趙亞蘭

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院，西安 710018)

在公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源再生利用與可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)公路建設(shè)亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題.圍繞構(gòu)建綠色交通運(yùn)輸體系，開展節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保等方面新技術(shù)、新材料、新裝備、新能源的研發(fā)與示范應(yīng)用，提高資源集約節(jié)約利用水平，通過技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)綠色公路建設(shè)與發(fā)展.本文針對(duì)環(huán)保型智能化公路路面修筑技術(shù)，介紹了荷蘭的塑料模塊公路、英國(guó)倫敦的智能“鳥街”以及光伏路面，對(duì)環(huán)保型智能化公路路面的技術(shù)現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景進(jìn)行了系統(tǒng)分析與展望，為落實(shí)綠色公路建設(shè)與發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)可再生能源應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展指明了方向.

1 中國(guó)公路建設(shè)資源消耗現(xiàn)狀

為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，近三十年中國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)工程發(fā)展迅速，公路建設(shè)更是突飛猛進(jìn).公路快速發(fā)展為我們的交通運(yùn)輸帶來巨大的便捷，但是另一方面，在公路建設(shè)過程中，公路建設(shè)成本如土地資源、物料、建設(shè)費(fèi)用和環(huán)境保護(hù)費(fèi)用等約占公路建設(shè)總投資的90%.

根據(jù)有關(guān)預(yù)測(cè)和估算，2007—2020年，中國(guó)規(guī)劃建設(shè)二級(jí)以上公路15.5萬(wàn) km，需新增用地170萬(wàn) hm2，其中耕地面積為73萬(wàn) hm2；瀝青路面結(jié)構(gòu)的高速公路每公里瀝青用量達(dá)23 t；每立方米路面基層需消耗約2 t石料和80～160 kg水泥或石灰；公路建設(shè)中土石方爆破、材料加工、材料儲(chǔ)運(yùn)和拌和等也會(huì)造成生態(tài)破壞和環(huán)境污染.因此，在資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化、健康受到威脅的情況下，資源循環(huán)利用、環(huán)境保護(hù)顯得更加緊迫.

基于此，交通運(yùn)輸部制定了2020年以資源節(jié)約型、環(huán)境友好型為公路水利交通發(fā)展的主要指標(biāo)，要求2020年基本建成安全、便捷、高效、綠色的現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系.因此，如何實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化利用和環(huán)境友好也成為目前公路建設(shè)中必須急需解決的重要問題[1-2].

2 塑料模塊公路(Plastic Road)

隨著科技水平的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的公路建造技術(shù)已經(jīng)不能滿足“資源節(jié)約和環(huán)境友好”要求，人們也在不停的尋求創(chuàng)新[3-4].塑料模塊公路就是荷蘭研發(fā)出的一種全新公路建造技術(shù).

2.1 塑料模塊公路

圖1 荷蘭筑路新技術(shù)：塑料模塊公路

塑料模塊公路與傳統(tǒng)公路的不同在于：它的路面結(jié)構(gòu)不需要先鋪水泥穩(wěn)定碎石基層，只需要整平好路基，再用預(yù)先制作完成的一塊塊塑料公路模塊平鋪形成路面.塑料模塊公路鋪設(shè)不僅節(jié)省時(shí)間，而且鋪設(shè)只需一輛車即可完成，不需要大量的人工和施工車輛，同時(shí)使用的材料都是用廢舊塑料加工而成，不僅節(jié)約成本而且更加環(huán)保(見圖1).

2.2 塑料模塊公路性能

塑料模塊公路采用內(nèi)部中空設(shè)計(jì)，既可以預(yù)防公路積水，還可以在中間鋪設(shè)管道、電纜，一舉多得(見圖2).根據(jù)測(cè)試，塑料模塊公路的耐寒和耐熱能力非常強(qiáng)：最低可以承受-40 ℃的嚴(yán)寒，最高可承受80 ℃的高溫；而且可以自由排水，滲透性非常好.

塑料模塊公路的材料是新型聚乙烯塑料，雖然是塑料，但是它的承載能力和強(qiáng)度非常高，能夠輕松承重上百噸不變形，同時(shí)可以將承載力完美地傳遞給地基；其摩擦系數(shù)也符合道路使用要求，使用壽命是瀝青路面的兩倍以上，完全符合高速公路的各種要求；并且在積雪路段，塑料模塊公路還可以通過設(shè)置加熱系統(tǒng)，防止路面產(chǎn)生積雪結(jié)冰.同時(shí)塑料模塊公路路面的清潔工作非常方便，用特制的清潔劑一沖，路面即可恢復(fù)干凈.此外，塑料模塊公路在維修方面也非常簡(jiǎn)單(見圖3a)，因?yàn)樗芰夏K公路的構(gòu)件是模塊化設(shè)計(jì)，維修時(shí)只需將損壞的部件更換下來即可完成，該公路還有很強(qiáng)的抗震能力，比一般公路的壽命要長(zhǎng)2～3倍(見圖3b).

(a) 路面結(jié)構(gòu)：內(nèi)部中空設(shè)計(jì)

(b) 耐寒耐熱，自由排水，滲透性強(qiáng)

(a) 維修養(yǎng)護(hù)：更換部件

(b) 承載力強(qiáng)，抗震性好

2.3 塑料模塊公路發(fā)展及意義

目前塑料模塊公路處于測(cè)試階段，荷蘭該項(xiàng)目的科研攻關(guān)小組計(jì)劃在未來三年之內(nèi)開始安裝首條塑料道路.與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院的新型材料研究院也正在研究用塑料替代瀝青，作為公路的建設(shè)基礎(chǔ)材料，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段.

我們國(guó)家每年產(chǎn)生的廢棄塑料200 億t，要是回收再利用，可以鋪設(shè)上萬(wàn)公里的高速公路，而成本僅僅只是瀝青公路的1/10.如果推廣下去，可以為我國(guó)道路建設(shè)節(jié)省幾千億元的建造成本，還有大量的時(shí)間成本和勞動(dòng)力成本.

3 全球首條智能道路

3.1 全球首條智能道路：“鳥街(Bird Street)”

世界上第一條智能道路就是位于英國(guó)倫敦市中心商業(yè)區(qū)的“鳥街(Bird Street)[5]”，這條道路粗看沒有什么特別，但其構(gòu)造和理念卻完全不同于傳統(tǒng)道路，如圖4所示.當(dāng)行人走在“鳥街”上時(shí)，路面產(chǎn)生的能量能驅(qū)動(dòng)路邊的藍(lán)牙音箱，悅耳的鳥叫聲會(huì)在行人周邊響起，因此這條智能道路稱為“鳥街”.

(a) 聆聽“鳥叫”

(b) “鳥街”全景

3.2 智能道路的原理和性能

世界首條智能道路“鳥街”踩上去的第一感覺是“軟”，但科技就藏在這些上下起伏的地磚之中(見圖5a)，地磚內(nèi)部裝有特殊結(jié)構(gòu)，能通過地磚的垂直運(yùn)動(dòng)，使電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)工作，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能(見圖5b)，因此它能將踏在它身上的每一步，精確轉(zhuǎn)化為5 W的能量.

(a) Pavegen地磚

(b) 能量轉(zhuǎn)換

世界首條智能道路使用的地磚防水防潮，不會(huì)出現(xiàn)漏電情況(見圖6a).目前全世界已有150多個(gè)地方鋪設(shè)了這種地磚，多數(shù)應(yīng)用于公共場(chǎng)合，“鳥街”是其中最著名的鋪設(shè)地(見圖6b).這種地磚在室內(nèi)室外均可鋪設(shè)，一旦全面普及，對(duì)城市環(huán)保和出行的便利性具有重大意義.

(a) 防止漏電

(b) 施工現(xiàn)場(chǎng)

“鳥街”不僅具有發(fā)電功能，而且還具有其他特殊功能.“鳥街”配備有API應(yīng)用程序編程接口，它能傳送實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)把電能輸送到需要的地方，不僅能為周邊的電子設(shè)備充電，甚至能解決電動(dòng)汽車的充電.同時(shí)這些能量還能點(diǎn)亮路燈，減輕城市供電的壓力.除此之外，行人走的每一步還能給自己帶來福利.每個(gè)行人都能下載鳥街的配套APP應(yīng)用程序，用于記錄步數(shù)和發(fā)電量，然后換取周邊商家的折扣獎(jiǎng)勵(lì).如果行人走累了，還可以到街角的“空氣凈化長(zhǎng)椅”上呼吸“清潔空氣”，見圖7，這只長(zhǎng)椅能從椅子后部的開口吸入空氣，除去空氣中的二氧化氮等有害氣體后將其排出，炎炎夏日，坐在長(zhǎng)椅上也能感受涼風(fēng)習(xí)習(xí).

圖7 “鳥街”的空氣凈化長(zhǎng)椅

3.3 智能道路的應(yīng)用前景

鳥街不僅本身智能化、環(huán)保，周邊建筑的粉刷材料也充分體現(xiàn)環(huán)保.粉紅色和薄荷色的水性涂料能吸收空氣的氮氧化物、灰塵和病菌，凈化空氣的能力堪比同面積的樹林.當(dāng)然，世界首條智能街道的意義不在于其本身，而是其中應(yīng)用的諸多科技：電力及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存地磚能在客流高峰期儲(chǔ)存大量的電力，減輕城市和企業(yè)的供電壓力；空氣凈化長(zhǎng)椅和空氣凈化涂料在公共設(shè)施和商業(yè)建筑中推廣應(yīng)用，能有效緩解日益嚴(yán)重的空氣污染問題.未來如果智能道路能廣泛應(yīng)用于城市道路，那我們腳下的道路將成為一個(gè)巨大的發(fā)電廠.

4 光伏路面

4.1 光伏路面

光伏路面是一種新型的具備能源收集與轉(zhuǎn)換功能的路面結(jié)構(gòu)[6]，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，最上面一層是類似毛玻璃的半透明新型材料，摩擦系數(shù)高于傳統(tǒng)瀝青路面，保證輪胎不打滑的同時(shí)，還擁有較高的透光率，可以讓陽(yáng)光穿透它，使下面的太陽(yáng)能電池把光能轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)時(shí)輸送至電網(wǎng)，就好像一個(gè)巨大的充電寶，這種新型路面既能滿足道路上的電能需求，又能保障道路安全.光伏路面是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性很強(qiáng)的技術(shù)探索，旨在將光伏發(fā)電工程與道路工程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)路面承載與發(fā)電的功能融合，進(jìn)而以此為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車路之間能量與信息的交互.

4.2 光伏路面組成和應(yīng)用

光伏路面的工作原理是通過太陽(yáng)能電池和瀝青層上的電氣系統(tǒng)組成的復(fù)合層來實(shí)現(xiàn)能源收集與能源轉(zhuǎn)換的功能，它由3層組成：第一層是一層能夠透過陽(yáng)光的透明多孔的表面層，可以供汽車行駛；第二層由太陽(yáng)能電池、電氣系統(tǒng)、連接部件以及將行車荷載傳遞擴(kuò)散至瀝青層的底座組成；第三層是瀝青基層，上面兩層被合并放置在瀝青基層之上，見圖8.

(a) 光伏路面斷面圖

(b) 光伏路面

全球首段光伏高速公路2017年12月在山東濟(jì)南鋪設(shè)，試驗(yàn)段全長(zhǎng)1 120 m，光伏路面鋪設(shè)長(zhǎng)度1 080 m，鋪設(shè)主行車道和應(yīng)急車道.主行車道寬度3.75 m，其中光伏路面寬3 m，兩側(cè)約束標(biāo)線寬度共0.75 m.應(yīng)急車道寬度3 m，光伏路面占寬2.44 m.光伏路面鋪設(shè)凈總面積為5 875 m2，分布式并網(wǎng)發(fā)電機(jī)容量817.2 kW，年發(fā)電量約100 萬(wàn)kW·h.設(shè)計(jì)荷載采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)BZZ-100，設(shè)計(jì)使用年限參考瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)15年，設(shè)計(jì)承載能力為2 400萬(wàn)次ESAL等效標(biāo)準(zhǔn)軸載.

光伏路面不僅將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電能，而且預(yù)留了信息化端口和電磁感應(yīng)線圈，未來信息化端口可以接入各種信息采集設(shè)備，如車輛信息、擁堵狀況等信息將匯聚成交通大數(shù)據(jù)，成為智慧城市的一部分；未來隨著電動(dòng)汽車無(wú)線技術(shù)的配套，預(yù)留的電磁感應(yīng)圈可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在光伏路面行駛過程中，邊跑邊充電，再也不用擔(dān)心電池不夠用.

4.3 光伏路面應(yīng)用前景

光伏路面作為一種新型道路技術(shù)，不僅是材料及結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了突破，更為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和道路交通全面電氣智能化提供了基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái).

4.3.1 解決輸電難題

我國(guó)傳統(tǒng)光伏產(chǎn)業(yè)在實(shí)際推廣中，嚴(yán)重受到了用地、輸電等方面條件的限制.我國(guó)大量傳統(tǒng)光伏產(chǎn)業(yè)建設(shè)在西部的戈壁、荒漠無(wú)人區(qū)中；而用電量的主要缺口來自東部，光伏電能的輸送問題隨之產(chǎn)生，即使西電東輸工程也不能完全解決.但光伏路面可以解決這個(gè)難題，我國(guó)東部地區(qū)路網(wǎng)稠密，如果將道路面積充分利用，則可使太陽(yáng)能光伏行業(yè)脫離“無(wú)地可用”的尷尬困境.與此同時(shí)，將光伏路面作為能量收集平臺(tái)、電力供給平臺(tái)，可以沿途就地供電，滿足城鎮(zhèn)用電需求，解決了輸電難的問題.以目前開發(fā)的光伏路面進(jìn)行計(jì)算，該產(chǎn)品每平米每年的發(fā)電量可達(dá)239 kW·h.

截至2016年底，我國(guó)公路里程為458萬(wàn)km，即使公路僅兩車道(共321 億m2)鋪設(shè)這種光伏路面，年發(fā)電量就可達(dá)到7.6萬(wàn)億kW·h，是2016年我國(guó)社會(huì)總用電量的1.3倍，年發(fā)電效益7.5萬(wàn)億元；年減排溫室氣體75.8 億t，減排效益2.3萬(wàn)億元，直接效益達(dá)到9.7萬(wàn)億元.

4.3.2 光伏路面的電氣智能化

光伏道路的應(yīng)用前景不僅僅局限于解決發(fā)電和輸電難題，它更大的應(yīng)用前景是光伏道路的電氣智能化——“光伏智能道路”.“光伏智能道路”將會(huì)帶來4個(gè)方面的技術(shù)創(chuàng)新與突破：

(1)交通管理平臺(tái)(見圖9a).光伏智能道路交通管理平臺(tái)系統(tǒng)將改變傳統(tǒng)交通管理模式，交通管理部門能根據(jù)實(shí)時(shí)交通信息和大數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)交通實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化和精細(xì)化管理.例如，可以通過該系統(tǒng)進(jìn)行整個(gè)城市或區(qū)域的車輛網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度；也可以通過更改某條道路或某個(gè)路口的標(biāo)志標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)局部的交通控制.

(2)自動(dòng)駕駛引導(dǎo)(見圖9b).通過接入光伏智能道路信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，道路內(nèi)置的車輛定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)車輛之間以及車路之間的信息交互，達(dá)到真正意義上的車路協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)駕駛引導(dǎo).

(3)電動(dòng)汽車無(wú)線供電(見圖9c).當(dāng)前電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)較為成熟.2013年，世界上首條無(wú)線充電公交車車道便在韓國(guó)建成.2017年5月18日高通已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車速度100 km/h條件下的無(wú)線充電.利用光伏路面的沿線電力供應(yīng)和成熟的無(wú)線充電技術(shù)，使光伏路面成為車輛的非接觸式能量供應(yīng)平臺(tái)，根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別實(shí)現(xiàn)邊行駛邊充電的動(dòng)態(tài)式、半動(dòng)態(tài)式充電以及靜態(tài)充電.這將完美解決電動(dòng)汽車的續(xù)航問題，從而極大地促進(jìn)電動(dòng)汽車的推廣使用.

(4)加熱融冰雪(見圖9d).冬季下雨或者下雪，路面很容易結(jié)冰或積雪，這給汽車行駛帶來極大的安全隱患.當(dāng)前我國(guó)道路管理部門通常采用人工、機(jī)械除雪或者撒布融雪劑的方法，但是這種方法對(duì)道路和環(huán)境會(huì)造成污染，且人工強(qiáng)度較大.采用光伏智能道路，通過路面結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)感知道路結(jié)冰情況，從而能夠自動(dòng)開啟電力加熱系統(tǒng)，及時(shí)除去道路冰雪，保障出行安全.

(a) 交通管理平臺(tái)

(b) 自動(dòng)駕駛引導(dǎo)

(c) 電動(dòng)汽車無(wú)線供電

(d) 加熱融冰雪

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在交通運(yùn)輸大發(fā)展的同時(shí)，交通運(yùn)輸部也制定了2020年以資源節(jié)約型、環(huán)境友好型為公路交通發(fā)展的主要指標(biāo)，目前在資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化、健康受到威脅的情況下，如何實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化利用和環(huán)境友好也成為目前公路建設(shè)中必須急需解決的重要問題.

(2)荷蘭的塑料模塊公路采用內(nèi)部中空的模塊化設(shè)計(jì)，具有長(zhǎng)壽命、抗寒耐熱、便于施工維護(hù)等特點(diǎn)；英國(guó)倫敦的智能“鳥街”能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與貯存，凈化空氣，有效緩解空氣污染問題；光伏路面作為一種新型道路技術(shù)，不僅僅實(shí)現(xiàn)材料及結(jié)構(gòu)上的突破，更會(huì)為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和道路交通全面電氣智能化提供基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，為道路電氣智能化帶來更多可能.

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 王笑京.關(guān)于綠色道路交通系統(tǒng)內(nèi)涵和發(fā)展的討論[J].交通運(yùn)輸部管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2011(1):24-25.

[2] 高志偉.新型溫拌改性瀝青流變性能研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(34):256-259.

[3] VASUDEVAN R,SEKAR A R C,SUNDARAKANNAN B,et al. A technique to dispose waste plastics in an ecofriendly way? Application in construction of flexible pavements[J].Construction and Building Materials,2012,28(1): 311-320.

[4] CHOUDHARY A K,JHA J N,GILL K S,et al. Utilization of fly ash and waste recycled product reinforced with plastic wastes as construction materials in flexible pavement[C]∥Geo-Congress 2014 Technical Papers @ sGeo-characteri zatio n and Modeling or Sustainability. ASCE,2014: 3890-3902.

[5] NEW WEST END COMPANY. Bird Street is an outdoor space ideal for those looking for a place to rest in between shopping and workingt[EB/OL].2017-06[2017-12-10] http:∥Gwww.birdstldn.com/about-us/.

[6] 戴升寶. 全國(guó)首例光伏路面在濟(jì)南建成[N].濟(jì)南日?qǐng)?bào),2017-09-30(05).