分比的原料組分：瀝青70-77％，環(huán)氧樹(shù)脂11-17％，固化劑6-11％。
參考圖1，堆疊壓電陶瓷片時(shí)，將壓電陶瓷片通過(guò)粘合材料將多片的壓電陶瓷片粘合堆疊，使得壓電陶瓷片之間相互粘合，制得堆疊而成的壓電陶瓷片。其中，粘合材料包含以下重量百分比的原料組分：瀝青70-80％，環(huán)氧樹(shù)脂12-20％，固化劑9-11％。
本發(fā)明還提供了一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層的制備方法，包括以下步驟：
步驟1，將集料加熱至160-170℃，將瀝青加熱至140-150℃，將加熱后的瀝青加入加熱后的集料中，均勻攪拌0.5-1分鐘，再加入礦粉，均勻攪拌0.5-1分鐘，得瀝青混凝土；
步驟2，將所述瀝青混凝土進(jìn)行碾壓成型；
步驟3，在碾壓成型后的瀝青混凝土層上開(kāi)鑿用于埋置堆疊式壓電換能器的凹陷處，并將所述埋置堆疊式壓電換能器埋置于所述凹陷處，即得可收集壓電能量的堆疊式瀝青混凝土。
具體地，通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)施例1
一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層的制備方法，包括以下步驟：
步驟1，將10片圓形的壓電陶瓷片依次堆疊，制得堆疊式壓電換能器，備用；將壓電陶瓷片進(jìn)行堆疊，堆疊過(guò)程中采用的粘合材料包含以下重量百分比的原料組分：瀝青70％，環(huán)氧樹(shù)脂20％，固化劑10％；堆疊而成的壓電陶瓷片的外部均勻包裹一層封裝層，封裝層的厚度為1mm，封裝層包含以下重量百分比的原料組分：瀝青80％，環(huán)氧樹(shù)脂12％，固化劑8％。
步驟2，取90％的集料加熱至160℃，取6％的瀝青加熱至140℃，將加熱后的瀝青加入加熱后的集料中，均勻攪拌0.5分鐘，再加入4％的礦粉，均勻攪拌1分鐘，得瀝青混凝土；
步驟3，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)用馬歇爾擊實(shí)法將瀝青混凝土試件雙面各擊實(shí)10次，或者采用輪碾法成型往返碾壓2個(gè)往返(4次)；
步驟4，在瀝青混凝土上開(kāi)鑿用于埋置堆疊式壓電換能器的凹陷處，在步驟1制備的堆疊式壓電換能器的外層包裹黑膠帶，并在黑膠帶的外部包裹一層改性瀝青，將其埋置于開(kāi)鑿出的凹陷處，填料，再進(jìn)行擊實(shí)或碾壓使其滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，即得。
實(shí)施例2
一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層的制備方法，包括以下步驟：
步驟1，將5片矩形的壓電陶瓷片依次堆疊，制得堆疊式壓電換能器，備用；將壓電陶瓷片進(jìn)行堆疊，堆疊過(guò)程中采用的粘合材料包含以下重量百分比的原料組分：瀝青80％，環(huán)氧樹(shù)脂12％，固化劑8％；堆疊而成的壓電陶瓷片的外部均勻包裹一層封裝層，封裝層的厚度為1mm，封裝層包含以下重量百分比的原料組分：瀝青70％，環(huán)氧樹(shù)脂20％，固化劑10％。
步驟2，取93％的集料加熱至170℃，取4％的瀝青加熱至150℃，將加熱后的瀝青加入加熱后的集料中，均勻攪拌1分鐘，再加入3％的礦粉，均勻攪拌30s，得瀝青混凝土；
步驟3，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)用馬歇爾擊實(shí)法將瀝青混凝土試件雙面各擊實(shí)10次，或者采用輪碾法成型往返碾壓2個(gè)往返(4次)；
步驟4，在瀝青混凝土試件上開(kāi)鑿用于埋置堆疊式壓電換能器的凹陷處，在步驟1制備的堆疊式壓電換能器的外層包裹黑膠帶，并在黑膠帶的外部包裹一層改性瀝青，將其埋置于開(kāi)鑿出凹陷處，填料，再進(jìn)行擊實(shí)或碾壓使其滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，即得。
實(shí)施例3
一種可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層的制備方法，包括以下步驟：
步驟1，將8片圓環(huán)形的壓電陶瓷片依次堆疊，制得堆疊式壓電換能器，備用；將壓電陶瓷片進(jìn)行堆疊，堆疊過(guò)程中采用的粘合材料包含以下重量百分比的原料組分：瀝青75％，環(huán)氧樹(shù)脂16％，固化劑9％；堆疊而成的壓電陶瓷片的外部均勻包裹一層封裝層，封裝層的厚度為1mm，封裝層包含以下重量百分比的原料組分：瀝青75％，環(huán)氧樹(shù)脂16％，固化劑9％；
步驟2，取86％的集料加熱至165℃，取8％的瀝青加熱至145℃，將加熱后的瀝青加入加熱后的集料中，均勻攪拌1分鐘，再加入6％的礦粉，均勻攪拌30s，得瀝青混凝土；
步驟3，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)用馬歇爾擊實(shí)法將瀝青混凝土試件雙面各擊實(shí)10次，或者采用輪碾法成型往返碾壓2個(gè)往返(4次)；
步驟4，在瀝青混凝土試件上開(kāi)鑿用于埋置堆疊式壓電換能器的凹陷處，在步驟1制備的堆疊式壓電換能器的外層包裹黑膠帶，并在黑膠帶的外部包裹一層改性瀝青，將其埋置于開(kāi)鑿出凹陷處，填料，再進(jìn)行擊實(shí)或碾壓使其滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，即得。
上述實(shí)施例1-3中，環(huán)氧樹(shù)脂是分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基團(tuán)的高分子化合物，南通興辰公司生產(chǎn)，固化劑是聚酰胺樹(shù)脂，胺值200±20，分子量600-1100，鎮(zhèn)江丹寶公司生產(chǎn)。固化溫度在20-25℃時(shí)，固化時(shí)間為20-24h。
上述實(shí)施例1-3中，堆疊式壓電換能器中的堆疊而成的壓電陶瓷片包含有正極連接線和負(fù)極連接線，在堆疊過(guò)程中，各壓電陶瓷片相互串聯(lián)連接，并在包裹黑膠帶以及填料時(shí)將正極連接線和負(fù)極連接線引出在瀝青混凝土層的外部。堆疊式壓電換能器在埋置之前包裹改性瀝青的目的是使得壓電換能器與瀝青混凝土之間能夠更好的融合。
上述實(shí)施例中，將多組堆疊式壓電換能器埋置于瀝青混凝土路面時(shí)，多組堆疊式壓電換能器可以均勻地沿行車輪跡帶方向埋置于瀝青混凝土路面層中，多組堆疊式壓電換能器之間可以并聯(lián)連接，也可以串聯(lián)連接。
將上述實(shí)施例1制備的埋置有堆疊式壓電換能器的瀝青混凝土進(jìn)行以下試驗(yàn)，以測(cè)試其收集壓電能量的能力。
實(shí)施例4
本實(shí)施例的條件為：瀝青混凝土的模量不同，標(biāo)準(zhǔn)軸載胎壓產(chǎn)生的電壓不同。
分別采用模量大小不同的瀝青混凝土，參數(shù)分別為1300MPa、1500MPa、1700MPa，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，每個(gè)參數(shù)做三組平行試驗(yàn)，如無(wú)變異取平均值。將由10片壓電片堆疊的圓柱形壓電換能器植入車轍板頂部輪跡帶位置，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)將車轍板試件連同車轍板試模一起置于已達(dá)到試驗(yàn)溫度的恒溫室中，保溫不少于5h，也不得超過(guò)12h，試驗(yàn)溫度可以按照條件要求控制，采用試驗(yàn)溫度60℃±1℃。保溫結(jié)束后，將車轍板試件連同車轍板試模一起置于車轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)輪在車轍板中部，其行走方向須與試件碾壓或行車方向一致，將路用壓電器正負(fù)兩極通過(guò)引出的導(dǎo)線輸出端。啟動(dòng)車轍試驗(yàn)機(jī)，使試驗(yàn)輪往返行走，胎壓0.7MPa的膠輪會(huì)每次碾過(guò)壓電裝置的埋置位置，將輸出端與示波器相連，電壓最大峰值電壓分別為75V、58V、53V。
實(shí)施例5
本實(shí)施例的條件為：瀝青混凝土模量相同，不同軸載胎壓產(chǎn)生電壓不同。
采用模量為1500MPa的瀝青混凝土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。將由10片壓電片堆疊的圓柱形壓電換能器植入車轍板頂部輪跡帶位置，將車轍板試件連同車轍板試模一起置于已達(dá)到試驗(yàn)溫度的恒溫室中，保溫不少于5h，也不得超過(guò)12h，試驗(yàn)溫度可以按照條件要求控制。采用試驗(yàn)溫度60℃±1℃。保溫結(jié)束后，將車轍板試件連同車轍板試模一起置于車轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)輪在車轍板中部，其行走方向須與試件碾壓或行車方向一致，將路用壓電器正負(fù)兩極通過(guò)引出的導(dǎo)線輸出端。啟動(dòng)車轍試驗(yàn)機(jī)，使試驗(yàn)輪往返行走，分別使用胎壓0.7MPa、0.95MPa、1.17MPa(其對(duì)應(yīng)軸載分別為單軸雙輪組100kN、160kN、220kN)的膠輪碾過(guò)壓電裝置的埋置位置，每個(gè)參數(shù)做三組平行試驗(yàn)，如無(wú)變異取平均值。將輸出端與示波器相連，電壓最大峰值電壓分別為58V、72V、89V。
實(shí)施例6
本實(shí)施例的條件為：瀝青混凝土模量相同，不同數(shù)量壓電片堆疊產(chǎn)生電壓不同。
采用模量為1500MPa的瀝青混凝土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。分別將由5片、10片、15片壓電片堆疊的圓柱形壓電換能器植入車轍板頂部輪跡帶位置，每個(gè)參數(shù)做三組平行試驗(yàn)，如無(wú)變異取平均值。將車轍板試件連同車轍板試模一起置于已達(dá)到試驗(yàn)溫度的恒溫室中，保溫不少于5h，也不得超過(guò)12h，試驗(yàn)溫度可以按照條件要求控制。采用試驗(yàn)溫度60℃±1℃。保溫結(jié)束后，將車轍板試件連同車轍板試模一起置于車轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)輪在車轍板中部，其行走方向須與試件碾壓或行車方向一致，將路用壓電器正負(fù)兩極通過(guò)引出的導(dǎo)線輸出端。啟動(dòng)車轍試驗(yàn)機(jī)，使試驗(yàn)輪往返行走，胎壓0.7MPa的膠輪會(huì)每次碾過(guò)壓電裝置的埋置位置，將輸出端與示波器相連，電壓最大峰值電壓分別為37V、58V、68V。
通過(guò)以上實(shí)施例可知，本發(fā)明的可收集壓電能量的瀝青混凝土路面層在保證瀝青混合料路面層路面性能的基礎(chǔ)上，同時(shí)還可收集更多的電能，應(yīng)用于道路警示標(biāo)志中。
雖然，本說(shuō)明書(shū)中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。