压电材料与路面材料一体化发电路面技术研究

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压电材料与路面材料一体化发电路面技术研究

王朝辉1，王海梁1，李彦伟1,2,3，刘志胜1，封栋杰1

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；3.石家庄交通运输局，河北 石家庄 050051)

摘要：为探索基于压电材料与路面材料一体化的发电路面，优选性能良好压电材料制备压电发电沥青混凝土并检验其路用性能，同时依据电极布设方式设计了d31，d33型两种压电沥青混凝土发电路面结构，通过对比分析绝缘处理、压电材料纤维化、极化处理3种处置措施下的电能输出效果，确定了压电材料与路面材料一体化发电路面较为合理的处置方法。结果表明：压电材料在沥青混凝土中可较好发挥压电性能，且压电发电沥青混凝土的路用性能满足规范要求；d31，d33型两种发电路面结构可较好实现路面电能收集；3种处置方式下的电能输出效果逐步提高，绝缘处理可较大程度减小感应电场影响，极化处理可有效改善输出状况，二者的综合作用对压电发电沥青混凝土压电性能的表征具有重要作用，可作为压电发电沥青混凝土电能测试的关键处置措施；最后提出未来压电发电沥青混凝土电能输出研究改进建议。

关键词：道路工程；发电路面；能量输出;压电沥青混凝土；压电材料；能量输出

0 引言

随着环境资源的枯竭，能量的回收再利用得到整个社会的重视。近年来我国公路里程和机动车保有量急速增加，道路在车辆荷载的频繁作用下内部积存了大量的机械振动能量[1]。因此，开发出一种可将道路内部机械应变能转化为电能的发电路面得到越来越多人的关注。压电材料作为一种在荷载作用下可产生电荷的功能转换型材料，随着对其性能和应用研究的日趋深入，基于压电材料压电效应开发的压电换能器实现了机械应变能到电能的转换[2-4]，但是基于压电换能器的发电路面存在对原路面结构损害大、造价高、施工复杂、应用推广困难等缺陷[5-7]，如若开发出一种压电材料与路面材料一体化的道路压电发电沥青混凝土，将荷载作用下路面变形产生的机械能直接转化为电能，可较好解决压电元件埋置到路面中时所引起的诸多危害，具有广阔的应用前景。现阶段涉及导电沥青混凝土的研究较为常见，通过在沥青混凝土中掺加炭黑、钢纤维、碳纤维等材料来改善其导电性能，两端接通电源时，利用电能-热能的转化作用实现路面的融雪化冰功能[8]。而针对压电发电沥青混凝土的研究未见相关报道，仍处于探索研究阶段。

本文基于压电材料与路面材料一体化思想，优选性能良好压电材料制备压电发电沥青混凝土并检测其路用性能，同时依据电极布设方式设计了两种发电路面结构，通过系统分析绝缘处理、压电材料纤维化、极化处理3种处置措施下发电路面电能输出效果，全面探索了压电材料与路面材料一体化路面发电技术，为发电路面新技术的研究奠定基础。

1 压电发电沥青混凝土原材料及制备

1.1 试验原材料及技术指标

(1)压电材料

常用压电材料主要有无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料，其中无机压电材料具有较高的机械品质因数和稳定性，然而压电性能相对微弱；薄膜状有机压电材料具有低疲劳、大应变等优点，但压电系数小、耐温变性能差且在路面石料棱角作用下易发生形状破坏；复合压电材料种类少与价格昂贵的特点不适用于道路工程领域[9-11]。因此选择具有自发极化作用的无机压电晶体材料Tourmaline粉、Tourmaline负离子粉及压电电荷常数较高的无机压电陶瓷锆钛酸铅粉用于压电沥青混凝土一体化研究，为方便书写下文分别以A，B和C代指上述3种材料，其中压电材料A，B是两种原生矿物，具有压电、热电效应以及自发极化效应，在应力作用下晶体内部正负极性中心不重合从而产生电荷，是较为理想的发电路面压电材料。而压电材料被应用于沥青混凝土时，将被沥青包裹以沥青胶浆的形式存在于混合物中，压电性能将会产生一定的变化。

为评价压电材料压电性能及应用于沥青混凝土时的电性能发挥情况，本文参照电子陶瓷相关规范制作压电矿物粉体性能检测试件，同时按照以下步骤制备得到压电矿物/沥青复合材料性能检测试件：按照压电材料和沥青质量比1∶4称取相应材料，于160 ℃下混合搅拌20 min，将高温下处于流淌状态的均匀混合物灌入涂有隔离剂的试模，借助MTS压力系统施加10 MPa荷载保持5 min，继而冷却、脱模、粘贴电极，并按照极化温度50 ℃、极化电压3 kV/mm、极化时间10 min的条件进行极化处理，制备得到尺寸为φ16 mm×1.5 mm的复合材料测试试件。采用ZJ-3A型准静态测试仪进行压电常数测试，采用HP4294A精密阻抗分析仪在频率1 kHz下测量样品介电电容和介质损耗，测量温度范围为室温至180 ℃，升温速率为5 ℃/min，计算得到样品的介电常数，试验结果如表1所示。

表1 压电材料主要性能指标
Tab.1 Main performance indexes of piezoelectric material

压电材料密度/(g·cm-3)压电系数/[×10-12(PC·N-1)]介电常数介电损耗/%机电耦合系数/%A2.91.213.520.512B2.84.012.850.413C7.645023001.551A+沥青—1.092.74——B+沥青—3.822.29——C+沥青—3272036——

测试结果表明压电材料A，B和C在常规状态下压电性能优异，且压电矿物/沥青复合材料相较纯矿物材料压电性能无明显降低，表明压电材料在沥青中仍可较好地发挥压电性能，能够用于压电发电沥青混凝土的制备。

(2)导电材料

普通沥青混凝土导电性能较差，不利于压电材料产生电荷的流动，但已有相关研究表明，在沥青混合料中掺加一定体积分数的石墨材料可有效提高沥青混合料的导电性能，且其路用性能能够满足规范要求，因此选定石墨粉体作为导电材料。导电电极为电荷收集的关键一环，应根据道路受力特性选取耐久性较好的结构，考虑施工便利性选择常见的石墨电极和金属网电极作为电能收集装置，电极埋设前通过导电胶在其表面覆盖粘结一定量导电石墨以提高电极对电荷的收集能力，基于上述材料进行压电发电沥青混凝土的制备及能量输出研究。

(3)沥青及集料

文中试验所用沥青为SBS I-D型改性沥青，试验检测结果表明沥青各项技术指标均符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中规定的质量要求；所用粗集料为优质玄武岩，细集料为机制砂，矿粉为优质石灰岩矿粉，集料与矿粉洁净、干燥、无杂质，试验检测结果表明集料与矿粉各项技术指标均符合《公路沥青路面设计规范》(JTJ D50—2006)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的相关规定。限于文章篇幅要求，沥青及集料等各项指标具体检测结果在文中不予详述。

1.2 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，级配组成见表2。

表2 AC-13级配组成
Tab.2 Gradation of AC-13

筛孔尺寸/mm1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成级配/%10096.576.75336.626.118.511.98.15.8

按照上述级配，依据我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定，通过马歇尔试验确定其最佳沥青用量为4.9%，但依此最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最佳沥青用量为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%。

1.3 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4 000～5 000 r/min剪切速度剪切20～30 min，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30 s，喷入基础沥青和压电材料混合物湿拌90 s；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90 s，制备得到压电发电沥青混凝土。

1.4 压电发电沥青混凝土路用性能检测

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》(JTG E20—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，结果如表3所示。

表3 压电沥青混凝土路用性能检测结果
Tab.3 Test result of pavement performance of piezoelectric asphalt concrete

路用性能SBS沥青混凝土压电沥青混凝土ABC规范要求试验方法JTGE20—2011高温性能/(次·mm-1)8290773870396756≥2800T0719—2011低温性能抗弯拉强度/MPa12.09.310.59.8—T0715—2011破坏应变2932256526682629≥2500T0715—2011劲度模量/MPa4552340935093372—T0715—2011劈裂应变能/(kJ·m-3)31529307463054231294—T0716—2011水稳性能残留稳定度/%91.0788.7887.4085.69≥85T0709—2011冻融强度比/%90.9581.0682.4380.72≥80T0729—2000疲劳性能(s=0.5)/次13061139161321913894T0739—2011

从表3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。

2 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，如图1所示。图1(a)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；图1(b)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。

图1 压电发电路面电能产生示意图
Fig.1 Schematic diagram of power production inpiezoelectric pavement

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，如图2所示。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，如图2(a)所示。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，如图2(b)所示。

图2 压电发电路面电极布置及能量输出电路图
Fig.2 Electrode arrangement and energy output circuit ofpiezoelectric pavement

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300 mm×300 mm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φ10 mm×50 mm，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300 mm×300 mm×50 mm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。

3 压电发电沥青混凝土路面能量输出研究

3.1 压电发电沥青混凝土电性能测试指标与方法

压电材料产生的压电能表现出高电压、低电流的特性，输出能量数量级微小，将其作为电能输出评价指标时，测试电路和检测仪器的内耗易导致测试结果产生巨大偏差。而电压检测不需外接检测电路，能耗较少，所测开路电压便可真实表征压电发电沥青混凝土的压电性能，故可作为评判电能输出特性的主要指标。压电发电路面在荷载作用下产生的电能为交流电，其频率与荷载作用频率具有一定的相关性，因此，所测输出电信号频率能够一定程度反映能量输出特性，可作为压电性能观测的次要指标。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)要求的方法分别成型d31，d33型压电发电混凝土试件，通过车辙试验仪胶轮对其施加0.7 MPa的直接往复碾压作用(21次/min，15 Hz)，采用RIGOL示波器测试其能量输出状况。为更精确地进行压电性能测试，考虑输出电压可能较为微小，故采用一定的信号放大装置对输出电压进行放大处理，并通过示波器记录测试结果。

3.2 绝缘处理压电发电沥青混凝土压电性能

在无绝缘状态下进行电性能检测时，示波器检测出较高电压，频率为50 Hz左右，连接LED灯珠(工作电压1.8～2.2 V)没有产生毁坏、点亮等现象。究其原因，试验设备为大型用电仪器，易受环境感应电场的影响，导致测试结果出现假象。因此，改进试验条件，在试件四周底部增设绝缘耐高温塑胶隔离层，保证试件的绝缘性，采用上述解决方案检测d33压电发电沥青混凝土的压电性能，调节信号放大器进行10倍放大观测结果，经换算后记录真实测试结果如表4所示。

表4 d33压电发电沥青混凝土测试电压
Tab.4 Test voltage of d33 piezoelectric asphalt concrete

状态空白压电沥青混凝土ABC常态/V0.00.10.20.2受力/V0.00.20.50.8电压增值/V—0.10.30.6输出频率/Hz0.017.3～20.317.6～19.717.4～20.1

从表4中可以看出，绝缘处理发电路面电压实测数值较小，表明该处理措施能够有效隔绝车辙仪周围感应电场的影响，使压电性能得以真实的表露。发电路面试件内部压电材料分散，与沥青以沥青胶浆的形式存在，在路面结构中起到填充集料孔隙的作用，仅受到拉应力或者很小的压应力作用，相关激励微弱导致产生电荷量较少，同时石墨粉仅能使部分电子流动，加之沥青混凝土内阻较大，因此呈现出低电压现象。另外，压电输出频率在17～20 Hz左右，与民用交流电工频出现了较大的差距，试验时已排除各种干扰因素，测试结果即为压电发电沥青混凝土电压频率，表明绝缘处理下的压电发电沥青混凝土能够产生电荷。

3.3 压电纤维沥青混凝土压电性能

压电粉体材料由于所受应力、应变较小，产生电荷较少。而纤维在沥青混合料中可形成三维网状体，在较小的压应力作用下，便可产生较大的应变，故压电材料以纤维状态存在时，更有利于其压电性能的发挥。

压电纤维是以压电矿物A为基体，通过掺加一定提高力学特性的辅助材料，基于溶胶-凝胶法制备得到连续、均匀的压电纤维。以上文压电沥青混凝土配合比设计及制备方案为基础，将少量压电纤维通过外掺投入方式拌和制备得到压电纤维发电沥青混凝土，检测混凝土压电性能结果如表5所示。

表5 压电纤维技术指标
Tab.5 Technical indexes of piezoelectric fiber

类型平均直径平均长度压电系数/\[×10-12(PC·N-1)\]介电常数压电A纤维0.15mm≤8mm7.8414.93

从表6可以看出，加入压电纤维材料的d33型压电发电沥青混凝土在荷载作用下的压电性能可达到1.5 V，相对于普通压电材料压电发电沥青混凝土的压电效果提高1.4 V，同时输出频率较为紊乱地保持在17.2～20.4 Hz左右，表明该沥青混凝土具备压电发电功能，同时压电材料纤维化处置措施能够一定程度的提高输出效果。

表6 d33压电发电沥青混凝土测试电压
Tab.6 Test voltage of d33 piezoelectric asphalt concrete

状态空白压电沥青混凝土压电A纤维常态/V0.00.1受力/V0.01.5电压增值/V—1.4输出频率/Hz017.2～20.4

由3.2和3.3节研究成果可得，绝缘处理可有效屏蔽外界环境影响，压电材料纤维化较普通压电材料可小幅提升压电输出效果，但总体达不到预期目标，其原因则为：压电材料加入到沥青混凝土中，具有自发极化或受力极化的粒子单独分布在一个相对自由的空旷环境中，每一个粒子都有独自自由的极化方向。压电材料的粒子产生电荷后，自由极化易使得某些电荷正负相抵，电能在内部消耗而不是顺着电极输出。另外，具有自发极化能力的压电材料在沥青混凝土试件成型后，其自发极化方向可能与感应电压相反，达不到电荷的有效移动，因此应对压电发电混凝土进行极化处理。

3.4 极化处理压电发电沥青混凝土压电性能

极化工艺对压电材料压电性能的表征有着重要的影响作用，合理的极化工艺需采用较优的极化条件，即选择合适的极化电场强度(E)、极化温度(T)和极化时间(t)，各条件之间是相互关联的，如果极化电场弱，则可采用提高温度和延长极化时间来弥补；如果电场较强、温度较高，则极化时间可一定程度缩短[12]。由于压电材料A，B，C具有自发极化效应，压电发电沥青混凝土极化与普通压电材料极化的目的不同，仅需将压电发电沥青混凝土中紊乱的自发极化方向调整一致，因此所需能量较少，故选用极化电压为220 V，极化温度为50 ℃，为提高极化程度，将其合理延长极化时间，将其设定为6 h。根据上述方案对试件进行极化处理并检验其压电性能，调节信号放大器进行10倍放大观测结果，记录换算后真实结果如表7所示。

表7 极化后的压电性能

Tab.7 Piezoelectric properties after polarization treatment

状态空白压电A纤维BC常态/V0.00.10.30.2受力/V0.02.42.12.3频率/Hz0.016.3～19.416.7～19.716.4～18.9

从表7可以看出，加入压电材料A纤维的压电发电沥青混凝土输出电压最高可达2.4 V，B和C两种压电材料沥青混凝土试件压电性能也有明显的提升，相较前文所述的处置措施具备3～4倍的提升功效，保持在可采集利用的范围内；同时其输出频率较为紊乱的保持在16.3～19.7 Hz范围内，接近路面的固有振动频率15 Hz，与理论分析保持较高的一致性，表现出更为显著的压电性能，表明极化处理对于改善压电发电沥青混凝土电能输出状况具备至关重要的作用，能够有效提高电能输出效果。

3.5 压电发电沥青混凝土路面改进建议

通过改进措施处理的压电发电沥青混凝土压电性能能够得以明显的表征，验证了压电材料与路面材料一体化发电路面的工程可行性，通常状况下输出电压越高则更便于对其进行收集利用，因此需通过后期研究进一步提升电能输出状况，建议压电发电沥青混凝土进一步研究方向如下：

(1)开发导电性能良好的沥青混凝土，减小混凝土内阻，提高电荷在混凝土中的传递效率，增大混凝土的导电性。

(2)针对压电发电沥青混凝土电流的随机特性，合理布设电能收集装置，开发具备调波滤波功能的外接测试电路，高效率地进行电能收集。

(3)针对压电发电沥青混凝土工作特性及施工技术特点，优化极化方法，开发极化设备，提高极化程度，屏蔽局部极化对电荷流向的不利影响。

4 结论

(1)被沥青包裹的压电材料可较好地发挥压电性能，基于压电材料与路面材料一体化思想制备得到的压电发电沥青混凝土路用性能可满足规范要求。

(2)依据不同电能收集模式，开发设计出d31，d33型两种压电发电沥青混凝土发电路面结构，从不同方向进行路面电能收集。

(3)对比分析绝缘处理、压电材料纤维化、极化处理3种处置措施下的电能输出效果，表明绝缘处理可有效减小感应电场影响，压电材料纤维化可小幅提升电能输出效果，极化处理对于改善电能输出状况具备至关重要作用，3种措施综合处理下的最大输出电压可达2.4 V左右，表明三者的有效结合对于压电发电沥青混凝土压电性能的发挥起着至关重要的作用。

(4)针对压电发电沥青混凝土能量输出研究成果，提出增大混凝土导电性、开发电能采集电路、完善极化方法等压电发电沥青混凝土进一步研究方向。

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Study on Technology of Power Pavement Based on Integration of Piezoelectric Material and Pavement Material

WANG Chao-hui1, WANG Hai-liang1, LI Yan-wei1,2,3, LIU Zhi-sheng1,FENG Dong-jie1

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shaanxi, 710064 China; 2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804,China;3. Shijiazhuang Transport Bureau, Shijiazhuang Hebei 050051, China)

Abstract： In order to develop the power pavement based on the integration of piezoelectric material and pavement material, the piezoelectric materials with good performance are optimized to prepare piezoelectric asphalt concrete and test its pavement performance. Based on the layout of electrode, 2 kinds of power pavement structure called d31 and d33 are designed at the same time. Through comparatively analyzing the effects of power output under the disposal measures of insulation treatment, fibrosis on piezoelectric materials and polarization treatment, the reasonable treatment method of power pavement integrating piezoelectric materials with pavement materials is determined. The result shows that (1) the piezoelectric properties of piezoelectric materials in asphalt concrete could be fully played，and the pavement performance of piezoelectric asphalt concrete meet specification requirements; (2) 2 kinds of power pavement structure collect power effectively; (3) the effect of power output improves gradually under 3 kinds of disposal measure, insulation treatment could decrease the influence of induced electric field in a greater degree, polarization treatment could improve the output condition of power, the comprehensive effect of them plays an important role in the characterization of piezoelectric property of piezoelectric asphalt concrete, it can be used as a key treatment measure for the electric test measurement of piezoelectric asphalt concrete. At last, the improvement advice on the study of power output of piezoelectric asphalt concretes in the future is put forward.

Key words： road engineering; piezoelectric pavement; power output piezoelectric asphalt concrete; piezoelectric material; power output

References：

收稿日期：2015-06-03

基金项目：国家自然科学基金项目(51208045)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(310821162013)

作者简介：王朝辉(1980-)，男，河南滑县人，工学博士,副教授.([e-mail])

doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.003

中图分类号：U414.1

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)11-0014-06