本發(fā)明屬于路面材料領(lǐng)域，涉及隔溫層材料，具體涉及一種用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料、制備方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：瀝青路面具有平整、舒適等優(yōu)點，是目前公路與城市道路路面的主要類型。大約有90％以上的高速公路均采用瀝青路面。在瀝青路面中，瀝青含量大約為4～6％(質(zhì)量比)，黑色的瀝青使得路面的顏色整體呈黑灰色，這種深色的瀝青路面在太陽輻射的作用下容易吸熱，一方面易造成路面的車轍病害，影響路面的使用性能與耐久性；另一方面，這種白天吸熱夜間放熱的路面材料也加重了城市熱島效應(yīng)，使得城市溫度比周邊郊區(qū)高2～3℃，從而進一步惡化了城市環(huán)境以及帶來能耗的額外增加。為了緩解瀝青路面的這種吸熱特性帶來的負面效應(yīng)，同時合理的利用路面熱量，通過熱電轉(zhuǎn)換將路面的熱量轉(zhuǎn)化為電能。例如：文獻1(李銳鐸，朱存貞，孫振陽，李小江.瀝青混凝土路面發(fā)電降溫系統(tǒng)室內(nèi)試驗研究[J].河南城建學院學報，2014,23(4)：34-38.)公開了一種瀝青混凝土路面發(fā)電降溫系統(tǒng)，具體公開的溫差發(fā)電系統(tǒng)通過在室內(nèi)采用碘鎢燈照射模擬太陽輻射，并將24塊半導(dǎo)體發(fā)電元件埋入瀝青路面中，構(gòu)建了路面溫差發(fā)電裝置，當溫差發(fā)電片熱端溫度達到60℃時，獲得了約1.4V的電壓。文獻2(胡甫才,朱順敏,汪岸,熊盛光.瀝青路面溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計分析與試驗研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2014,38(4):834-838.)公開了一種瀝青混凝土路面發(fā)電降溫系統(tǒng)，具體公開的溫差發(fā)電系統(tǒng)通過在室內(nèi)采用瀝青混合料試件內(nèi)埋設(shè)鋁片，并在鋁片下方布設(shè)6塊溫差發(fā)電片和散熱片，其構(gòu)建的系統(tǒng)在溫差發(fā)電片冷熱端溫差為20℃時達到約1V的電壓。這種路面溫差發(fā)電系統(tǒng)的基本原理是基于塞貝克(Seebeck)效應(yīng)，通過溫差發(fā)電片冷端與熱端的溫度差產(chǎn)生電壓。總體來看，現(xiàn)有的技術(shù)中通過路面溫差發(fā)電裝置與系統(tǒng)的布設(shè)獲取了一定的電能，但總體轉(zhuǎn)換效率偏低，這其中與路面能量的傳導(dǎo)與收集效率相關(guān)。在城市道路中，瀝青路面通常的厚度為10～15cm，路面在接受太陽輻射后，熱量的傳導(dǎo)路徑從高溫區(qū)向低溫區(qū)，因此會沿著路面的深度方向向下傳遞，從而使得熱量不能聚集在所需要的能量獲取區(qū)域內(nèi)，限制了溫差發(fā)電系統(tǒng)中熱端能量的獲取效率。因此，從路面材料的角度出發(fā)，提升其在溫差發(fā)電系統(tǒng)中熱量供給能力與效率，能夠提高路面的溫差發(fā)電效率，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所關(guān)注的課題之一。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對目前在溫差發(fā)電路面系統(tǒng)中路面熱量傳導(dǎo)的范圍過廣，熱量不能集中于溫差發(fā)電系統(tǒng)的能量收集區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致溫差發(fā)電系統(tǒng)中熱端能量獲取效率偏低，進而影響溫差發(fā)電的效率等問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料、制備方法及應(yīng)用，將隔溫層材料布設(shè)在合理的路面層位，以高效阻隔路表熱量進一步向路面深度范圍內(nèi)的傳導(dǎo)，使路面的熱量集中于溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱量收集區(qū)域內(nèi)，從而提升溫差發(fā)電系統(tǒng)中路面的熱量收集效率，進一步提高路面的溫差發(fā)電效率。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料，該材料包括以下材料制成：基質(zhì)瀝青、輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂、膨脹蛭石顆粒、六鈦酸鉀晶須粉、硅酸鋁纖維和高粘度瀝青改性劑。本發(fā)明還具有如下區(qū)別技術(shù)特征：具體的，以重量份數(shù)計，由以下原料制成：基質(zhì)瀝青為4～7份，輝綠巖集料為35～50份，煅燒鋁礬土顆粒為15～35份，膨脹珍珠巖礦砂為2～3，膨脹蛭石顆粒為5～15份，六鈦酸鉀晶須粉為0.5～1份，硅酸鋁纖維為0.1～0.2份，高粘度瀝青改性劑為0.7～1.2份。優(yōu)選的，以重量份數(shù)計，由以下原料制成：基質(zhì)瀝青為5份，輝綠巖集料為45份，煅燒鋁礬土顆粒為25份，膨脹珍珠巖礦砂為2.5，膨脹蛭石顆粒為7份，六鈦酸鉀晶須粉為0.6份，硅酸鋁纖維為0.15份，高粘度瀝青改性劑為0.9份。一種用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料的制備方法，該方法采用如上所述的用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料的配方，該方法按照以下步驟進行：步驟一，將輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂、膨脹蛭石顆粒放入溫度為185℃的烘箱保溫10～12小時，將六鈦酸鉀晶須粉放入175℃烘箱保溫10-12小時；步驟二，將75％配方用量的基質(zhì)瀝青加熱至175～180℃，拌和時，將達到保溫溫度的輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂和膨脹蛭石倒入拌和鍋中拌和30～40秒；步驟三，往拌和鍋中加入高粘度瀝青改性劑和硅酸鋁纖維并拌和60～80秒，再往拌和鍋中加入25％配方用量的基質(zhì)瀝青并拌和60～80秒，步驟四，最后往拌和鍋中加入六鈦酸鉀晶須粉并拌和60～80秒，制備得到熱拌混合料，即為用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料。如上所述的用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料用于鋪設(shè)溫差發(fā)電路面的隔溫層的應(yīng)用。所述的隔溫層的厚度為4～5cm，所述的隔溫層鋪設(shè)于厚度為2～3cm的路面表面層下方。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果：(Ⅰ)本發(fā)明的隔溫層材料鋪筑于溫差發(fā)電路面的結(jié)構(gòu)層中后，能夠高效阻隔路表熱量進一步向路面深度范圍內(nèi)的傳導(dǎo)，使路面的熱量集中于溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱量收集區(qū)域內(nèi)，有助于提升溫差發(fā)電系統(tǒng)中路面的熱量收集效率和溫差發(fā)電效率。另外：(Ⅱ)本發(fā)明中的材料主要為自然界廣泛存在的礦石材料，成本較低。同時，本發(fā)明的隔溫層材料在路面瀝青混合料的基礎(chǔ)上，摻加了具有較低熱導(dǎo)率且抗壓強度滿足路用性能要求的煅燒鋁礬土顆粒，粒徑范圍為3～10mm。此外，基于材料的粒徑范圍和導(dǎo)熱系數(shù)需求，在本發(fā)明中摻加了膨脹珍珠巖礦砂和膨脹蛭石顆粒，填充了輝綠巖和煅燒鋁礬土等較大顆粒材料所構(gòu)建的骨架結(jié)構(gòu)的間隙，減小路面的空隙率，同時提升隔溫層的隔溫效果。且膨脹蛭石與膨脹珍珠巖礦砂和煅燒鋁礬土等材料相比，質(zhì)量更輕，有助于減小整體隔溫層材料的質(zhì)量，更利于路面受力。(Ⅲ)采用六鈦酸鉀晶須粉作為隔溫層中混合料的填料，六鈦酸鉀晶須粉屬于粉體材料，比表面積較大，在拌和過程中，一方面與瀝青裹覆后，形成瀝青膠漿，有助于提高隔溫層混合料整體的強度和穩(wěn)定性，另一方面，與瀝青形成的膠漿也能夠進一步填充空隙，密實隔溫層材料。同時六鈦酸鉀晶須粉作為低熱導(dǎo)率隔熱材料作為填料有助于進一步降低隔溫層的熱導(dǎo)率。(Ⅳ)采用硅酸鋁纖維一方面用于改善隔溫層材料的抗裂性能，另一方面硅酸鋁纖維也具有熱傳導(dǎo)率低的優(yōu)點，在提升材料性能的同時能夠增強隔溫效果。(Ⅴ)本發(fā)明的隔溫層在混合料中摻加了高粘度瀝青改性劑，用于提升隔溫層各種材料與瀝青的粘結(jié)力，增強隔溫層材料的整體強度。(Ⅵ)隔溫層材料中由于采用了硅酸鋁纖維和高粘度瀝青，整體材料具有良好的較高的強度和良好的路用性能，特別是具有高溫抗車轍能力和較高的抗剪強度。(Ⅶ)本發(fā)明隔溫層材料的應(yīng)用是將其設(shè)置于路面面層2～3cm以下的層位，其上可以鋪筑普通瀝青混合料，例如常見的AC-13或SMA-13，這種層位和結(jié)構(gòu)設(shè)置的主要目的是將太陽輻射的熱量主要集中于瀝青路面表面層2-3cm內(nèi)，進一步阻止和減少路面熱量向下面的結(jié)構(gòu)層中傳遞。這種設(shè)置隔溫層的路面用于溫差發(fā)電路面時，在隔溫層的頂部布設(shè)相應(yīng)的熱量傳導(dǎo)材料將熱量供給給溫差發(fā)電片的熱端，通過隔溫層對熱量傳遞的阻隔，能夠提升溫差發(fā)電片熱端的能量供給效率，從而提升路面的溫差發(fā)電效率。附圖說明圖1為未設(shè)置隔溫層的普通路面與設(shè)置隔溫層材料后路面升溫與發(fā)電效率效果對比。圖2(a)為未設(shè)置隔溫層的混合料試件結(jié)構(gòu)；圖2(b)為設(shè)置隔溫層的混合料試件結(jié)構(gòu)。以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的具體內(nèi)容作進一步詳細解釋說明。具體實施方式下述實施例中，各個原料的規(guī)格要求如下所述：基質(zhì)瀝青為石油瀝青，技術(shù)性能指標符合道路石油瀝青的技術(shù)要求。優(yōu)選的，基質(zhì)瀝青為韓國SK-90瀝青。瀝青的主要技術(shù)指標如表1所示。表1針入度(25℃，0.1mm)延度(15℃，cm)軟化點(℃)102.520046.9輝綠巖集料是指輝綠巖經(jīng)破碎后，粒徑大小、顆粒形狀和強度等指標符合道路集料的技術(shù)要求。粒徑為10～20mm，優(yōu)選的，輝綠巖集料為陜西安康輝綠巖，通過篩分，選取粒徑為10mm-20mm的部分，技術(shù)指標符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004的技術(shù)要求。煅燒鋁礬土顆粒是指鋁礬土經(jīng)煅燒后，Al2O3含量大于48％、而含F(xiàn)e2O3較低的鋁土礦，外觀呈灰白淺黃。粒徑為3～10mm，優(yōu)選的，煅燒鋁礬土顆粒為山西陽泉產(chǎn)煅燒鋁礬土，通過篩分選取粒徑為3mm-10mm的部分，煅燒鋁礬土的主要技術(shù)指標如下：體密度為2.8，吸水率≤3％，氧化鋁含量82％，Al2O3>80％，F(xiàn)e2O3≤2.0％，TiO2≤4.0％，CaO+MgO≤0.5％，K2O+Na2O≤0.5％。膨脹珍珠巖礦砂是由酸性火山玻璃質(zhì)熔巖(珍珠巖)經(jīng)破碎，篩分至一定粒度，再經(jīng)預(yù)熱，瞬間高溫焙燒而制成的一種內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)的白色或淺色的材料。粒徑為0.3～3mm，優(yōu)選的，膨脹珍珠巖礦砂為信陽市平橋區(qū)龍徽珍珠巖廠產(chǎn)，選取粒徑為0.3-3mm部分，其主要化學成分如表2所示。表2含量SiO2Al2O3FeOCaO燒失量指標％72130.30.364.9膨脹蛭石顆粒是蛭石在850～1000℃的溫度經(jīng)煅燒后得到的顆粒材料。粒徑為0～1mm，優(yōu)選的，膨脹蛭石顆粒：河北石家莊產(chǎn)膨脹蛭石，通過篩分選取粒徑為0-1mm部分，導(dǎo)熱系數(shù)為0.047～0.07W/(m·K)，熔點為1370～1400℃。六鈦酸鉀晶須粉是一種尺寸細小，長徑比大(直徑為0.2μm～1.0μm，長10μm～80μm)的粉體材料。優(yōu)選的，六鈦酸鉀晶須粉為山東濰坊產(chǎn)，通過篩分選取粒徑為0～0.15mm部分，其外觀呈白色，主要化學成分為K2O·6TiO2，比表面積為3-10m2/g，軟化點1200℃，燒失量小于0.5％。硅酸鋁纖維是將高嶺土、氧化鋁、硅石按一定比例混合，放入電弧爐或電阻式電爐中于2000℃以上高溫熔融，將熔體以細流出爐，并用高速氣流吹到熔融體上形成的纖維化材料。優(yōu)選的，硅酸鋁纖維為山東淄博產(chǎn)，外觀潔白，絨絮狀，主要技術(shù)指標如表3所示。表3參數(shù)纖維直徑Al2O3Al2O3+SiO2Fe2O3Na2O+K2O指標3-4.5μm46％97％＜1％≤0.5高粘度瀝青改性劑為一種瀝青改性劑，其主要成分為熱塑性橡膠、樹脂和SBR，外觀為2-3mm的淡黃色顆粒，在瀝青混合料拌和時投入主要用于提升瀝青的60℃粘度。優(yōu)選的，高粘度瀝青改性劑為深圳海川SINOTPS，當摻加瀝青質(zhì)量15％的SINOTPS后，瀝青的主要技術(shù)指標如表4所示。表4檢測項目摻加SINOTPS后瀝青指標軟化點(℃)81針入度25℃(0.1mm)51.3延度15℃(cm)＞100薄膜加熱質(zhì)量變化率(％)0.32薄膜加熱針入度殘留率(％)8360℃粘度(Pa·s)87651由輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂、膨脹蛭石顆粒和六鈦酸鉀晶須粉組成的顆粒和粉體材料的級配范圍為：篩孔尺寸19mm，級配范圍為100％；篩孔尺寸16mm，級配范圍為90～100％；篩孔尺寸13.2mm，級配范圍為68～80％；篩孔尺寸9.5mm，級配范圍為50～60；篩孔尺寸4.75mm，級配范圍為25～38；篩孔尺寸2.36mm，級配范圍為20～30；篩孔尺寸1.18mm，級配范圍為15～25；篩孔尺寸0.6mm，級配范圍為10～20；篩孔尺寸0.075mm，級配范圍為2～10。以下給出本發(fā)明的具體實施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護范圍。實施例1：本實施例給出一種用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料，以重量份數(shù)計，由以下原料制成：基質(zhì)瀝青為5份，輝綠巖集料為45份，煅燒鋁礬土顆粒為25份，膨脹珍珠巖礦砂為2.5，膨脹蛭石顆粒為7份，六鈦酸鉀晶須粉為0.6份，硅酸鋁纖維為0.15份，高粘度瀝青改性劑為0.9份。本實施例的用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料的制備方法，按照以下步驟進行：步驟一，將輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂、膨脹蛭石顆粒放入溫度為185℃的烘箱保溫10小時，將六鈦酸鉀晶須粉放入175℃烘箱保溫10小時；步驟二，將75％配方用量的基質(zhì)瀝青加熱至180℃，拌和時，將達到保溫溫度的輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂和膨脹蛭石倒入拌和鍋中拌和40秒；步驟三，往拌和鍋中加入高粘度瀝青改性劑和硅酸鋁纖維并拌和60秒，再往拌和鍋中加入25％配方用量的基質(zhì)瀝青并拌和60秒，步驟四，最后往拌和鍋中加入六鈦酸鉀晶須粉并拌和60秒，制備得到熱拌混合料，即為用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料。實施例2：本實施例給出一種用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料，以重量份數(shù)計，由以下原料制成：基質(zhì)瀝青為4份，輝綠巖集料為35份，煅燒鋁礬土顆粒為15份，膨脹珍珠巖礦砂為2份，膨脹蛭石顆粒為5份，六鈦酸鉀晶須粉為0.5份，硅酸鋁纖維為0.1份，高粘度瀝青改性劑為0.7份。本實施例的用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料的制備方法，按照以下步驟進行：步驟一，將輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂、膨脹蛭石顆粒放入溫度為185℃的烘箱保溫12小時，將六鈦酸鉀晶須粉放入175℃烘箱保溫12小時；步驟二，將75％配方用量的基質(zhì)瀝青加熱至175℃，拌和時，將達到保溫溫度的輝綠巖集料、煅燒鋁礬土顆粒、膨脹珍珠巖礦砂和膨脹蛭石倒入拌和鍋中拌和30秒；步驟三，往拌和鍋中加入高粘度瀝青改性劑和硅酸鋁纖維并拌和80秒，再往拌和鍋中加入25％配方用量的基質(zhì)瀝青并拌和80秒，步驟四，最后往拌和鍋中加入六鈦酸鉀晶須粉并拌和80秒，制備得到熱拌混合料，即為用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料。實施例3：本實施例給出一種用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料，以重量份數(shù)計，由以下原料制成：基質(zhì)瀝青為7份，輝綠巖集料為50份，煅燒鋁礬土顆粒為35份，膨脹珍珠巖礦砂為3份，膨脹蛭石顆粒為15份，六鈦酸鉀晶須粉為1份，硅酸鋁纖維為0.2份，高粘度瀝青改性劑為1.2份。本實施例的用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料的制備方法與實施例1相同。實施例4：本實施例給出一種溫差發(fā)電路面，該溫差發(fā)電路面從下到上依次為下面層、隔溫層和路面表面層；下面層為普通路面的下面層。隔溫層采用實施例1中的用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料鋪設(shè)而成，隔溫層的厚度為4～5cm，以5cm為佳。路面表面層采用普通瀝青混合料，例如常見的AC-13或SMA-13。路面表面層的厚度為2～3cm，以3cm為佳。以實施例1的用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料配方為例，進行性能與功能試驗：試件制備：(1)拌和完成后在溫度為160℃左右將用于溫差發(fā)電路面的隔溫層材料放入瀝青車轍板試模中，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE-20-2011)中輪碾法(T0703)成型車轍板試件，試件為300mm×300mm×50mm的板塊。(2)等試件放置48h冷卻后，再在其上鋪筑一層厚度為3cm的AC-13瀝青混合料。所用的瀝青為SK-90基質(zhì)瀝青，集料為輝綠巖，級配如表5所示?；旌狭习韬团c成型方法均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE-20-2011)中輪碾法(T0703)成型車轍板試件，試件為300mm×300mm×30mm的板塊。至此，設(shè)置隔溫層的路面試件已成型完成，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。表5(3)未設(shè)置隔溫層的路面試件的拌和與成型方法均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE-20-2011)中輪碾法(T0703)成型車轍板試件，首先成型AC-16瀝青混合料，集料為輝綠巖，瀝青為SK-90基質(zhì)瀝青，級配如表6所示?；旌狭习韬团c成型方法均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE-20-2011)中輪碾法(T0703)成型車轍板試件，試件為300mm×300mm×50mm的板塊。表6等試件放置48h冷卻后，再在其上鋪筑一層厚度為3cm的AC-13瀝青混合料。所用的瀝青為SK-90基質(zhì)瀝青，集料為輝綠巖，級配如表5所示?；旌狭习韬团c成型方法均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE-20-2011)中輪碾法(T0703)成型車轍板試件，試件為300mm×300mm×30mm的板塊。至此，未設(shè)置隔溫層的路面試件已成型完成，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。路面升溫試驗：利用上述兩種路面材料試件，按如下方法測定其在相同的輻射條件下的升溫速率。①將兩種路面材料車轍板試件(設(shè)置隔溫層的路面試件和未設(shè)置隔溫層的路面試件)置于500瓦的碘鎢燈下方，調(diào)整碘鎢燈高度距離試件表面40cm。②打開碘鎢燈模擬太陽輻射照射試件表面，使試件升溫，在升溫過程中，采用紅外熱成像儀記錄試件表面的溫度。試驗結(jié)果應(yīng)取3組試件溫度的平均值。紅外熱成像儀器每隔5min時間記錄一次數(shù)據(jù)試件表面溫度，得到兩種試件試驗結(jié)果如圖1所示。由表7可以看出，設(shè)置隔溫層的路面試件，當光照時間為180min時，路表溫度升溫效果達到47℃；而未設(shè)置隔溫層的試件，在光照時間為300min時，路表溫度達到46.2℃，表明設(shè)置隔溫層材料的試件升溫速率較快。此外，設(shè)置了隔溫層材料的試件達到了溫度的穩(wěn)定值為48.2℃左右，而未設(shè)置隔溫層的試件溫度的穩(wěn)定值在46.8℃左右，表明隔溫層材料阻止了熱量向試件深度方向傳遞，從而使路面獲得了更多的熱量。表7時間/min未設(shè)置隔溫層的溫度/℃設(shè)置隔溫層的溫度/℃124.824.83032.735.06036.638.79038.941.512040.843.315042.045.118043.547.021044.248.024045.048.227045.648.230046.248.233046.848.136046.848.2當前第1頁1 2 3