基本信息
- 项目名称：
- 基于相变控温设计的梯度功能混凝土路面结构及模型
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本课题通过引入梯度功能设计方法和相变储能材料进行水泥混凝土路面结构及材料设计 ，通过分层浇注、界面处理等技术，制备出新型水泥混凝土路面结构形式，确定主要材料配比，突出路面诸多优异功能。该路面结构的设计和制备对当前混凝土路面材料的发展具有较好的推动作用，同时利用相变储能材料进行防冻设计，具有节能、环保等诸多优点，符合我国公路交通技术的发展新方向。
- 详细介绍：
- 本作品的名称是：基于相变控温设计的梯度功能混凝土路面结构及模型，由指导老师和07、08、09级学生合作完成。该作品获得2项国家实用新型专利，分别为一种具有梯度功能的高耐久水泥混凝土路面板和一种含有相变储能材料的防冻抗滑混凝土路面板；同时获得了一项国家级“大学生研究性学习和创新性实验计划作品”资助；在第九届“挑战杯”湖南省大学生课外学术科技作品竞赛中荣获二等奖；在国内权威期刊《中国公路学报》2011年第24卷第2期发表论文1篇，题名：“相变控温水泥混凝土路面板设计及模型试验研究”；在校内科技立项中荣获三等奖：在全国交通科技大赛校内选拨赛中获得二等奖。 本作品主要为现今高等级公路路面提供一种关键结构材料体系和技术。通过引入相变储能材料和梯度功能设计方法，进行水泥混凝土路面结构的一体化设计，有效提升水泥混凝土路面的防冻、抗滑、抗渗、耐腐蚀、抗裂等诸多性能。形成我国原创性的、具有自主知识产权的、整体上达到国际先进水平的新型路面水泥混凝土材料及结构，可大幅度优化路面使用功能及延长结构耐久性和服役寿命，使路面结构寿命可从现今的20～30年提高15%～30%，同时大幅度降低公路关键路段在极端冰雪、恶劣气候条件下的事故发生率，对推动我国路面修建材料的技术革新以及公路交通技术的发展具有重大意义。 由于极端冰雪条件下，路面功能及应急反应机制的下降造成巨大的国民经济损失。2008年冰雪灾害致使23个省份公路交通受到影响，直接经济损失达125亿元。 目前国内外常用的清冰雪方法有：人工清除冰雪、撒施化学物质融化冰雪和热力除冰雪。现有的除冰雪技术，效率低下、容易造成路面损伤、耗能高、实用性不强，故引入相变储能材料及梯度设计方法，对路面结构材料进行设计。 本作品对现有路面结构进行优化处理。将其分为水泥混凝土表面层，含相变材料的高强度无缝钢管层，水泥混凝土基层以及保温砂浆层。经过复配优选的相变材料其相变点为5~7℃，即在5~7℃附近产生液固相变过程，以此放热，融雪除冰。 冬季降雪，路面温度较低，低温向下传递至相变层，当温度适宜，钢管中材料相变潜热，将热量传递至表面层。此时保温砂浆层有效的保证了热量能更加有效地向上传递。以此保证融冰效果。 为了达到预期目标，本小组进行了室内试验。首先通过分层浇注、两次成型的工艺，利用自行设计加工的模具，制备了梯度功能混凝土路面板模型；从钢管一端的开口螺栓，可以方便的注入液态相变材料，并可以随时添加。注入相变材料并密封后，在模型板表面均匀撒布碎冰以模拟路面板表面的冰雪状况。2小时后，评价表面的融冰情况，试验发现，在钢管铺设处，融冰效果明显优于表面其它部位（这里要指出的是，试验时环境温度在10℃左右，相对湿度60％），同时通过试验可发现，管内材料已相变为固态，其相变潜热得到了释放，并通过钢管传导到路面板表面，因而融冰防冻效果得到了增强。 作品的研究成果计划在京珠复线长湘潭段某匝道桥试验段施工，具体细节正在筹备中。以下是施工方案的一部分： 将路面结构设计为四层：表面沥青混凝土层、水泥混凝土基层、含相变储能材料的高强度方钢管和加热电缆层、保温砂浆层。 因为相变材料常温为液态，故必须进行封装，同时要求具有足够的强度。同时，考虑到路面结构的稳定性和强度要求，拟采用高强度方形钢管作为相变材料的封装构件。为方便钢管注入相变材料，进行了两端封口设计，一边封闭，另一边加工成螺栓构造。 目前，该钢管已经生产制作完成 另外，考虑到长期的冰冻作用，当管内相变材料完成固液相变后，其相变放热效应会降低，失去融雪除冰效果，因此，在实际工程设计中，拟通过外电路放热系统为相变系统加热，使之吸收热量重新变为液态，从而可重复固液相变过程，达到持续向路表放热的效果。示意图如图3所示。值得说明的是，外电路的加热过程只在持续低温、管内相变材料完全变为固态后启动，不需长期持续加热，因此相比传统的加热电缆，效率更高，也更节能。 为适应我国经济发展的需要，交通部制定了我国到2020年，高速公路通车里程达到10万公里左右，基本建成国家高速公路网的宏伟规划。面对巨大的市场需求量，同时考虑到本作品各项优点。能够为我国的国民经济建设节约大量的资金、人力。因此，本作品的开展将具有十分广阔的应用空间及市场前景，经济效益尤为显著。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1．设计发明目的： （1）对传统水泥混凝土路面结构进行梯度功能设计，引入相变储能材料，建立相关的设计原则及性能评价方法； （2）通过试验研究，制备出用于高等级公路路面各层材料体系，并建立性能评价方法及质量控制体系。 2．基本思路： 针对水泥混凝土路面发生耐久性破坏的主要原因以及传统除冰雪方法的缺点，设计一种新型的水泥混凝土路面结构及材料体系，使之在满足基本力学性能要求基础上，更加突出其功能及耐久性。 3．创新点： （1）通过大量试验，研发出一种新型的水泥混凝土路面梯度功能材料体系，具有表层高抗渗、高抗裂、高耐磨，主体层体积稳定性好、力学性能优良等诸多优点，有效延长了混凝土路面的耐久性，路面结构设计寿命提高15%～30%，相关核心技术已获国家专利。 （2）引入相变储能材料进行路面板的防冻抗滑设计，使其满足极端冰雪条件下的表面防冻功能，避免了传统方法的耗能设计，有效提高了公路路面在冰雪气候下的应急反应能力，降低了事故发生率，该研究在国内外具有首创性。 4．技术关键： （1）相变储能材料体系在路面结构中的优化设计； （2）具有梯度功能的高性能水泥混凝土路面材料的制备技术； （3）不同功能层界面过渡区处理技术及优化措施。 5．技术指标： （1）制备出高抗渗表面层材料，其抗氯离子渗透电导率小于500C； （2）设计出具有梯度功能的路面板结构模； （3）制备出含相变储能材料的防冻抗滑路面结构及材料体系。
科学性、先进性
- 与现有技术相比，本作品表现出突出的科学性与先进性，主要包括： （1）传统的水泥混凝土路面结构都是单层设计，难以兼顾多种使用功能的一体化，往往发生因某一性能劣化导致的整体路面结构寿命的大幅度衰减。 （2）现有的路面结构对冬季极端冰雪气候的应急反应机制薄弱，常用的融雪剂对路面的损伤十分严重，加热电缆、导电混凝土等融雪化冰系统又较为耗能，因而必须寻求智能化程度更高、节能、环保的新型防冻抗滑路面材料体系，而采用本作品中的相变储能材料体系，利用相变过程放热特征，将可起到较好的融雪除冰效果，提高路面材料的防冻抗滑功能。 （3）相变储能材料与梯度功能结构设计相结合，可有效延长混凝土路面的耐久性，路面结构寿命可从现今的20～30年提高15%～30%，并大幅度减小使用期的维修费用等，节约大量人力、物力投入，节能、减排，符合现今发展“绿色”建筑功能材料的发展趋势。
获奖情况及鉴定结果
- （1）获校内大学生科技立项三等奖； （2）全国交通科技大赛校内选拨赛二等奖； （3）获得国家级“大学生研究性学习和创新性实验计划项目”资助； （4）获得两项国家实用新型专利，专利号为： 201020142449.9 201020142424.9 （5）在国内权威期刊《中国公路学报》2011年第24卷第2期发表论文1篇，题名：“相变控温水泥混凝土路面板设计及模型试验研究”； （6）第九届“挑战杯”湖南省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段。项目的研究成果计划在京珠复线长湘线某匝道桥试验段施工，具体施工细节正在筹备中。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 文字、图片、视频、模型
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品主要体现在为高等级公路路面提供一种关键结构材料体系和技术。通过引入相变储能材料和梯度功能设计方法，进行水泥混凝土路面结构的一体化设计，有效提升水泥混凝土路面的防冻、抗滑、抗渗、耐腐蚀、抗裂等诸多性能。形成我国原创性的、具有自主知识产权的、整体上达到国际先进水平的新型路面水泥混凝土材料及结构，可大幅度优化路面使用功能及延长结构耐久性和服役寿命。在长期冰冻条件下，当管内相变材料完成固液相变后，可通过外电路放热系统加热，使之吸收热量重新变为液态，从而可重复固液相变过程，达到持续向路表放热的效果，从而大幅度降低公路关键路段在极端冰雪、恶劣气候条件下的事故发生率。 水泥混凝土路面在“国家高速公路网”规划中占有较大比重。对于市场如此巨大的需求量，保证其关键材料具有优异的使用功能和耐久性，将能大幅度提升路面结构的服役寿命，降低事故发生率，有效减少其结构修补和维修费用，为我国经济建设节约大量的资金、人力。因此，本项目的开展将具有十分广阔的应用空间及市场前景，间接经济效益尤为显著。
同类课题研究水平概述
- 1、梯度材料设计方法在水泥混凝土中的研究及应用： 国外Maalej, M.等研发出功能梯度混凝土梁并进行了一系列的研究，但大多基于应用成果及试验现象的报道，而对内部界面特征及体积变形等问题并未深入。Ryou, Jaesuk等在用于混凝土结构中的光面钢筋表面应用了功能梯度材料涂层，使得钢筋抗腐蚀的能力得到大幅度提升，并建立起相应的钢筋表面腐蚀特征监控技术，获得较好的效果。Venkataraman, Satchi等基于受力方面考虑，研究了层状功能梯度梁在不同层界面处各应力状态的静力分析结果，并评价了其综合性能。Ghavami, K主要研究了竹筋作为功能梯度材料组分对水泥基材料进行增强以及在应用中出现的若干问题。 国内的杨久俊等人最先引入功能梯度材料设计原理，进行了水泥基梯度复合材料成型方法的研究，并就组分和密度梯度变化与材料的热传导性、抗折及抗压强度的关系作了初步研究。 但是，从现有的研究不难看出，梯度功能材料原理在水泥混凝土中的应用还比较初步，一些关键性理论问题尚需要进一步深入研究。 2、当前路面融雪除冰抗滑技术的研究应用现状： 公路路面在极端冰雪气候条件下，反复冻融，急需快速除冰雪技术。目前国内外清除冰雪所采用的方法主要有：传统的人工清冰雪技术、撒施化学物质融化冰雪和靠各种清冰雪机械清除积雪。人工除冰雪功效低、浪费人力、作业成本高、占有路面时间长、且不安全因素多、易发生交通事故，不能适应高速公路清除冰雪的要求。融雪剂除冰雪受环境温度影响大，低温环境中效果明显下降，使用范围受限制，且综合成本高，易造成二次污染，对城市环境也产生了不可忽视的危害。机械除冰雪除冰和保护路面相矛盾。如果要提高除净率则很容易损害路面。 最近兴起的热能法，能耗大、噪音大、污染严重、成本高，无法在城市道路和桥梁上推广使用；导电混凝土电热除冰雪法在实验室中导电层的铺设和电极的制作、安置比较容易实现，而实际应用整个工作比较复杂，会遇到实际困难，这些都是需要进一步研究的问题。 综上可知，现有的公路面层抗冻防滑的技术仍然存在一定的问题，急需寻找智能化以及除冰抗滑性能更优的防滑技术，因而在路面材料设计中，引入相变储能材料，开展公路路面水泥混凝土结构的智能化抗冻防滑技术是非常有必要的，是当前国民经济发展的必须，符合我国“可持续发展”的时代要求。
