北京建筑大學：科研團隊研發(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“地熱毯”上苦不堪言；傳統(tǒng)施工工藝導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)象導致路面易破裂，使用壽命縮短。北京建筑大學土木與交通學院教師索智綜合以上問題，從人文關懷的角度，率領科研團隊就多功能道路材料進行研發(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)目前大多采用機械除冰雪、撒布融雪劑等被動方法。國外技術人員很早就已開始研究道路自融法，變被動為主動。索智帶領團隊結(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，從而達到抑制道路表面結(jié)冰和自動融化道路積雪的效果。“融雪通”路面添加劑的優(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)路面冰點的自由調(diào)節(jié)，最大適用溫度可達零下30℃，且價格僅為國外技術的一半。

  “融雪通”除冰添加劑已在張承高速承德段完成鋪設試驗，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隊提出向“融雪通”中添加橡膠材料，通過增強路面彈性，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，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雜制作工藝，使路面控溫技術水平能夠?qū)崿F(xiàn)路面降溫7-8℃，但其控溫材料售價高達每噸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，索智團隊在早期研究成果的基礎上進行了全方位改進，提出路面控溫要“由表及里”，從吸熱和散熱兩方面治標更要治本。針對路面吸熱問題，科研團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。最終團隊研發(fā)出“清涼爽”生態(tài)控溫復配技術，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、凈化下滲補充城市地下水資源，這將進一步緩解城市內(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。市政交通道路建設與養(yǎng)護往往都選在夏季進行，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水影響路用質(zhì)量。這種極高的路面溫度加上機械設備運轉(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?，F(xiàn)有技術設備最高能實現(xiàn)2毫米裂紋檢測，一旦無法及時修復裂紋，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，需要動用瀝青攪拌樓、攤鋪機、壓路機等多種機械，局部修復養(yǎng)護費比新建費用大致高出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想，研制出道路材料中的“血小板”，即“自愈樂”。

  “自愈樂”是一種復配性材料，由樹脂和膨脹水泥等構(gòu)成。當?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反應生成新的凝膠物質(zhì)，形成路面材料的強度，起到組織修復的功能。在道路材料中加入“自愈樂”仿生修復劑就如同給道路植入免疫系統(tǒng)，當降雨來臨時，道路中的自愈劑便會吸水膨脹，堵塞裂縫、修復裂縫，使道路恢復如初。相關部門統(tǒng)計，如果“自愈樂”應用于北京市主干路，將節(jié)約道路裂縫修補所需的費用約11.9億元，平均每15年節(jié)約罩面施工費用約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，索智帶領團隊針對“‘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的事物中找到答案的思考。團隊組長謝聰聰說：“霧霾產(chǎn)生的原因是大氣中各種懸浮顆粒物含量超標，而道路的特點是面積大，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，研究團隊向可以吸收“霧霾”的道路進行拓展，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塵。在理想狀況下，可以吸收空氣中的揚塵高達51%。經(jīng)過反復模擬實驗，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塵量。經(jīng)測定，“防霾路”材料可以吸收6次沙塵暴和9次揚塵，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”。

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