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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于相變控溫設(shè)計(jì)的梯度功能混凝土路面結(jié)構(gòu)及模型
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本課題通過(guò)引入梯度功能設(shè)計(jì)方法和相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì) ，通過(guò)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(jì)和制備對(duì)當(dāng)前混凝土路面材料的發(fā)展具有較好的推動(dòng)作用，同時(shí)利用相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行防凍設(shè)計(jì)，具有節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)公路交通技術(shù)的發(fā)展新方向。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品的名稱是：基于相變控溫設(shè)計(jì)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(jí)學(xué)生合作完成。該作品獲得2項(xiàng)國(guó)家實(shí)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(chǔ)能材料的防凍抗滑混凝土路面板；同時(shí)獲得了一項(xiàng)國(guó)家級(jí)“大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)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(jìng)賽中榮獲二等獎(jiǎng)；在國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》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(jì)及模型試驗(yàn)研究”；在校內(nèi)科技立項(xiàng)中榮獲三等獎(jiǎng)：在全國(guó)交通科技大賽校內(nèi)選撥賽中獲得二等獎(jiǎng)。 本作品主要為現(xiàn)今高等級(jí)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(guò)引入相變儲(chǔ)能材料和梯度功能設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，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(guó)原創(chuàng)性的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、整體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(zhǎng)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(shí)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(duì)推動(dòng)我國(guó)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(jī)制的下降造成巨大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失。2008年冰雪災(zāi)害致使23個(gè)省份公路交通受到影響，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)125億元。 目前國(guó)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(shí)用性不強(qiáng)，故引入相變儲(chǔ)能材料及梯度設(shè)計(jì)方法，對(duì)路面結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本作品對(duì)現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)進(jìn)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(qiáng)度無(wú)縫鋼管層，水泥混凝土基層以及保溫砂漿層。經(jīng)過(guò)復(fù)配優(yōu)選的相變材料其相變點(diǎn)為5~7℃，即在5~7℃附近產(chǎn)生液固相變過(guò)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(dāng)溫度適宜，鋼管中材料相變潛熱，將熱量傳遞至表面層。此時(shí)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(dá)到預(yù)期目標(biāo)，本小組進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。首先通過(guò)分層澆注、兩次成型的工藝，利用自行設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)后，評(píng)價(jià)表面的融冰情況，試驗(yàn)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(yàn)時(shí)環(huán)境溫度在10℃左右，相對(duì)濕度60％），同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)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(guò)鋼管傳導(dǎo)到路面板表面，因而融冰防凍效果得到了增強(qiáng)。 作品的研究成果計(jì)劃在京珠復(fù)線長(zhǎng)湘潭段某匝道橋試驗(yàn)段施工，具體細(xì)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(jì)為四層：表面瀝青混凝土層、水泥混凝土基層、含相變儲(chǔ)能材料的高強(qiáng)度方鋼管和加熱電纜層、保溫砂漿層。 因?yàn)橄嘧儾牧铣貫橐簯B(tài)，故必須進(jìn)行封裝，同時(shí)要求具有足夠的強(qiáng)度。同時(shí)，考慮到路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求，擬采用高強(qiáng)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(jìn)行了兩端封口設(shè)計(jì)，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(zhǎng)期的冰凍作用，當(dāng)管內(nèi)相變材料完成固液相變后，其相變放熱效應(yīng)會(huì)降低，失去融雪除冰效果，因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，擬通過(guò)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(guò)程，達(dá)到持續(xù)向路表放熱的效果。示意圖如圖3所示。值得說(shuō)明的是，外電路的加熱過(guò)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(dòng)，不需長(zhǎng)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，交通部制定了我國(guó)到2020年，高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到10萬(wàn)公里左右，基本建成國(guó)家高速公路網(wǎng)的宏偉規(guī)劃。面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求量，同時(shí)考慮到本作品各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。能夠?yàn)槲覈?guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(chǎng)前景，經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1．設(shè)計(jì)發(fā)明目的： （1）對(duì)傳統(tǒng)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行梯度功能設(shè)計(jì)，引入相變儲(chǔ)能材料，建立相關(guān)的設(shè)計(jì)原則及性能評(píng)價(jià)方法； （2）通過(guò)試驗(yàn)研究，制備出用于高等級(jí)公路路面各層材料體系，并建立性能評(píng)價(jià)方法及質(zhì)量控制體系。 2．基本思路： 針對(duì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(diǎn)： （1）通過(guò)大量試驗(yàn)，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(diǎn)，有效延長(zhǎng)了混凝土路面的耐久性，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命提高15%～30%，相關(guān)核心技術(shù)已獲國(guó)家專利。 （2）引入相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行路面板的防凍抗滑設(shè)計(jì)，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(jì)，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(guó)內(nèi)外具有首創(chuàng)性。 4．技術(shù)關(guān)鍵： （1）相變儲(chǔ)能材料體系在路面結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)； （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(guò)渡區(qū)處理技術(shù)及優(yōu)化措施。 5．技術(shù)指標(biāo)： （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(jì)出具有梯度功能的路面板結(jié)構(gòu)模； （3）制備出含相變儲(chǔ)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(jìn)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(jìn)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(jì)，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(duì)冬季極端冰雪氣候的應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制薄弱，常用的融雪劑對(duì)路面的損傷十分嚴(yán)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(chǔ)能材料體系，利用相變過(guò)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(chǔ)能材料與梯度功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，可有效延長(zhǎng)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(fèi)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(shì)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- （1）獲校內(nèi)大學(xué)生科技立項(xiàng)三等獎(jiǎng)； （2）全國(guó)交通科技大賽校內(nèi)選撥賽二等獎(jiǎng)； （3）獲得國(guó)家級(jí)“大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”資助； （4）獲得兩項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)為： 201020142449.9 201020142424.9 （5）在國(guó)內(nèi)權(quán)威期刊《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》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(jì)及模型試驗(yàn)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(jìng)賽二等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段。項(xiàng)目的研究成果計(jì)劃在京珠復(fù)線長(zhǎng)湘線某匝道橋試驗(yàn)段施工，具體施工細(xì)節(jié)正在籌備中。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 文字、圖片、視頻、模型
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品主要體現(xiàn)在為高等級(jí)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(guò)引入相變儲(chǔ)能材料和梯度功能設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，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(guó)原創(chuàng)性的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、整體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)耐久性和服役壽命。在長(zhǎng)期冰凍條件下，當(dāng)管內(nèi)相變材料完成固液相變后，可通過(guò)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(guò)程，達(dá)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(guó)家高速公路網(wǎng)”規(guī)劃中占有較大比重。對(duì)于市場(chǎng)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(bǔ)和維修費(fèi)用，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)節(jié)約大量的資金、人力。因此，本項(xiàng)目的開展將具有十分廣闊的應(yīng)用空間及市場(chǎng)前景，間接經(jīng)濟(jì)效益尤為顯著。
同類課題研究水平概述
- 1、梯度材料設(shè)計(jì)方法在水泥混凝土中的研究及應(yīng)用： 國(guó)外Maalej, M.等研發(fā)出功能梯度混凝土梁并進(jìn)行了一系列的研究，但大多基于應(yīng)用成果及試驗(yàn)現(xiàn)象的報(bào)道，而對(duì)內(nèi)部界面特征及體積變形等問(wèn)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(píng)價(jià)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(duì)水泥基材料進(jìn)行增強(qiáng)以及在應(yīng)用中出現(xiàn)的若干問(wèn)題。 國(guó)內(nèi)的楊久俊等人最先引入功能梯度材料設(shè)計(jì)原理，進(jìn)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(qiáng)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(wèn)題尚需要進(jìn)一步深入研究。 2、當(dāng)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(guó)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(jī)械清除積雪。人工除冰雪功效低、浪費(fèi)人力、作業(yè)成本高、占有路面時(shí)間長(zhǎng)、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(duì)城市環(huán)境也產(chǎn)生了不可忽視的危害。機(jī)械除冰雪除冰和保護(hù)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(yán)重、成本高，無(wú)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(shí)驗(yàn)室中導(dǎo)電層的鋪設(shè)和電極的制作、安置比較容易實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際應(yīng)用整個(gè)工作比較復(fù)雜，會(huì)遇到實(shí)際困難，這些都是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)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(wèn)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(jì)中，引入相變儲(chǔ)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(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必須，符合我國(guó)“可持續(xù)發(fā)展”的時(shí)代要求。
