基本信息
- 項目名稱：
- 基于相變控溫設(shè)計的梯度功能混凝土路面結(jié)構(gòu)及模型
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本課題通過引入梯度功能設(shè)計方法和相變儲能材料進行水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計 ，通過分層澆注、界面處理等技術(shù)，制備出新型水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)形式，確定主要材料配比，突出路面諸多優(yōu)異功能。該路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制備對當前混凝土路面材料的發(fā)展具有較好的推動作用，同時利用相變儲能材料進行防凍設(shè)計，具有節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點，符合我國公路交通技術(shù)的發(fā)展新方向。
- 詳細介紹：
- 本作品的名稱是：基于相變控溫設(shè)計的梯度功能混凝土路面結(jié)構(gòu)及模型，由指導(dǎo)老師和07、08、09級學(xué)生合作完成。該作品獲得2項國家實用新型專利，分別為一種具有梯度功能的高耐久水泥混凝土路面板和一種含有相變儲能材料的防凍抗滑混凝土路面板；同時獲得了一項國家級“大學(xué)生研究性學(xué)習和創(chuàng)新性實驗計劃作品”資助；在第九屆“挑戰(zhàn)杯”湖南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中榮獲二等獎；在國內(nèi)權(quán)威期刊《中國公路學(xué)報》2011年第24卷第2期發(fā)表論文1篇，題名：“相變控溫水泥混凝土路面板設(shè)計及模型試驗研究”；在校內(nèi)科技立項中榮獲三等獎：在全國交通科技大賽校內(nèi)選撥賽中獲得二等獎。 本作品主要為現(xiàn)今高等級公路路面提供一種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料體系和技術(shù)。通過引入相變儲能材料和梯度功能設(shè)計方法，進行水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計，有效提升水泥混凝土路面的防凍、抗滑、抗?jié)B、耐腐蝕、抗裂等諸多性能。形成我國原創(chuàng)性的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、整體上達到國際先進水平的新型路面水泥混凝土材料及結(jié)構(gòu)，可大幅度優(yōu)化路面使用功能及延長結(jié)構(gòu)耐久性和服役壽命，使路面結(jié)構(gòu)壽命可從現(xiàn)今的20～30年提高15%～30%，同時大幅度降低公路關(guān)鍵路段在極端冰雪、惡劣氣候條件下的事故發(fā)生率，對推動我國路面修建材料的技術(shù)革新以及公路交通技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。 由于極端冰雪條件下，路面功能及應(yīng)急反應(yīng)機制的下降造成巨大的國民經(jīng)濟損失。2008年冰雪災(zāi)害致使23個省份公路交通受到影響，直接經(jīng)濟損失達125億元。 目前國內(nèi)外常用的清冰雪方法有：人工清除冰雪、撒施化學(xué)物質(zhì)融化冰雪和熱力除冰雪。現(xiàn)有的除冰雪技術(shù)，效率低下、容易造成路面損傷、耗能高、實用性不強，故引入相變儲能材料及梯度設(shè)計方法，對路面結(jié)構(gòu)材料進行設(shè)計。 本作品對現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理。將其分為水泥混凝土表面層，含相變材料的高強度無縫鋼管層，水泥混凝土基層以及保溫砂漿層。經(jīng)過復(fù)配優(yōu)選的相變材料其相變點為5~7℃，即在5~7℃附近產(chǎn)生液固相變過程，以此放熱，融雪除冰。 冬季降雪，路面溫度較低，低溫向下傳遞至相變層，當溫度適宜，鋼管中材料相變潛熱，將熱量傳遞至表面層。此時保溫砂漿層有效的保證了熱量能更加有效地向上傳遞。以此保證融冰效果。 為了達到預(yù)期目標，本小組進行了室內(nèi)試驗。首先通過分層澆注、兩次成型的工藝，利用自行設(shè)計加工的模具，制備了梯度功能混凝土路面板模型；從鋼管一端的開口螺栓，可以方便的注入液態(tài)相變材料，并可以隨時添加。注入相變材料并密封后，在模型板表面均勻撒布碎冰以模擬路面板表面的冰雪狀況。2小時后，評價表面的融冰情況，試驗發(fā)現(xiàn)，在鋼管鋪設(shè)處，融冰效果明顯優(yōu)于表面其它部位（這里要指出的是，試驗時環(huán)境溫度在10℃左右，相對濕度60％），同時通過試驗可發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)材料已相變?yōu)楣虘B(tài)，其相變潛熱得到了釋放，并通過鋼管傳導(dǎo)到路面板表面，因而融冰防凍效果得到了增強。 作品的研究成果計劃在京珠復(fù)線長湘潭段某匝道橋試驗段施工，具體細節(jié)正在籌備中。以下是施工方案的一部分： 將路面結(jié)構(gòu)設(shè)計為四層：表面瀝青混凝土層、水泥混凝土基層、含相變儲能材料的高強度方鋼管和加熱電纜層、保溫砂漿層。 因為相變材料常溫為液態(tài)，故必須進行封裝，同時要求具有足夠的強度。同時，考慮到路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度要求，擬采用高強度方形鋼管作為相變材料的封裝構(gòu)件。為方便鋼管注入相變材料，進行了兩端封口設(shè)計，一邊封閉，另一邊加工成螺栓構(gòu)造。 目前，該鋼管已經(jīng)生產(chǎn)制作完成 另外，考慮到長期的冰凍作用，當管內(nèi)相變材料完成固液相變后，其相變放熱效應(yīng)會降低，失去融雪除冰效果，因此，在實際工程設(shè)計中，擬通過外電路放熱系統(tǒng)為相變系統(tǒng)加熱，使之吸收熱量重新變?yōu)橐簯B(tài)，從而可重復(fù)固液相變過程，達到持續(xù)向路表放熱的效果。示意圖如圖3所示。值得說明的是，外電路的加熱過程只在持續(xù)低溫、管內(nèi)相變材料完全變?yōu)楣虘B(tài)后啟動，不需長期持續(xù)加熱，因此相比傳統(tǒng)的加熱電纜，效率更高，也更節(jié)能。 為適應(yīng)我國經(jīng)濟發(fā)展的需要，交通部制定了我國到2020年，高速公路通車里程達到10萬公里左右，基本建成國家高速公路網(wǎng)的宏偉規(guī)劃。面對巨大的市場需求量，同時考慮到本作品各項優(yōu)點。能夠為我國的國民經(jīng)濟建設(shè)節(jié)約大量的資金、人力。因此，本作品的開展將具有十分廣闊的應(yīng)用空間及市場前景，經(jīng)濟效益尤為顯著。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1．設(shè)計發(fā)明目的： （1）對傳統(tǒng)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)進行梯度功能設(shè)計，引入相變儲能材料，建立相關(guān)的設(shè)計原則及性能評價方法； （2）通過試驗研究，制備出用于高等級公路路面各層材料體系，并建立性能評價方法及質(zhì)量控制體系。 2．基本思路： 針對水泥混凝土路面發(fā)生耐久性破壞的主要原因以及傳統(tǒng)除冰雪方法的缺點，設(shè)計一種新型的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)及材料體系，使之在滿足基本力學(xué)性能要求基礎(chǔ)上，更加突出其功能及耐久性。 3．創(chuàng)新點： （1）通過大量試驗，研發(fā)出一種新型的水泥混凝土路面梯度功能材料體系，具有表層高抗?jié)B、高抗裂、高耐磨，主體層體積穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點，有效延長了混凝土路面的耐久性，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命提高15%～30%，相關(guān)核心技術(shù)已獲國家專利。 （2）引入相變儲能材料進行路面板的防凍抗滑設(shè)計，使其滿足極端冰雪條件下的表面防凍功能，避免了傳統(tǒng)方法的耗能設(shè)計，有效提高了公路路面在冰雪氣候下的應(yīng)急反應(yīng)能力，降低了事故發(fā)生率，該研究在國內(nèi)外具有首創(chuàng)性。 4．技術(shù)關(guān)鍵： （1）相變儲能材料體系在路面結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計； （2）具有梯度功能的高性能水泥混凝土路面材料的制備技術(shù)； （3）不同功能層界面過渡區(qū)處理技術(shù)及優(yōu)化措施。 5．技術(shù)指標： （1）制備出高抗?jié)B表面層材料，其抗氯離子滲透電導(dǎo)率小于500C； （2）設(shè)計出具有梯度功能的路面板結(jié)構(gòu)模； （3）制備出含相變儲能材料的防凍抗滑路面結(jié)構(gòu)及材料體系。
科學(xué)性、先進性
- 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本作品表現(xiàn)出突出的科學(xué)性與先進性，主要包括： （1）傳統(tǒng)的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)都是單層設(shè)計，難以兼顧多種使用功能的一體化，往往發(fā)生因某一性能劣化導(dǎo)致的整體路面結(jié)構(gòu)壽命的大幅度衰減。 （2）現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)對冬季極端冰雪氣候的應(yīng)急反應(yīng)機制薄弱，常用的融雪劑對路面的損傷十分嚴重，加熱電纜、導(dǎo)電混凝土等融雪化冰系統(tǒng)又較為耗能，因而必須尋求智能化程度更高、節(jié)能、環(huán)保的新型防凍抗滑路面材料體系，而采用本作品中的相變儲能材料體系，利用相變過程放熱特征，將可起到較好的融雪除冰效果，提高路面材料的防凍抗滑功能。 （3）相變儲能材料與梯度功能結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，可有效延長混凝土路面的耐久性，路面結(jié)構(gòu)壽命可從現(xiàn)今的20～30年提高15%～30%，并大幅度減小使用期的維修費用等，節(jié)約大量人力、物力投入，節(jié)能、減排，符合現(xiàn)今發(fā)展“綠色”建筑功能材料的發(fā)展趨勢。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- （1）獲校內(nèi)大學(xué)生科技立項三等獎； （2）全國交通科技大賽校內(nèi)選撥賽二等獎； （3）獲得國家級“大學(xué)生研究性學(xué)習和創(chuàng)新性實驗計劃項目”資助； （4）獲得兩項國家實用新型專利，專利號為： 201020142449.9 201020142424.9 （5）在國內(nèi)權(quán)威期刊《中國公路學(xué)報》2011年第24卷第2期發(fā)表論文1篇，題名：“相變控溫水泥混凝土路面板設(shè)計及模型試驗研究”； （6）第九屆“挑戰(zhàn)杯”湖南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎。
作品所處階段
- 中試階段。項目的研究成果計劃在京珠復(fù)線長湘線某匝道橋試驗段施工，具體施工細節(jié)正在籌備中。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 文字、圖片、視頻、模型
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本作品主要體現(xiàn)在為高等級公路路面提供一種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料體系和技術(shù)。通過引入相變儲能材料和梯度功能設(shè)計方法，進行水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計，有效提升水泥混凝土路面的防凍、抗滑、抗?jié)B、耐腐蝕、抗裂等諸多性能。形成我國原創(chuàng)性的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、整體上達到國際先進水平的新型路面水泥混凝土材料及結(jié)構(gòu)，可大幅度優(yōu)化路面使用功能及延長結(jié)構(gòu)耐久性和服役壽命。在長期冰凍條件下，當管內(nèi)相變材料完成固液相變后，可通過外電路放熱系統(tǒng)加熱，使之吸收熱量重新變?yōu)橐簯B(tài)，從而可重復(fù)固液相變過程，達到持續(xù)向路表放熱的效果，從而大幅度降低公路關(guān)鍵路段在極端冰雪、惡劣氣候條件下的事故發(fā)生率。 水泥混凝土路面在“國家高速公路網(wǎng)”規(guī)劃中占有較大比重。對于市場如此巨大的需求量，保證其關(guān)鍵材料具有優(yōu)異的使用功能和耐久性，將能大幅度提升路面結(jié)構(gòu)的服役壽命，降低事故發(fā)生率，有效減少其結(jié)構(gòu)修補和維修費用，為我國經(jīng)濟建設(shè)節(jié)約大量的資金、人力。因此，本項目的開展將具有十分廣闊的應(yīng)用空間及市場前景，間接經(jīng)濟效益尤為顯著。
同類課題研究水平概述
- 1、梯度材料設(shè)計方法在水泥混凝土中的研究及應(yīng)用： 國外Maalej, M.等研發(fā)出功能梯度混凝土梁并進行了一系列的研究，但大多基于應(yīng)用成果及試驗現(xiàn)象的報道，而對內(nèi)部界面特征及體積變形等問題并未深入。Ryou, Jaesuk等在用于混凝土結(jié)構(gòu)中的光面鋼筋表面應(yīng)用了功能梯度材料涂層，使得鋼筋抗腐蝕的能力得到大幅度提升，并建立起相應(yīng)的鋼筋表面腐蝕特征監(jiān)控技術(shù)，獲得較好的效果。Venkataraman, Satchi等基于受力方面考慮，研究了層狀功能梯度梁在不同層界面處各應(yīng)力狀態(tài)的靜力分析結(jié)果，并評價了其綜合性能。Ghavami, K主要研究了竹筋作為功能梯度材料組分對水泥基材料進行增強以及在應(yīng)用中出現(xiàn)的若干問題。 國內(nèi)的楊久俊等人最先引入功能梯度材料設(shè)計原理，進行了水泥基梯度復(fù)合材料成型方法的研究，并就組分和密度梯度變化與材料的熱傳導(dǎo)性、抗折及抗壓強度的關(guān)系作了初步研究。 但是，從現(xiàn)有的研究不難看出，梯度功能材料原理在水泥混凝土中的應(yīng)用還比較初步，一些關(guān)鍵性理論問題尚需要進一步深入研究。 2、當前路面融雪除冰抗滑技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀： 公路路面在極端冰雪氣候條件下，反復(fù)凍融，急需快速除冰雪技術(shù)。目前國內(nèi)外清除冰雪所采用的方法主要有：傳統(tǒng)的人工清冰雪技術(shù)、撒施化學(xué)物質(zhì)融化冰雪和靠各種清冰雪機械清除積雪。人工除冰雪功效低、浪費人力、作業(yè)成本高、占有路面時間長、且不安全因素多、易發(fā)生交通事故，不能適應(yīng)高速公路清除冰雪的要求。融雪劑除冰雪受環(huán)境溫度影響大，低溫環(huán)境中效果明顯下降，使用范圍受限制，且綜合成本高，易造成二次污染，對城市環(huán)境也產(chǎn)生了不可忽視的危害。機械除冰雪除冰和保護路面相矛盾。如果要提高除凈率則很容易損害路面。 最近興起的熱能法，能耗大、噪音大、污染嚴重、成本高，無法在城市道路和橋梁上推廣使用；導(dǎo)電混凝土電熱除冰雪法在實驗室中導(dǎo)電層的鋪設(shè)和電極的制作、安置比較容易實現(xiàn)，而實際應(yīng)用整個工作比較復(fù)雜，會遇到實際困難，這些都是需要進一步研究的問題。 綜上可知，現(xiàn)有的公路面層抗凍防滑的技術(shù)仍然存在一定的問題，急需尋找智能化以及除冰抗滑性能更優(yōu)的防滑技術(shù)，因而在路面材料設(shè)計中，引入相變儲能材料，開展公路路面水泥混凝土結(jié)構(gòu)的智能化抗凍防滑技術(shù)是非常有必要的，是當前國民經(jīng)濟發(fā)展的必須，符合我國“可持續(xù)發(fā)展”的時代要求。
