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压电发电沥青混凝土配合比设计

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压电发电沥青混凝土配合比设计

发布日期:2019-09-26 编辑: 点击:

压电发电沥青混凝土配合比设计


      在进行压电发电沥青混凝土配合比设计时,需综合考虑高温性能、低温性能、水稳定性、耐疲劳性能等各方面影响因素,本文参照相关经验指标,采用AC-13级配类型作为研究基体。


      按照上述级配,依据我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)规定,通过马歇尔试验确定其Z佳沥青用量为4.9%,但依此Z佳沥青用量拌和加入石墨后,集料表面沥青量明显不足。分析原因为:石墨密度较小且体积易膨胀,吸油性极强导致混凝土有效沥青量不足。所以采用马歇尔试验法重新确定压电发电沥青混凝土的Z佳沥青用量为5.9%,压电材料用量为矿粉质量比例的20%,而由于石墨材料密度小于矿粉且体积易膨胀,等质量掺入时易改变混合料体积分数,因此确定石墨掺入体积分数为矿粉体积比例的30%。


压电发电沥青混凝土制备


       压电发电沥青混凝土的制备采用沥青混凝土湿拌工艺,将基础沥青加热到155~160℃后导入沥青改性设备中并加入压电材料粉,以4000~5000r/min剪切速度剪切20~30min,制备得到基础沥青和压电材料的混合物;将加热后的集料称重干拌30s,喷入基础沥青和压电材料混合物湿拌90s;按照体积比例称取定量的导电材料代替矿粉,同矿粉拌和均匀后与基础沥青和压电材料混合物同时加入到集料中湿拌90s,制备得到压电发电沥青混凝土。


压电发电沥青混凝土路用性能检测


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       压电发电沥青混凝土具备压电功效的同时路用性能须满足规范要求,因此按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)的要求,检验压电发电沥青混凝土的各项路用性能,以分析压电材料、导电材料等对沥青混凝土路用性能的影响。


      可以看出,3种压电发电沥青混凝土的路用性能与SBS沥青混凝土相比,高温稳定性、低温抗裂性和水稳性能均有小幅度降低,而抗疲劳性能略有提高,但整体相比,各相关性能相差不大。


压电发电沥青混凝土路面结构设计与制作


      依据压电材料电荷产生特性,压电发电路面的电能产生主要由两种形式。显示为d31型发电路面能量产生示意图,当压电模型受到力作用时,电荷在垂直于受力方向产生并收集;显示为d33型发电路面能量产生示意图,当压电模型受到力作用时,电荷在平行于受力方向产生并收集。


       在行车荷载作用下,有效的收集电能必须根据电荷的移动方向、位置布设导电电极,基于上述电能产生原理,结合石墨电极和金属电极的工作特点,提出两种发电路面电极布置方式及能量输出电路。当采用石墨电极时,电极横向间隔连接,发电路面即为d31型压电体构件,在行车荷载作用下压电材料内部的电荷向石墨电极方向移动,并通过导线将其集结到电能收集器中予以转换存储。当电极采用金属网时,电极网上下分层布设,发电路面即为d33型压电构件,在行车荷载作用下压电材料内部的电荷向金属网方向移动,通过导线将其集结到电能收集器中。


       依据上述压电沥青混凝土发电路面结构布设方案,通过改进普通沥青混合料车辙板试件成型方法,制备得到试验测试用小型发电路面试件,试件制备步骤如下:根据电极埋设深度,加工制作一定厚度尺寸为300mm×300mm的刚性垫板,放置于试模内,浇注下层普通沥青混凝土,成型并取出刚性垫板,将下层普通沥青混凝土放置于试模内,参照规范要求进行层间处置,沿轮迹分布带布设电极,其中石墨材料电极尺寸为10mm×50mm,金属网为由磷铜丝加工定制编织而成的120目电极网,继而铺筑压电混凝土,制备得到尺寸为300mm×300mm×50mm的小型发电路面测试试件,制作过程中应注意电极不被人为因素破坏或大幅度挪移位置。


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