一种压电沥青混凝土及其发电路面结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种压电沥青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成：集料83～90份，矿粉4～6份，压电材料2～4份，导电材料1～2份，沥青3～5份，原料份数总和为100份；本发明还提供了两种基于压电沥青混凝土的发电路面结构，该路面结构采用压电沥青混凝土与棒状电极或者金属网电极配合实现电能的收集。本发明的压电沥青混凝土层经济性良好，适合大规模推广应用。
【专利说明】一种压电沥青混凝土及其发电路面结构
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于浙青混凝土领域，具体涉及一种压电浙青混凝土及其发电路面结构。【背景技术】
[0002]随着经济快速发展，我国道路工程建设逐步完善，到2012年底我国公路总里程已达423万公里。从开放交通到寿命总结，路面将承受几十万次甚至几百万次的车辆荷载，路面将在应力的作用下产生一定的应变、位移、一定频率的振动，路面将将从车辆荷载、自身重力的做功中获得非常可观的动能与应变能，若将此产生的动能与应变能转化为电能，将带来巨大的经济与社会效益。
[0003]国内已有部分发电路面，其研究成果主要分为以下三类:2008年，以色列某公司研制出了一套基于压电换能器的路面能量收集系统，其主要是在普通的浙青混凝土路面中埋设了大量的压电晶体，并将这些压电晶体以某种形式链接起来，当汽车通过时，行车荷载带来的机械能就会转化为电能，将这些电能收集利用。2009年，Le Van公开了一种利用交通工具的重量来产生有用功的发电方法和装置，他通过在道路力埋设一些装满液体的可变形体，汽车通过时可引起液体的位置变化所带来的势能转化电能，将其收集利用。近年来，国内一些科研工作者在道路旁边设置电磁线圈，在道路中开挖并预埋设发电电棒，汽车通过时，通过振动或摩擦使发电电棒运动切割电磁线圈的磁感线，从而将部分行车荷载转化为电能，将其进行收集利用。将压电晶体、液体可变形体埋设到路面中，很难保证压电晶体在路面施工时不被破坏，并且不容易被重复利用。上述路面发电是发电元件在发电，而不是浙青路面本身在发电。上述利用切割磁感线的发电路面，在发电电棒布设时，会对路面造成一定程度的破坏，极易引起路面水损害等。因此，在路面发电领域急需解决的技术问题是提供一种不影响路面性能、发电性能较好的发电浙青混凝土，开发一条属于中国的资源节约型道路。
[0004]中国发明专利“一种压电陶瓷-浙青复合压电材料”(公布号:CN103011695A)中公开了一种复合压电材料，这种复合材料突破了现有有机体物质的类型限制，实现利用压电陶瓷浙青复合材料将路面废弃的能量转化为电能。这种复合材料中浙青只占其很小的比例，浙青作为压电材料的粘结材料使用，在道路工程应用中到遇到如下困难:
[0005](A)现有道路工程浙青路面施工的温度在150?180°C，压电陶瓷-浙青复合压电材料在该温度下，由于浙青的软化而变形，其压电效应等性能均会发生不可预测的变化。
[0006](B)压电陶瓷-浙青复合压电材料用于制作压电陶瓷片，压电陶瓷片在道路工程中应用过程中，受行车荷载使路面形变形成的弯沉盆的影响，压电片在行车荷载作用下的形变很小，压电效应难以发挥，其对路面能量的收集效率低。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种压电浙青混凝土，从压电效应产生的机理出发，研发具有压电效应的浙青混凝土，并开发基于压电混凝土的发电路面结构，将其用于道路能量收集系统，为我国环保节能道路的发展奠定基础。
[0008]本发明的另一个目的是解决发电浙青混凝土电能收集问题，提供两种发电路面结构，针对发电浙青混凝土不同的电能产生机理，压电体必须采用不同的电能收集方式，通过压电浙青混凝土结构优化设计，满足发电路面内部能量收集问题。
[0009]为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现:
[0010]一种压电浙青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成:集料83?90份，矿粉4?6份，压电材料2?4份，导电材料1?2份，浙青3?5份，原料份数总和为100份；
[0011]所述的集料采用花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩；
[0012]所述的矿粉采用花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉；
[0013]所述的压电材料采用电气石；
[0014]所述的导电材料采用石墨；
[0015]所述的浙青采用SBS改性浙青、道路石油浙青、PE改性浙青、SBR改性浙青或胶粉改性浙青。
[0016]一种基于压电浙青混凝土的发电路面结构，包括基础浙青混凝土层和基础浙青混凝土层上面的表面浙青混凝土层，在基础浙青混凝土层和表面浙青混凝土层之间设置有压电浙青混凝土层，在压电浙青混凝土层内的两条轮迹分布带上各自嵌入有电流采集端；
[0017]所述的电流采集端包括两条平行导线，两条平行导线之间分布有多个棒状电极，每个棒状电极只与两条平行导线中的一条导线相连，相邻棒状电极交替连接在两条平行导线上；
[0018]电流采集端的两条平行导线与整流电路相连，整流电路通过直流换能器与蓄电池相连；
[0019]所述的压电浙青混凝土层以重量份数计，由以下原料组成:集料83?90份，矿粉4?6份，压电材料2?4份，导电材料1?2份，浙青3?5份，原料份数总和为100份；
[0020]所述的集料采用花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩；
[0021]所述的矿粉采用花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉；
[0022]所述的压电材料采用电气石；
[0023]所述的导电材料采用石墨；
[0024]所述的浙青采用SBS改性浙青、道路石油浙青、PE改性浙青、SBR改性浙青或胶粉改性浙青。
[0025]所述的相邻棒状电极之间的距离为10cm。
[0026]一种基于压电浙青混凝土的发电路面结构，包括基础浙青混凝土层和基础浙青混凝土层上面的表面浙青混凝土层，在基础浙青混凝土层和表面浙青混凝土层之间设置有压电浙青混凝土层，压电浙青混凝土层的上表面的两条轮迹分布带上和压电浙青混凝土层的下表面的两条轮迹分布带上各自铺设有金属网电极，金属网电极通过导线与整流电路相连，整流电路通过直流换能器与蓄电池相连；
[0027]所述的压电浙青混凝土层以重量份数计，由以下原料组成:集料83?90份，矿粉4?6份，压电材料2?4份，导电材料1?2份，浙青3?5份，原料份数总和为100份；
[0028]所述的集料采用花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩；
[0029]所述的矿粉采用花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉；[0030]所述的压电材料采用电气石；
[0031]所述的导电材料采用石墨；
[0032]所述的浙青采用SBS改性浙青、道路石油浙青、PE改性浙青、SBR改性浙青或胶粉改性浙青。
[0033]所述的金属网电极的网格大小为(3?5) mmX (3?5) mm的矩形网格。
[0034]所述的基础浙青混凝土层、压电浙青混凝土层和表面浙青混凝土层之间的厚度比例为 6:2.5:4。
[0035]本发明与现有技术相比，有益的技术效果是:
[0036](I)经济性良好。现有压电材料多为复合材料，价格昂贵且加工工艺复杂。本发明中电气石、集料、石墨等材料在我国储存量大，市场价格低廉，本发电路面适合在大范围内推广应用。
[0037]( II )发电量大。本发明设计在道路行车道轮迹分布带下，可沿道路轴线纵向延伸，与现有发电技术局部挖坑填补式相比，采集的行车荷载更多，收集到的电能更多。
[0038](III)结构合理。发电路面采用上、中、下三层结构形式，与我国现有浙青路面较为相似，继承了现有浙青路面的路用性能良好，安全舒适等特点。
[0039](IV)施工方便。本发明按照结构进行分层施工，能够充分的保证施工质量与进度。
[0040]以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是第一种基于压电浙青混凝土的发电路面结构的整体结构示意图。
[0042]图2是第二种基于压电浙青混凝土的发电路面结构的整体结构示意图。
[0043]图中各个标号的含义为:1-基础浙青混凝土层，2-表面浙青混凝土层，3-压电浙青混凝土层，4-电流采集端，5-导线，6-棒状电极，7-整流电路，8-直流换能器，9-蓄电池，10-金属网电极。
【具体实施方式】
[0044]当浙青混凝土路面在行车荷载作用下，会产生一定的弯沉，浙青混凝土内部产生不同的变形而引起内部应力的变化，在浙青混凝土的表面产生符号相反的电荷，借助常规压电环能器的电能收集措施就将这些电能收集。然而，浙青混凝土自身不具备压电效应，并且浙青混凝土是绝缘体，这不利于其内部电荷的定向移动。
[0045]遵从上述技术方案，下述实施例给出一种压电浙青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成:集料83?90份，矿粉4?6份，压电材料2?4份，导电材料1?2份，浙青3?5份，原料份数总和为100份；
[0046]所述的集料采用花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩；
[0047]所述的矿粉采用花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉；
[0048]所述的压电材料采用电气石；
[0049]所述的导电材料采用石墨；
[0050]所述的浙青采用SBS改性浙青、道路石油浙青、PE改性浙青、SBR改性浙青或胶粉改性浙青。[0051]材料规格:
[0052]集料的粒径在0.075~19mm范围内；
[0053]电气石的细度在200~325目范围内；
[0054]矿粉为粒径小于0.075的粉末。
[0055]以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0056]实施例1:
[0057]本实施例给出一种压电浙青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成:石灰岩83kg，石灰岩粉6kg，电气石4kg，石墨2kg，SBS改性浙青5kg。
[0058]实施例2:
[0059]本实施例给出一种压电浙青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成:石灰岩85kg，石灰岩粉5kg，电气石4kg，石墨2kg，道路石油浙青4kg。
[0060]实施例3:
[0061]本实施例给出一种压电浙青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成:花岗岩89kg，花岗岩粉4kg，电气石2kg，石墨1kg，PE改性浙青4kg。
[0062]实施例4:
[0063]本实施例给出一种压电浙青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成:玄武岩87kg,玄武岩粉6kg,电气石3kg,石墨1kg, SBR改性浙青3kg。
[0064]实施例5:
[0065]本实施例给出一种压电浙青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成:辉绿岩90kg,辉绿岩粉4kg,电气石2kg,石墨1kg,胶粉改性浙青3kg。
[0066]上述实施例的压电浙青混凝土的制备方法:将集料、矿粉和浙青在拌和机中进行拌至均匀，再加入压电材料和导电材料搅拌至均匀即可。应用时将拌和完毕的压电浙青混凝土运输到施工现场，利用摊铺机进行摊铺、碾压。
[0067]性能测试:
[0068]为了验证上述实施例的性能，将上述实施例中的压电浙青混凝土制备成AC-13浙青混凝土，按照《公路工程浙青及浙青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行发电路面的相关性能试验。本发明不限于AC-13，还适用于制备成GAC、0GFC、SMA类型。试验所采用的AC-13型混凝土级配如表1，压电材料电气石的基本性能参数见表2。
[0069]表1AC-13型浙青混凝土矿料合成级配
[0070]
【权利要求】
1.一种压电浙青混凝土，其特征在于，以重量份数计，由以下原料组成:集料83~90份，矿粉4~6份，压电材料2~4份，导电材料1~2份，浙青3~5份，原料份数总和为100 份；所述的集料采用花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩；所述的矿粉采用花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉；所述的压电材料采用电气石；所述的导电材料采用石墨；所述的浙青采用SBS改性浙青、道路石油浙青、PE改性浙青、SBR改性浙青或胶粉改性浙青。
2.一种基于压电浙青混凝土的发电路面结构，包括基础浙青混凝土层(1)和基础浙青混凝土层(1)上面的表面浙青混凝土层(2)，其特征在于，在基础浙青混凝土层(1)和表面浙青混凝土层(2)之间设置有压电浙青混凝土层(3)，在压电浙青混凝土层(3)内的两条轮迹分布带上各自嵌入有电流采集端(4)；所述的电流采集端(4)包括两条平行导线(5)，两条平行导线(5)之间分布有多个棒状电极(6)，每个棒状电极(6)只与两条平行导线(5)中的一条导线(5)相连，相邻棒状电极 (6)交替连接在两条平行导线(5)上；电流采集端(4)的两条平行导线(5)与整流电路(7)相连，整流电路(7)通过直流换能器(8)与蓄电池(9)相连；所述的压电浙青混凝土层(3)以重量份数计，由以下原料组成:集料83~90份，矿粉4~6份，压电材料2~4份，导电材料1~2份，浙青3~5份，原料份数总和为100份；所述的集料采用花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩；所述的矿粉采用花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉；所述的压电材料采用电气石；所述的导电材料采用石墨；所述的浙青采用SBS改性浙青、道路石油浙青、PE改性浙青、SBR改性浙青或胶粉改性浙青。
3.如权利要求2所述的基于压电浙青混凝土的发电路面结构，其特征在于，所述的相邻棒状电极(6)之间的距离为10cm。
4.一种基于压电浙青混凝土的发电路面结构，包括基础浙青混凝土层(1)和基础浙青混凝土层(1)上面的表面浙青混凝土层(2)，其特征在于，在基础浙青混凝土层(1)和表面浙青混凝土层(2)之间设置有压电浙青混凝土层(3)，压电浙青混凝土层(3)的上表面的两条轮迹分布带上和压电浙青混凝土层(3 )的下表面的两条轮迹分布带上各自铺设有金属网电极(10 )，金属网电极(10 )通过导线(5 )与整流电路(7 )相连，整流电路(7 )通过直流换能器(8)与蓄电池(9)相连；所述的压电浙青混凝土层(3)以重量份数计，由以下原料组成:集料83~90份，矿粉4~6份，压电材料2~4份，导电材料1~2份，浙青3~5份，原料份数总和为100份；所述的集料采用花岗岩、玄武岩、辉绿岩或石灰岩；所述的矿粉采用花岗岩粉、玄武岩粉、辉绿岩粉或石灰岩粉；所述的压电材料采用电气石；所述的导电材料采用石墨；所述的浙青采用SBS改性浙青、道路石油浙青、PE改性浙青、SBR改性浙青或胶粉改性浙青。
5.如权利要求4所述的基于压电浙青混凝土的发电路面结构，其特征在于，所述的金属网电极(10)的网格大小为(3~5)mmX (3~5)mm的矩形网格。
6.如权利要求2至权利要求5任意一项权利要求所述的基于压电浙青混凝土的发电路面结构，其特征在于，所述的基础浙青混凝土层(1 )、压电浙青混凝土层(3)和表面浙青混凝土层(2)之间的厚度比例为6:2.5:4。
【文档编号】E01C9/00GK103669151SQ201310660929
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】王朝辉, 李彦伟, 刘志胜, 郑晨, 石鑫, 赵永桢, 高志伟, 韩锋 申请人:长安大学