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清凉道路铺装新材料


    每逢雨雪天气,路面积雪湿滑对通行安全造成极大隐患;夏季高温时节,硬化道路吸附大量光热,行人走在炙烤的“地热毯”上苦不堪言;传统施工工艺导致路面初始平整度低,沥青面层间粘连不能形成嵌锁,造成层间不连续等现象导致路面易破裂,使用寿命缩短。北京建筑大学土木与交通学院教师索智综合以上问题,从人文关怀的角度,率领科研团队就多功能道路材料进行研发。

    “融雪通”除雪好帮手

    传统沥青路面积雪处理,通常采用封闭道路集中清理的作业方法。不仅影响车辆正常行驶,还易造成路段堵塞。国内目前大多采用机械除冰雪、撒布融雪剂等被动方法。国外技术人员很早就已开始研究道路自融法,变被动为主动。索智带领团队结合国内实际情况,最终发明“融雪通”路面添加剂,通过向传统沥青材料中添加此种自融雪阻冰的材料,降低路面的冰点,从而达到抑制道路表面结冰和自动融化道路积雪的效果。“融雪通”路面添加剂的优势在于,根据地区间低温环境的差异,通过调整道路组合材料的配比比例,实现路面冰点的自由调节,最大适用温度可达零下30℃,且价格仅为国外技术的一半。

    “融雪通”除冰添加剂已在张承高速承德段完成铺设试验,经历了一个冬季的考验,路面融雪除冰效果明显。索智说,“融雪通”极大地改善了道路自身融雪阻冰的功能,降低了行车危险系数,也大大减轻了传统清雪工作的压力。为提高道路自除冰能力团队提出向“融雪通”中添加橡胶材料,通过增强路面弹性,使其在车轮挤压下产生形变而将冰雪剥离。

    “清凉爽”路面变温器

    在北上广等人口密集的城市对道路的需求量也日渐攀升,中心城区道路密度大,城市硬化路面吸附热量的能力与绿地相比相差甚远,加之黑色路面更让热量难以有效散发。

    目前,国外采用微胶囊封装等复杂制作工艺,使路面控温技术水平能够实现路面降温7-8℃,但其控温材料售价高达每吨15万元,控温路面其造价每平方米约2千元,约是沥青路面的4倍。

    鉴于此种情况,索智团队在早期研究成果的基础上进行了全方位改进,提出路面控温要“由表及里”,从吸热和散热两方面治标更要治本。针对路面吸热问题,科研团队利用石油树脂等制作透明基质胶结材料,通过搭配矿物色粉,可以将路面颜色由黑色改为任意颜色,极大降低了热量在路面的聚集。在道路散热方面,选择用成本低廉、吸热效果良好的水作为相变控温材料,自主研发制成主动吸附保水改性剂,利用水升温慢的特性吸收路面产生的热量。最终团队研发出“清凉爽”生态控温复配技术,实现路面降温13.4℃,能够有效帮助空气温度降低4.5℃,而这种路面材料的价格每吨仅需2万元左右。索智介绍,“路面控温在发展的过程中还可以与‘海绵城市’建设相结合,通过改变路面配级,增大粗集料比例以增大孔隙率,在实现路面加快对流散热的同时,更好地汇集地表径流、净化下渗补充城市地下水资源,这将进一步缓解城市内涝和沉降问题。

    “自愈乐”道路创可贴

    沥青路摊铺的初压环节温度一般保持在110—140℃之间,复压环节温度也必须保持在120—130℃,碾压6次以上才能保证沥青混料的稳定成型。市政交通道路建设与养护往往都选在夏季进行,目的就是要利用高温环境,让沥青混凝土在摊铺后容易碾压密实,避免因低温变硬造成日后路面进水影响路用质量。这种极高的路面温度加上机械设备运转产生的热量,让施工环境非常艰苦。

    此外,道路养护不仅人工成本极高,而且还面临路面裂隙初期难以检测的难题。现有技术设备最高能实现2毫米裂纹检测,一旦无法及时修复裂纹,雨水侵入后将会使道路承载力大幅下降。沥青路面局部修复,需要动用沥青搅拌楼、摊铺机、压路机等多种机械,局部修复养护费比新建费用大致高出4—5倍。这也是道路材料亟需“改貌换新颜”的一大诱因。

    索智基于仿生学理念,从人体伤口自愈合得到灵感,在研究过程中提出道路裂隙自我愈合的设想,研制出道路材料中的“血小板”,即“自愈乐”。

    “自愈乐”是一种复配性材料,由树脂和膨胀水泥等构成。当道路产生裂缝时,树脂吸收渗入的雨水体积膨胀,快速封堵裂缝,使路面“伤口”暂时愈合。随后,膨胀水泥在通过水化学反应生成新的凝胶物质,形成路面材料的强度,起到组织修复的功能。在道路材料中加入“自愈乐”仿生修复剂就如同给道路植入免疫系统,当降雨来临时,道路中的自愈剂便会吸水膨胀,堵塞裂缝、修复裂缝,使道路恢复如初。相关部门统计,如果“自愈乐”应用于北京市主干路,将节约道路裂缝修补所需的费用约11.9亿元,平均每15年节约罩面施工费用约23.7亿元,同时每年还能减少碳排放1633.5吨。

    “防霾宝”全自动空气净化器

    除了“融雪”“降温”“省钱”之外,索智带领团队针对“‘雾霾’降低了能见度,成为潜伏在道路上的隐患”现象,做出是否能在健康和道路两个看似毫不相关的事物中找到答案的思考。团队组长谢聪聪说:“雾霾产生的原因是大气中各种悬浮颗粒物含量超标,而道路的特点是面积大,如果可以研制一种吸收雾霾的路面材料,既可以有效吸收雾霾,又能够提升道路能见度,来实现一举两得之功效。”以此为出发点,研究团队向可以吸收“雾霾”的道路进行拓展,取得“防霾路”的研究成果。其原理是路面结构使用密级配,颗粒间的缝隙小,这样可以有效防止水分蒸发,在道路表面形成一层厚约0.61毫米的水膜,通过这层水膜来吸收空气中的扬尘。在理想状况下,可以吸收空气中的扬尘高达51%。经过反复模拟实验,并且专门研发了抑尘分析仪,可以模拟北京的沙尘暴环境,用来测试“防霾路”一次最多可以吸收的扬尘量。经测定,“防霾路”材料可以吸收6次沙尘暴和9次扬尘,将道路变成地表的呼吸系统,有效吸收空气中的尘霾等污染物,降低了城市“雾霾”现象,使道路成为名副其实的“全自动空气净化器”。

    “虽然技术研发面对的都是冷冰冰的数字,但是技术本身就是要为人服务,”索智说。多功能路面材料研发已初见成效,项目研发在未来仍需更加关注人性化问题,让成果更好地满足生活需要。

 

时间:2016-07-04
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