北京建筑大學(xué)：科研團(tuán)隊研發(fā)多功能道路材料

  清涼道路鋪裝新材料

  每逢雨雪天氣，路面積雪濕滑對通行安全造成極大隱患；夏季高溫時節(jié)，硬化道路吸附大量光熱，行人走在炙烤的“地?zé)崽骸鄙峡嗖豢把?；傳統(tǒng)施工工藝導(dǎo)致路面初始平整度低，瀝青面層間粘連不能形成嵌鎖，造成層間不連續(xù)等現(xiàn)象導(dǎo)致路面易破裂，使用壽命縮短。北京建筑大學(xué)土木與交通學(xué)院教師索智綜合以上問題，從人文關(guān)懷的角度，率領(lǐng)科研團(tuán)隊就多功能道路材料進(jìn)行研發(fā)。

  “融雪通”除雪好幫手

  傳統(tǒng)瀝青路面積雪處理，通常采用封閉道路集中清理的作業(yè)方法。不僅影響車輛正常行駛，還易造成路段堵塞。國內(nèi)目前大多采用機(jī)械除冰雪、撒布融雪劑等被動方法。國外技術(shù)人員很早就已開始研究道路自融法，變被動為主動。索智帶領(lǐng)團(tuán)隊結(jié)合國內(nèi)實際情況，最終發(fā)明“融雪通”路面添加劑，通過向傳統(tǒng)瀝青材料中添加此種自融雪阻冰的材料，降低路面的冰點(diǎn)，從而達(dá)到抑制道路表面結(jié)冰和自動融化道路積雪的效果?！叭谘┩ā甭访嫣砑觿┑膬?yōu)勢在于，根據(jù)地區(qū)間低溫環(huán)境的差異，通過調(diào)整道路組合材料的配比比例，實現(xiàn)路面冰點(diǎn)的自由調(diào)節(jié)，最大適用溫度可達(dá)零下30℃，且價格僅為國外技術(shù)的一半。

  “融雪通”除冰添加劑已在張承高速承德段完成鋪設(shè)試驗，經(jīng)歷了一個冬季的考驗，路面融雪除冰效果明顯。索智說，“融雪通”極大地改善了道路自身融雪阻冰的功能，降低了行車危險系數(shù)，也大大減輕了傳統(tǒng)清雪工作的壓力。為提高道路自除冰能力團(tuán)隊提出向“融雪通”中添加橡膠材料，通過增強(qiáng)路面彈性，使其在車輪擠壓下產(chǎn)生形變而將冰雪剝離。

  “清涼爽”路面變溫器

  在北上廣等人口密集的城市對道路的需求量也日漸攀升，中心城區(qū)道路密度大，城市硬化路面吸附熱量的能力與綠地相比相差甚遠(yuǎn)，加之黑色路面更讓熱量難以有效散發(fā)。

  目前，國外采用微膠囊封裝等復(fù)雜制作工藝，使路面控溫技術(shù)水平能夠?qū)崿F(xiàn)路面降溫7-8℃，但其控溫材料售價高達(dá)每噸15萬元，控溫路面其造價每平方米約2千元，約是瀝青路面的4倍。

  鑒于此種情況，索智團(tuán)隊在早期研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全方位改進(jìn)，提出路面控溫要“由表及里”，從吸熱和散熱兩方面治標(biāo)更要治本。針對路面吸熱問題，科研團(tuán)隊利用石油樹脂等制作透明基質(zhì)膠結(jié)材料，通過搭配礦物色粉，可以將路面顏色由黑色改為任意顏色，極大降低了熱量在路面的聚集。在道路散熱方面，選擇用成本低廉、吸熱效果良好的水作為相變控溫材料，自主研發(fā)制成主動吸附保水改性劑，利用水升溫慢的特性吸收路面產(chǎn)生的熱量。最終團(tuán)隊研發(fā)出“清涼爽”生態(tài)控溫復(fù)配技術(shù)，實現(xiàn)路面降溫13.4℃，能夠有效幫助空氣溫度降低4.5℃，而這種路面材料的價格每噸僅需2萬元左右。索智介紹，“路面控溫在發(fā)展的過程中還可以與‘海綿城市’建設(shè)相結(jié)合，通過改變路面配級，增大粗集料比例以增大孔隙率，在實現(xiàn)路面加快對流散熱的同時，更好地匯集地表徑流、凈化下滲補(bǔ)充城市地下水資源，這將進(jìn)一步緩解城市內(nèi)澇和沉降問題。

  “自愈樂”道路創(chuàng)可貼

  瀝青路攤鋪的初壓環(huán)節(jié)溫度一般保持在110—140℃之間，復(fù)壓環(huán)節(jié)溫度也必須保持在120—130℃，碾壓6次以上才能保證瀝青混料的穩(wěn)定成型。市政交通道路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)往往都選在夏季進(jìn)行，目的就是要利用高溫環(huán)境，讓瀝青混凝土在攤鋪后容易碾壓密實，避免因低溫變硬造成日后路面進(jìn)水影響路用質(zhì)量。這種極高的路面溫度加上機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，讓施工環(huán)境非常艱苦。

  此外，道路養(yǎng)護(hù)不僅人工成本極高，而且還面臨路面裂隙初期難以檢測的難題。現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備最高能實現(xiàn)2毫米裂紋檢測，一旦無法及時修復(fù)裂紋，雨水侵入后將會使道路承載力大幅下降。瀝青路面局部修復(fù)，需要動用瀝青攪拌樓、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等多種機(jī)械，局部修復(fù)養(yǎng)護(hù)費(fèi)比新建費(fèi)用大致高出4—5倍。這也是道路材料亟需“改貌換新顏”的一大誘因。

  索智基于仿生學(xué)理念，從人體傷口自愈合得到靈感，在研究過程中提出道路裂隙自我愈合的設(shè)想，研制出道路材料中的“血小板”，即“自愈樂”。

  “自愈樂”是一種復(fù)配性材料，由樹脂和膨脹水泥等構(gòu)成。當(dāng)?shù)缆樊a(chǎn)生裂縫時，樹脂吸收滲入的雨水體積膨脹，快速封堵裂縫，使路面“傷口”暫時愈合。隨后，膨脹水泥在通過水化學(xué)反應(yīng)生成新的凝膠物質(zhì)，形成路面材料的強(qiáng)度，起到組織修復(fù)的功能。在道路材料中加入“自愈樂”仿生修復(fù)劑就如同給道路植入免疫系統(tǒng)，當(dāng)降雨來臨時，道路中的自愈劑便會吸水膨脹，堵塞裂縫、修復(fù)裂縫，使道路恢復(fù)如初。相關(guān)部門統(tǒng)計，如果“自愈樂”應(yīng)用于北京市主干路，將節(jié)約道路裂縫修補(bǔ)所需的費(fèi)用約11.9億元，平均每15年節(jié)約罩面施工費(fèi)用約23.7億元，同時每年還能減少碳排放1633.5噸。

  “防霾寶”全自動空氣凈化器

  除了“融雪”“降溫”“省錢”之外，索智帶領(lǐng)團(tuán)隊針對“‘霧霾’降低了能見度，成為潛伏在道路上的隱患”現(xiàn)象，做出是否能在健康和道路兩個看似毫不相關(guān)的事物中找到答案的思考。團(tuán)隊組長謝聰聰說：“霧霾產(chǎn)生的原因是大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)，而道路的特點(diǎn)是面積大，如果可以研制一種吸收霧霾的路面材料，既可以有效吸收霧霾，又能夠提升道路能見度，來實現(xiàn)一舉兩得之功效?！币源藶槌霭l(fā)點(diǎn)，研究團(tuán)隊向可以吸收“霧霾”的道路進(jìn)行拓展，取得“防霾路”的研究成果。其原理是路面結(jié)構(gòu)使用密級配，顆粒間的縫隙小，這樣可以有效防止水分蒸發(fā)，在道路表面形成一層厚約0.61毫米的水膜，通過這層水膜來吸收空氣中的揚(yáng)塵。在理想狀況下，可以吸收空氣中的揚(yáng)塵高達(dá)51%。經(jīng)過反復(fù)模擬實驗，并且專門研發(fā)了抑塵分析儀，可以模擬北京的沙塵暴環(huán)境，用來測試“防霾路”一次最多可以吸收的揚(yáng)塵量。經(jīng)測定，“防霾路”材料可以吸收6次沙塵暴和9次揚(yáng)塵，將道路變成地表的呼吸系統(tǒng)，有效吸收空氣中的塵霾等污染物，降低了城市“霧霾”現(xiàn)象，使道路成為名副其實的“全自動空氣凈化器”。

  “雖然技術(shù)研發(fā)面對的都是冷冰冰的數(shù)字，但是技術(shù)本身就是要為人服務(wù)，”索智說。多功能路面材料研發(fā)已初見成效，項目研發(fā)在未來仍需更加關(guān)注人性化問題，讓成果更好地滿足生活需要。