王朝輝，王海梁，李彥偉,2,3，劉志勝，封棟杰

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.石家莊交通運(yùn)輸局，河北 石家莊 050051)

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壓電材料與路面材料一體化發(fā)電路面技術(shù)研究

王朝輝1，王海梁1，李彥偉1,2,3，劉志勝1，封棟杰1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.石家莊交通運(yùn)輸局，河北 石家莊 050051)

為探索基于壓電材料與路面材料一體化的發(fā)電路面，優(yōu)選性能良好壓電材料制備壓電發(fā)電瀝青混凝土并檢驗(yàn)其路用性能，同時(shí)依據(jù)電極布設(shè)方式設(shè)計(jì)了d31，d33型兩種壓電瀝青混凝土發(fā)電路面結(jié)構(gòu)，通過對(duì)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，確定了壓電材料與路面材料一體化發(fā)電路面較為合理的處置方法。結(jié)果表明：壓電材料在瀝青混凝土中可較好發(fā)揮壓電性能，且壓電發(fā)電瀝青混凝土的路用性能滿足規(guī)范要求；d31，d33型兩種發(fā)電路面結(jié)構(gòu)可較好實(shí)現(xiàn)路面電能收集；3種處置方式下的電能輸出效果逐步提高，絕緣處理可較大程度減小感應(yīng)電場(chǎng)影響，極化處理可有效改善輸出狀況，二者的綜合作用對(duì)壓電發(fā)電瀝青混凝土壓電性能的表征具有重要作用，可作為壓電發(fā)電瀝青混凝土電能測(cè)試的關(guān)鍵處置措施；最后提出未來壓電發(fā)電瀝青混凝土電能輸出研究改進(jìn)建議。

道路工程；發(fā)電路面；能量輸出;壓電瀝青混凝土；壓電材料；能量輸出

0 引言

隨著環(huán)境資源的枯竭，能量的回收再利用得到整個(gè)社會(huì)的重視。近年來我國(guó)公路里程和機(jī)動(dòng)車保有量急速增加，道路在車輛荷載的頻繁作用下內(nèi)部積存了大量的機(jī)械振動(dòng)能量[1]。因此，開發(fā)出一種可將道路內(nèi)部機(jī)械應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電路面得到越來越多人的關(guān)注。壓電材料作為一種在荷載作用下可產(chǎn)生電荷的功能轉(zhuǎn)換型材料，隨著對(duì)其性能和應(yīng)用研究的日趨深入，基于壓電材料壓電效應(yīng)開發(fā)的壓電換能器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械應(yīng)變能到電能的轉(zhuǎn)換[2-4]，但是基于壓電換能器的發(fā)電路面存在對(duì)原路面結(jié)構(gòu)損害大、造價(jià)高、施工復(fù)雜、應(yīng)用推廣困難等缺陷[5-7]，如若開發(fā)出一種壓電材料與路面材料一體化的道路壓電發(fā)電瀝青混凝土，將荷載作用下路面變形產(chǎn)生的機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能，可較好解決壓電元件埋置到路面中時(shí)所引起的諸多危害，具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段涉及導(dǎo)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(dǎo)電性能，兩端接通電源時(shí)，利用電能-熱能的轉(zhuǎn)化作用實(shí)現(xiàn)路面的融雪化冰功能[8]。而針對(duì)壓電發(fā)電瀝青混凝土的研究未見相關(guān)報(bào)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(yōu)選性能良好壓電材料制備壓電發(fā)電瀝青混凝土并檢測(cè)其路用性能，同時(shí)依據(jù)電極布設(shè)方式設(shè)計(jì)了兩種發(fā)電路面結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)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(fā)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(fā)電技術(shù)，為發(fā)電路面新技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 壓電發(fā)電瀝青混凝土原材料及制備

1.1 試驗(yàn)原材料及技術(shù)指標(biāo)

(1)壓電材料

常用壓電材料主要有無機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料和復(fù)合壓電材料，其中無機(jī)壓電材料具有較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn)定性，然而壓電性能相對(duì)微弱；薄膜狀有機(jī)壓電材料具有低疲勞、大應(yīng)變等優(yōu)點(diǎn)，但壓電系數(shù)小、耐溫變性能差且在路面石料棱角作用下易發(fā)生形狀破壞；復(fù)合壓電材料種類少與價(jià)格昂貴的特點(diǎn)不適用于道路工程領(lǐng)域[9-11]。因此選擇具有自發(fā)極化作用的無機(jī)壓電晶體材料Tourmaline粉、Tourmaline負(fù)離子粉及壓電電荷常數(shù)較高的無機(jī)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A，B和C代指上述3種材料，其中壓電材料A，B是兩種原生礦物，具有壓電、熱電效應(yīng)以及自發(fā)極化效應(yīng)，在應(yīng)力作用下晶體內(nèi)部正負(fù)極性中心不重合從而產(chǎn)生電荷，是較為理想的發(fā)電路面壓電材料。而壓電材料被應(yīng)用于瀝青混凝土?xí)r，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(huì)產(chǎn)生一定的變化。

為評(píng)價(jià)壓電材料壓電性能及應(yīng)用于瀝青混凝土?xí)r的電性能發(fā)揮情況，本文參照電子陶瓷相關(guān)規(guī)范制作壓電礦物粉體性能檢測(cè)試件，同時(shí)按照以下步驟制備得到壓電礦物/瀝青復(fù)合材料性能檢測(cè)試件：按照壓電材料和瀝青質(zhì)量比1∶4稱取相應(yīng)材料，于160 ℃下混合攪拌20 min，將高溫下處于流淌狀態(tài)的均勻混合物灌入涂有隔離劑的試模，借助MTS壓力系統(tǒng)施加10 MPa荷載保持5 min，繼而冷卻、脫模、粘貼電極，并按照極化溫度50 ℃、極化電壓3 kV/mm、極化時(shí)間10 min的條件進(jìn)行極化處理，制備得到尺寸為φ16 mm×1.5 mm的復(fù)合材料測(cè)試試件。采用ZJ-3A型準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試儀進(jìn)行壓電常數(shù)測(cè)試，采用HP4294A精密阻抗分析儀在頻率1 kHz下測(cè)量樣品介電電容和介質(zhì)損耗，測(cè)量溫度范圍為室溫至180 ℃，升溫速率為5 ℃/min，計(jì)算得到樣品的介電常數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 壓電材料主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of piezoelectric material

測(cè)試結(jié)果表明壓電材料A，B和C在常規(guī)狀態(tài)下壓電性能優(yōu)異，且壓電礦物/瀝青復(fù)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(fā)揮壓電性能，能夠用于壓電發(fā)電瀝青混凝土的制備。

(2)導(dǎo)電材料

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

(3)瀝青及集料

文中試驗(yàn)所用瀝青為SBS I-D型改性瀝青，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中規(guī)定的質(zhì)量要求；所用粗集料為優(yōu)質(zhì)玄武巖，細(xì)集料為機(jī)制砂，礦粉為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉，集料與礦粉潔凈、干燥、無雜質(zhì)，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明集料與礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ D50—2006)和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的相關(guān)規(guī)定。限于文章篇幅要求，瀝青及集料等各項(xiàng)指標(biāo)具體檢測(cè)結(jié)果在文中不予詳述。

1.2 壓電發(fā)電瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)

在進(jìn)行壓電發(fā)電瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性、耐疲勞性能等各方面影響因素，本文參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，采用AC-13級(jí)配類型作為研究基體，級(jí)配組成見表2。

表2 AC-13級(jí)配組成Tab.2 Gradation of AC-13

按照上述級(jí)配，依據(jù)我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定，通過馬歇爾試驗(yàn)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?yàn)椋菏芏容^小且體積易膨脹，吸油性極強(qiáng)導(dǎo)致混凝土有效瀝青量不足。所以采用馬歇爾試驗(yàn)法重新確定壓電發(fā)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(zhì)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(zhì)量摻入時(shí)易改變混合料體積分?jǐn)?shù)，因此確定石墨摻入體積分?jǐn)?shù)為礦粉體積比例的30%。

1.3 壓電發(fā)電瀝青混凝土制備

壓電發(fā)電瀝青混凝土的制備采用瀝青混凝土濕拌工藝，將基礎(chǔ)瀝青加熱到155～160 ℃后導(dǎo)入瀝青改性設(shè)備中并加入壓電材料粉，以4 000～5 000 r/min剪切速度剪切20～30 min，制備得到基礎(chǔ)瀝青和壓電材料的混合物；將加熱后的集料稱重干拌30 s，噴入基礎(chǔ)瀝青和壓電材料混合物濕拌90 s；按照體積比例稱取定量的導(dǎo)電材料代替礦粉，同礦粉拌和均勻后與基礎(chǔ)瀝青和壓電材料混合物同時(shí)加入到集料中濕拌90 s，制備得到壓電發(fā)電瀝青混凝土。

1.4 壓電發(fā)電瀝青混凝土路用性能檢測(cè)

壓電發(fā)電瀝青混凝土具備壓電功效的同時(shí)路用性能須滿足規(guī)范要求，因此按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求，檢驗(yàn)壓電發(fā)電瀝青混凝土的各項(xiàng)路用性能，以分析壓電材料、導(dǎo)電材料等對(duì)瀝青混凝土路用性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 壓電瀝青混凝土路用性能檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Test result of pavement performance of piezoelectric asphalt concrete

從表3可以看出，3種壓電發(fā)電瀝青混凝土的路用性能與SBS瀝青混凝土相比，高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)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(guān)性能相差不大。

2 壓電發(fā)電瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

依據(jù)壓電材料電荷產(chǎn)生特性，壓電發(fā)電路面的電能產(chǎn)生主要由兩種形式，如圖1所示。圖1(a)顯示為d31型發(fā)電路面能量產(chǎn)生示意圖，當(dāng)壓電模型受到力作用時(shí)，電荷在垂直于受力方向產(chǎn)生并收集；圖1(b)顯示為d33型發(fā)電路面能量產(chǎn)生示意圖，當(dāng)壓電模型受到力作用時(shí)，電荷在平行于受力方向產(chǎn)生并收集。

圖1 壓電發(fā)電路面電能產(chǎn)生示意圖Fig.1 Schematic diagram of power production inpiezoelectric pavement

在行車荷載作用下，有效的收集電能必須根據(jù)電荷的移動(dòng)方向、位置布設(shè)導(dǎo)電電極，基于上述電能產(chǎn)生原理，結(jié)合石墨電極和金屬電極的工作特點(diǎn)，提出兩種發(fā)電路面電極布置方式及能量輸出電路，如圖2所示。當(dāng)采用石墨電極時(shí)，電極橫向間隔連接，發(fā)電路面即為d31型壓電體構(gòu)件，在行車荷載作用下壓電材料內(nèi)部的電荷向石墨電極方向移動(dòng)，并通過導(dǎo)線將其集結(jié)到電能收集器中予以轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，如圖2(a)所示。當(dāng)電極采用金屬網(wǎng)時(shí)，電極網(wǎng)上下分層布設(shè)，發(fā)電路面即為d33型壓電構(gòu)件，在行車荷載作用下壓電材料內(nèi)部的電荷向金屬網(wǎng)方向移動(dòng)，通過導(dǎo)線將其集結(jié)到電能收集器中，如圖2(b)所示。

圖2 壓電發(fā)電路面電極布置及能量輸出電路圖Fig.2 Electrode arrangement and energy output circuit ofpiezoelectric pavement

依據(jù)上述壓電瀝青混凝土發(fā)電路面結(jié)構(gòu)布設(shè)方案，通過改進(jìn)普通瀝青混合料車轍板試件成型方法，制備得到試驗(yàn)測(cè)試用小型發(fā)電路面試件，試件制備步驟如下：根據(jù)電極埋設(shè)深度，加工制作一定厚度尺寸為300 mm×300 mm的剛性墊板，放置于試模內(nèi)，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(nèi)，參照規(guī)范要求進(jìn)行層間處置，沿輪跡分布帶布設(shè)電極，其中石墨材料電極尺寸為φ10 mm×50 mm，金屬網(wǎng)為由磷銅絲加工定制編織而成的120目電極網(wǎng)，繼而鋪筑壓電混凝土，制備得到尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的小型發(fā)電路面測(cè)試試件，制作過程中應(yīng)注意電極不被人為因素破壞或大幅度挪移位置。

3 壓電發(fā)電瀝青混凝土路面能量輸出研究

3.1 壓電發(fā)電瀝青混凝土電性能測(cè)試指標(biāo)與方法

壓電材料產(chǎn)生的壓電能表現(xiàn)出高電壓、低電流的特性，輸出能量數(shù)量級(jí)微小，將其作為電能輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，測(cè)試電路和檢測(cè)儀器的內(nèi)耗易導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生巨大偏差。而電壓檢測(cè)不需外接檢測(cè)電路，能耗較少，所測(cè)開路電壓便可真實(shí)表征壓電發(fā)電瀝青混凝土的壓電性能，故可作為評(píng)判電能輸出特性的主要指標(biāo)。壓電發(fā)電路面在荷載作用下產(chǎn)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(guān)性，因此，所測(cè)輸出電信號(hào)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(cè)的次要指標(biāo)。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20—2011)要求的方法分別成型d31，d33型壓電發(fā)電混凝土試件，通過車轍試驗(yàn)儀膠輪對(duì)其施加0.7 MPa的直接往復(fù)碾壓作用(21次/min，15 Hz)，采用RIGOL示波器測(cè)試其能量輸出狀況。為更精確地進(jìn)行壓電性能測(cè)試，考慮輸出電壓可能較為微小，故采用一定的信號(hào)放大裝置對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大處理，并通過示波器記錄測(cè)試結(jié)果。

3.2 絕緣處理壓電發(fā)電瀝青混凝土壓電性能

在無絕緣狀態(tài)下進(jìn)行電性能檢測(cè)時(shí)，示波器檢測(cè)出較高電壓，頻率為50 Hz左右，連接LED燈珠(工作電壓1.8～2.2 V)沒有產(chǎn)生毀壞、點(diǎn)亮等現(xiàn)象。究其原因，試驗(yàn)設(shè)備為大型用電儀器，易受環(huán)境感應(yīng)電場(chǎng)的影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)假象。因此，改進(jìn)試驗(yàn)條件，在試件四周底部增設(shè)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(cè)d33壓電發(fā)電瀝青混凝土的壓電性能，調(diào)節(jié)信號(hào)放大器進(jìn)行10倍放大觀測(cè)結(jié)果，經(jīng)換算后記錄真實(shí)測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 d33壓電發(fā)電瀝青混凝土測(cè)試電壓Tab.4 Test voltage of d33 piezoelectric asphalt concrete

從表4中可以看出，絕緣處理發(fā)電路面電壓實(shí)測(cè)數(shù)值較小，表明該處理措施能夠有效隔絕車轍儀周圍感應(yīng)電場(chǎng)的影響，使壓電性能得以真實(shí)的表露。發(fā)電路面試件內(nèi)部壓電材料分散，與瀝青以瀝青膠漿的形式存在，在路面結(jié)構(gòu)中起到填充集料孔隙的作用，僅受到拉應(yīng)力或者很小的壓應(yīng)力作用，相關(guān)激勵(lì)微弱導(dǎo)致產(chǎn)生電荷量較少，同時(shí)石墨粉僅能使部分電子流動(dòng)，加之瀝青混凝土內(nèi)阻較大，因此呈現(xiàn)出低電壓現(xiàn)象。另外，壓電輸出頻率在17～20 Hz左右，與民用交流電工頻出現(xiàn)了較大的差距，試驗(yàn)時(shí)已排除各種干擾因素，測(cè)試結(jié)果即為壓電發(fā)電瀝青混凝土電壓頻率，表明絕緣處理下的壓電發(fā)電瀝青混凝土能夠產(chǎn)生電荷。

3.3 壓電纖維瀝青混凝土壓電性能

壓電粉體材料由于所受應(yīng)力、應(yīng)變較小，產(chǎn)生電荷較少。而纖維在瀝青混合料中可形成三維網(wǎng)狀體，在較小的壓應(yīng)力作用下，便可產(chǎn)生較大的應(yīng)變，故壓電材料以纖維狀態(tài)存在時(shí)，更有利于其壓電性能的發(fā)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(xué)特性的輔助材料，基于溶膠-凝膠法制備得到連續(xù)、均勻的壓電纖維。以上文壓電瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)及制備方案為基礎(chǔ)，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(fā)電瀝青混凝土，檢測(cè)混凝土壓電性能結(jié)果如表5所示。

表5 壓電纖維技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Technical indexes of piezoelectric fiber

從表6可以看出，加入壓電纖維材料的d33型壓電發(fā)電瀝青混凝土在荷載作用下的壓電性能可達(dá)到1.5 V，相對(duì)于普通壓電材料壓電發(fā)電瀝青混凝土的壓電效果提高1.4 V，同時(shí)輸出頻率較為紊亂地保持在17.2～20.4 Hz左右，表明該瀝青混凝土具備壓電發(fā)電功能，同時(shí)壓電材料纖維化處置措施能夠一定程度的提高輸出效果。

表6 d33壓電發(fā)電瀝青混凝土測(cè)試電壓Tab.6 Test voltage of d33 piezoelectric asphalt concrete

由3.2和3.3節(jié)研究成果可得，絕緣處理可有效屏蔽外界環(huán)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(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，其原因則為：壓電材料加入到瀝青混凝土中，具有自發(fā)極化或受力極化的粒子單獨(dú)分布在一個(gè)相對(duì)自由的空曠環(huán)境中，每一個(gè)粒子都有獨(dú)自自由的極化方向。壓電材料的粒子產(chǎn)生電荷后，自由極化易使得某些電荷正負(fù)相抵，電能在內(nèi)部消耗而不是順著電極輸出。另外，具有自發(fā)極化能力的壓電材料在瀝青混凝土試件成型后，其自發(fā)極化方向可能與感應(yīng)電壓相反，達(dá)不到電荷的有效移動(dòng)，因此應(yīng)對(duì)壓電發(fā)電混凝土進(jìn)行極化處理。

3.4 極化處理壓電發(fā)電瀝青混凝土壓電性能

極化工藝對(duì)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(yōu)的極化條件，即選擇合適的極化電場(chǎng)強(qiáng)度(E)、極化溫度(T)和極化時(shí)間(t)，各條件之間是相互關(guān)聯(lián)的，如果極化電場(chǎng)弱，則可采用提高溫度和延長(zhǎng)極化時(shí)間來彌補(bǔ)；如果電場(chǎng)較強(qiáng)、溫度較高，則極化時(shí)間可一定程度縮短[12]。由于壓電材料A，B，C具有自發(fā)極化效應(yīng)，壓電發(fā)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(fā)電瀝青混凝土中紊亂的自發(fā)極化方向調(diào)整一致，因此所需能量較少，故選用極化電壓為220 V，極化溫度為50 ℃，為提高極化程度，將其合理延長(zhǎng)極化時(shí)間，將其設(shè)定為6 h。根據(jù)上述方案對(duì)試件進(jìn)行極化處理并檢驗(yàn)其壓電性能，調(diào)節(jié)信號(hào)放大器進(jìn)行10倍放大觀測(cè)結(jié)果，記錄換算后真實(shí)結(jié)果如表7所示。

表7 極化后的壓電性能

Tab.7 Piezoelectric properties after polarization treatment

狀態(tài)空白壓電A纖維BC常態(tài)/V0.00.10.30.2受力/V0.02.42.12.3頻率/Hz0.016.3～19.416.7～19.716.4～18.9

從表7可以看出，加入壓電材料A纖維的壓電發(fā)電瀝青混凝土輸出電壓最高可達(dá)2.4 V，B和C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3～4倍的提升功效，保持在可采集利用的范圍內(nèi)；同時(shí)其輸出頻率較為紊亂的保持在16.3～19.7 Hz范圍內(nèi)，接近路面的固有振動(dòng)頻率15 Hz，與理論分析保持較高的一致性，表現(xiàn)出更為顯著的壓電性能，表明極化處理對(duì)于改善壓電發(fā)電瀝青混凝土電能輸出狀況具備至關(guān)重要的作用，能夠有效提高電能輸出效果。

3.5 壓電發(fā)電瀝青混凝土路面改進(jìn)建議

通過改進(jìn)措施處理的壓電發(fā)電瀝青混凝土壓電性能能夠得以明顯的表征，驗(yàn)證了壓電材料與路面材料一體化發(fā)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(duì)其進(jìn)行收集利用，因此需通過后期研究進(jìn)一步提升電能輸出狀況，建議壓電發(fā)電瀝青混凝土進(jìn)一步研究方向如下：

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

(2)針對(duì)壓電發(fā)電瀝青混凝土電流的隨機(jī)特性，合理布設(shè)電能收集裝置，開發(fā)具備調(diào)波濾波功能的外接測(cè)試電路，高效率地進(jìn)行電能收集。

(3)針對(duì)壓電發(fā)電瀝青混凝土工作特性及施工技術(shù)特點(diǎn)，優(yōu)化極化方法，開發(fā)極化設(shè)備，提高極化程度，屏蔽局部極化對(duì)電荷流向的不利影響。

4 結(jié)論

(1)被瀝青包裹的壓電材料可較好地發(fā)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(fā)電瀝青混凝土路用性能可滿足規(guī)范要求。

(2)依據(jù)不同電能收集模式，開發(fā)設(shè)計(jì)出d31，d33型兩種壓電發(fā)電瀝青混凝土發(fā)電路面結(jié)構(gòu)，從不同方向進(jìn)行路面電能收集。

(3)對(duì)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(yīng)電場(chǎng)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(duì)于改善電能輸出狀況具備至關(guān)重要作用，3種措施綜合處理下的最大輸出電壓可達(dá)2.4 V左右，表明三者的有效結(jié)合對(duì)于壓電發(fā)電瀝青混凝土壓電性能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。

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

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Study on Technology of Power Pavement Based on Integration of Piezoelectric Material and Pavement Material

WANG Chao-hui1, WANG Hai-liang1, LI Yan-wei1,2,3, LIU Zhi-sheng1,FENG Dong-jie1

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shaanxi, 710064 China; 2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804,China;3. Shijiazhuang Transport Bureau, Shijiazhuang Hebei 050051, China)

In order to develop the power pavement based on the integration of piezoelectric material and pavement material, the piezoelectric materials with good performance are optimized to prepare piezoelectric asphalt concrete and test its pavement performance. Based on the layout of electrode, 2 kinds of power pavement structure calledd31andd33are designed at the same time. Through comparatively analyzing the effects of power output under the disposal measures of insulation treatment, fibrosis on piezoelectric materials and polarization treatment, the reasonable treatment method of power pavement integrating piezoelectric materials with pavement materials is determined. The result shows that (1) the piezoelectric properties of piezoelectric materials in asphalt concrete could be fully played，and the pavement performance of piezoelectric asphalt concrete meet specification requirements; (2) 2 kinds of power pavement structure collect power effectively; (3) the effect of power output improves gradually under 3 kinds of disposal measure, insulation treatment could decrease the influence of induced electric field in a greater degree, polarization treatment could improve the output condition of power, the comprehensive effect of them plays an important role in the characterization of piezoelectric property of piezoelectric asphalt concrete, it can be used as a key treatment measure for the electric test measurement of piezoelectric asphalt concrete. At last, the improvement advice on the study of power output of piezoelectric asphalt concretes in the future is put forward.

road engineering; piezoelectric pavement; power output piezoelectric asphalt concrete; piezoelectric material; power output

2015-06-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208045)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(310821162013)

王朝輝(1980-)，男，河南滑縣人，工學(xué)博士,副教授.(wchh0205@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.003

U414.1

A

1002-0268(2016)11-0014-06