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壓電材料與路面材料一體化發電路面技術研究,瀝青網,sinoasphalt.com
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壓電材料與路面材料一體化發電路面技術研究
2019年03月29日    閱讀量:48715    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

引言

       隨著環境資源的枯竭,能量的回收再利用得到整個社會的重視。近年來我國公路里程和機動車保有量急速增加,道路在車輛荷載的頻繁作用下內部積存了大量的機械振動能量。因此,開發出一種可將道路內部機械應變能轉化為電能的發電路面得到越來越多人的關注中國瀝青網sinoasphalt.com。壓電材料作為一種在荷載作用下可產生電荷的功能轉換型材料,隨著對其性能和應用研究的日趨深入,基于壓電材料壓電效應開發的壓電換能器實現了機械應變能到電能的轉換,但是基于壓電換能器的發電路面存在對原路面結構損害大、造價高、施工復雜、應用推廣困難等缺陷,如若開發出一種壓電材料與路面材料一體化的道路壓電發電瀝青混凝土,將荷載作用下路面變形產生的機械能直接轉化為電能,可較好解決壓電元件埋置到路面中時所引起的諸多危害,具有廣闊的應用前景。現階段涉及導電瀝青混凝土的研究較為常見,通過在瀝青混凝土中摻加炭黑、鋼纖維、碳纖維等材料來改善其導電性能,兩端接通電源時,利用電能-熱能的轉化作用實現路面的融雪化冰功能。而針對壓電發電瀝青混凝土的研究未見相關報道,仍處于探索研究階段。

      本文基于壓電材料與路面材料一體化思想,優選性能良好壓電材料制備壓電發電瀝青混凝土并檢測其路用性能,同時依據電極布設方式設計了兩種發電路面結構,通過系統分析絕緣處理、壓電材料纖維化、極化處理3種處置措施下發電路面電能輸出效果,全面探索了壓電材料與路面材料一體化路面發電技術,為發電路面新技術的研究奠定基礎。

壓電發電瀝青混凝土原材料及制備

試驗原材料及技術指標

       壓電材料。常用壓電材料主要有無機壓電材料、有機壓電材料和復合壓電材料,其中無機壓電材料具有較高的機械品質因數和穩定性,然而壓電性能相對微弱;薄膜狀有機壓電材料具有低疲勞、大應變等優點,但壓電系數小、耐溫變性能差且在路面石料棱角作用下易發生形狀破壞;復合壓電材料種類少與價格昂貴的特點不適用于道路工程領域。因此選擇具有自發極化作用的無機壓電晶體材料Tourmaline粉、Tourmaline負離子粉及壓電電荷常數較高的無機壓電陶瓷鋯鈦酸鉛粉用于壓電瀝青混凝土一體化研究,為方便書寫下文分別以ABC代指上述3種材料,其中壓電材料AB是兩種原生礦物,具有壓電、熱電效應以及自發極化效應,在應力作用下晶體內部正負極性中心不重合從而產生電荷,是較為理想的發電路面壓電材料。而壓電材料被應用于瀝青混凝土時,將被瀝青包裹以瀝青膠漿的形式存在于混合物中,壓電性能將會產生一定的變化。

       為評價壓電材料壓電性能及應用于瀝青混凝土時的電性能發揮情況,本文參照電子陶瓷相關規范制作壓電礦物粉體性能檢測試件,同時按照以下步驟制備得到壓電礦物/瀝青復合材料性能檢測試件:按照壓電材料和瀝青質量比14稱取相應材料,于160下混合攪拌20min,將高溫下處于流淌狀態的均勻混合物灌入涂有隔離劑的試模,借助MTS壓力系統施加10MPa荷載保持5min,繼而冷卻、脫模、粘貼電極,并按照極化溫度50、極化電壓3kV/mm、極化時間10min的條件進行極化處理,制備得到尺寸為16mm×1.5mm的復合材料測試試件。采用ZJ3A型準靜態測試儀進行壓電常數測試,采用HP4294A精密阻抗分析儀在頻率1kHz下測量樣品介電電容和介質損耗,測量溫度范圍為室溫至180,升溫速率為5/min,計算得到樣品的介電常數。

       測試結果表明壓電材料ABC在常規狀態下壓電性能優異,且壓電礦物/瀝青復合材料相較純礦物材料壓電性能無明顯降低,表明壓電材料在瀝青中仍可較好地發揮壓電性能,能夠用于壓電發電瀝青混凝土的制備。

      導電材料。普通瀝青混凝土導電性能較差,不利于壓電材料產生電荷的流動,但已有相關研究表明,在瀝青混合料中摻加一定體積分數的石墨材料可有效提高瀝青混合料的導電性能,且其路用性能能夠滿足規范要求,因此選定石墨粉體作為導電材料。導電電極為電荷收集的關鍵一環,應根據道路受力特性選取耐久性較好的結構,考慮施工便利性選擇常見的石墨電極和金屬網電極作為電能收集裝置,電極埋設前通過導電膠在其表面覆蓋粘結一定量導電石墨以提高電極對電荷的收集能力,基于上述材料進行壓電發電瀝青混凝土的制備及能量輸出研究。

       瀝青及集料。文中試驗所用瀝青為SBSID型改性瀝青,試驗檢測結果表明瀝青各項技術指標均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)中規定的質量要求;所用粗集料為優質玄武巖,細集料為機制砂,礦粉為優質石灰巖礦粉,集料與礦粉潔凈、干燥、無雜質,試驗檢測結果表明集料與礦粉各項技術指標均符合《公路瀝青路面設計規范》(JTJD50—2006)和《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40—2004)的相關規定。限于文章篇幅要求,瀝青及集料等各項指標具體檢測結果在文中不予詳述。

壓電發電瀝青混凝土配合比設計

      在進行壓電發電瀝青混凝土配合比設計時,需綜合考慮高溫性能、低溫性能、水穩定性、耐疲勞性能等各方面影響因素,本文參照相關經驗指標,采用AC13級配類型作為研究基體。

      按照上述級配,依據我國《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40—2004)規定,通過馬歇爾試驗確定其最佳瀝青用量為4.9%,但依此最佳瀝青用量拌和加入石墨后,集料表面瀝青量明顯不足。分析原因為:石墨密度較小且體積易膨脹,吸油性極強導致混凝土有效瀝青量不足。所以采用馬歇爾試驗法重新確定壓電發電瀝青混凝土的最佳瀝青用量為5.9%,壓電材料用量為礦粉質量比例的20%,而由于石墨材料密度小于礦粉且體積易膨脹,等質量摻入時易改變混合料體積分數,因此確定石墨摻入體積分數為礦粉體積比例的30%

壓電發電瀝青混凝土制備

       壓電發電瀝青混凝土的制備采用瀝青混凝土濕拌工藝,將基礎瀝青加熱到155160后導入瀝青改性設備中并加入壓電材料粉,以40005000r/min剪切速度剪切2030min,制備得到基礎瀝青和壓電材料的混合物;將加熱后的集料稱重干拌30s,噴入基礎瀝青和壓電材料混合物濕拌90s;按照體積比例稱取定量的導電材料代替礦粉,同礦粉拌和均勻后與基礎瀝青和壓電材料混合物同時加入到集料中濕拌90s,制備得到壓電發電瀝青混凝土。

壓電發電瀝青混凝土路用性能檢測

       壓電發電瀝青混凝土具備壓電功效的同時路用性能須滿足規范要求,因此按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)的要求,檢驗壓電發電瀝青混凝土的各項路用性能,以分析壓電材料、導電材料等對瀝青混凝土路用性能的影響。

      可以看出,3種壓電發電瀝青混凝土的路用性能與SBS瀝青混凝土相比,高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩性能均有小幅度降低,而抗疲勞性能略有提高,但整體相比,各相關性能相差不大。

壓電發電瀝青混凝土路面結構設計與制作

      依據壓電材料電荷產生特性,壓電發電路面的電能產生主要由兩種形式。顯示為d31型發電路面能量產生示意圖,當壓電模型受到力作用時,電荷在垂直于受力方向產生并收集;顯示為d33型發電路面能量產生示意圖,當壓電模型受到力作用時,電荷在平行于受力方向產生并收集。

       在行車荷載作用下,有效的收集電能必須根據電荷的移動方向、位置布設導電電極,基于上述電能產生原理,結合石墨電極和金屬電極的工作特點,提出兩種發電路面電極布置方式及能量輸出電路。當采用石墨電極時,電極橫向間隔連接,發電路面即為d31型壓電體構件,在行車荷載作用下壓電材料內部的電荷向石墨電極方向移動,并通過導線將其集結到電能收集器中予以轉換存儲。當電極采用金屬網時,電極網上下分層布設,發電路面即為d33型壓電構件,在行車荷載作用下壓電材料內部的電荷向金屬網方向移動,通過導線將其集結到電能收集器中。

       依據上述壓電瀝青混凝土發電路面結構布設方案,通過改進普通瀝青混合料車轍板試件成型方法,制備得到試驗測試用小型發電路面試件,試件制備步驟如下:根據電極埋設深度,加工制作一定厚度尺寸為300mm×300mm的剛性墊板,放置于試模內,澆注下層普通瀝青混凝土,成型并取出剛性墊板,將下層普通瀝青混凝土放置于試模內,參照規范要求進行層間處置,沿輪跡分布帶布設電極,其中石墨材料電極尺寸為10mm×50mm,金屬網為由磷銅絲加工定制編織而成的120目電極網,繼而鋪筑壓電混凝土,制備得到尺寸為300mm×300mm×50mm的小型發電路面測試試件,制作過程中應注意電極不被人為因素破壞或大幅度挪移位置。

壓電發電瀝青混凝土路面能量輸出研究

壓電發電瀝青混凝土電性能測試指標與方法

       壓電材料產生的壓電能表現出高電壓、低電流的特性,輸出能量數量級微小,將其作為電能輸出評價指標時,測試電路和檢測儀器的內耗易導致測試結果產生巨大偏差。而電壓檢測不需外接檢測電路,能耗較少,所測開路電壓便可真實表征壓電發電瀝青混凝土的壓電性能,故可作為評判電能輸出特性的主要指標。壓電發電路面在荷載作用下產生的電能為交流電,其頻率與荷載作用頻率具有一定的相關性,因此,所測輸出電信號頻率能夠一定程度反映能量輸出特性,可作為壓電性能觀測的次要指標。

        按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)要求的方法分別成型d31d33型壓電發電混凝土試件,通過車轍試驗儀膠輪對其施加0.7MPa的直接往復碾壓作用(21/min15Hz),采用RIGOL示波器測試其能量輸出狀況。為更精確地進行壓電性能測試,考慮輸出電壓可能較為微小,故采用一定的信號放大裝置對輸出電壓進行放大處理,并通過示波器記錄測試結果。

絕緣處理壓電發電瀝青混凝土壓電性能

      在無絕緣狀態下進行電性能檢測時,示波器檢測出較高電壓,頻率為50Hz左右,連接LED燈珠(工作電壓1.82.2V)沒有產生毀壞、點亮等現象。究其原因,試驗設備為大型用電儀器,易受環境感應電場的影響,導致測試結果出現假象。因此,改進試驗條件,在試件四周底部增設絕緣耐高溫塑膠隔離層,保證試件的絕緣性,采用上述解決方案檢測d33壓電發電瀝青混凝土的壓電性能,調節信號放大器進行10倍放大觀測結果。

       可以看出,絕緣處理發電路面電壓實測數值較小,表明該處理措施能夠有效隔絕車轍儀周圍感應電場的影響,使壓電性能得以真實的表露。發電路面試件內部壓電材料分散,與瀝青以瀝青膠漿的形式存在,在路面結構中起到填充集料孔隙的作用,僅受到拉應力或者很小的壓應力作用,相關激勵微弱導致產生電荷量較少,同時石墨粉僅能使部分電子流動,加之瀝青混凝土內阻較大,因此呈現出低電壓現象。另外,壓電輸出頻率在1720Hz左右,與民用交流電工頻出現了較大的差距,試驗時已排除各種干擾因素,測試結果即為壓電發電瀝青混凝土電壓頻率,表明絕緣處理下的壓電發電瀝青混凝土能夠產生電荷。

壓電纖維瀝青混凝土壓電性能

       壓電粉體材料由于所受應力、應變較小,產生電荷較少。而纖維在瀝青混合料中可形成三維網狀體,在較小的壓應力作用下,便可產生較大的應變,故壓電材料以纖維狀態存在時,更有利于其壓電性能的發揮。

       壓電纖維是以壓電礦物A為基體,通過摻加一定提高力學特性的輔助材料,基于溶膠-凝膠法制備得到連續、均勻的壓電纖維。以上文壓電瀝青混凝土配合比設計及制備方案為基礎,將少量壓電纖維通過外摻投入方式拌和制備得到壓電纖維發電瀝青混凝土。

       可以看出,加入壓電纖維材料的d33型壓電發電瀝青混凝土在荷載作用下的壓電性能可達到1.5V,相對于普通壓電材料壓電發電瀝青混凝土的壓電效果提高1.4V,同時輸出頻率較為紊亂地保持在17.220.4Hz左右,表明該瀝青混凝土具備壓電發電功能,同時壓電材料纖維化處置措施能夠一定程度的提高輸出效果。

       研究成果可得,絕緣處理可有效屏蔽外界環境影響,壓電材料纖維化較普通壓電材料可小幅提升壓電輸出效果,但總體達不到預期目標,其原因則為:壓電材料加入到瀝青混凝土中,具有自發極化或受力極化的粒子單獨分布在一個相對自由的空曠環境中,每一個粒子都有獨自自由的極化方向。壓電材料的粒子產生電荷后,自由極化易使得某些電荷正負相抵,電能在內部消耗而不是順著電極輸出。另外,具有自發極化能力的壓電材料在瀝青混凝土試件成型后,其自發極化方向可能與感應電壓相反,達不到電荷的有效移動,因此應對壓電發電混凝土進行極化處理。

極化處理壓電發電瀝青混凝土壓電性能

      極化工藝對壓電材料壓電性能的表征有著重要的影響作用,合理的極化工藝需采用較優的極化條件,即選擇合適的極化電場強度(E)、極化溫度(T)和極化時間(t),各條件之間是相互關聯的,如果極化電場弱,則可采用提高溫度和延長極化時間來彌補;如果電場較強、溫度較高,則極化時間可一定程度縮短。由于壓電材料ABC具有自發極化效應,壓電發電瀝青混凝土極化與普通壓電材料極化的目的不同,僅需將壓電發電瀝青混凝土中紊亂的自發極化方向調整一致,因此所需能量較少,故選用極化電壓為220V,極化溫度為50,為提高極化程度,將其合理延長極化時間,將其設定為6h。根據上述方案對試件進行極化處理并檢驗其壓電性能,調節信號放大器進行10倍放大觀測結果。

      可以看出,加入壓電材料A纖維的壓電發電瀝青混凝土輸出電壓最高可達2.4VBC兩種壓電材料瀝青混凝土試件壓電性能也有明顯的提升,相較前文所述的處置措施具備34倍的提升功效,保持在可采集利用的范圍內;同時其輸出頻率較為紊亂的保持在16.319.7Hz范圍內,接近路面的固有振動頻率15Hz,與理論分析保持較高的一致性,表現出更為顯著的壓電性能,表明極化處理對于改善壓電發電瀝青混凝土電能輸出狀況具備至關重要的作用,能夠有效提高電能輸出效果。

壓電發電瀝青混凝土路面改進建議

       通過改進措施處理的壓電發電瀝青混凝土壓電性能能夠得以明顯的表征,驗證了壓電材料與路面材料一體化發電路面的工程可行性,通常狀況下輸出電壓越高則更便于對其進行收集利用,因此需通過后期研究進一步提升電能輸出狀況,建議壓電發電瀝青混凝土進一步研究方向如下:

(1)開發導電性能良好的瀝青混凝土,減小混凝土內阻,提高電荷在混凝土中的傳遞效率,增大混凝土的導電性。

(2)針對壓電發電瀝青混凝土電流的隨機特性,合理布設電能收集裝置,開發具備調波濾波功能的外接測試電路,高效率地進行電能收集。

(3)針對壓電發電瀝青混凝土工作特性及施工技術特點,優化極化方法,開發極化設備,提高極化程度,屏蔽局部極化對電荷流向的不利影響。

結論

(1)被瀝青包裹的壓電材料可較好地發揮壓電性能,基于壓電材料與路面材料一體化思想制備得到的壓電發電瀝青混凝土路用性能可滿足規范要求。

(2)依據不同電能收集模式,開發設計出d31d33型兩種壓電發電瀝青混凝土發電路面結構,從不同方向進行路面電能收集。

(3)對比分析絕緣處理、壓電材料纖維化、極化處理3種處置措施下的電能輸出效果,表明絕緣處理可有效減小感應電場影響,壓電材料纖維化可小幅提升電能輸出效果,極化處理對于改善電能輸出狀況具備至關重要作用,3種措施綜合處理下的最大輸出電壓可達2.4V左右,表明三者的有效結合對于壓電發電瀝青混凝土壓電性能的發揮起著至關重要的作用。

(4)針對壓電發電瀝青混凝土能量輸出研究成果,提出增大混凝土導電性、開發電能采集電路、完善極化方法等壓電發電瀝青混凝土進一步研究方向。


標簽:綜合論文技術專利技術中心再生瀝青瀝青混凝土溫拌瀝青彩色瀝青改性瀝青
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