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壓電發電瀝青混凝土原材料及制備

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發布日期:2019-09-25 作者: 點擊:

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試驗原材料及技術指標


       壓電材料。常用壓電材料主要有無機壓電材料、有機壓電材料和復合壓電材料,其中無機壓電材料具有較高的機械品質因數和穩定性,然而壓電性能相對微弱;薄膜狀有機壓電材料具有低疲勞、大應變等優點,但壓電系數小、耐溫變性能差且在路面石料棱角作用下易發生形狀破壞;復合壓電材料種類少與價格昂貴的特點不適用于道路工程領域。因此選擇具有自發極化作用的無機壓電晶體材料Tourmaline粉、Tourmaline負離子粉及壓電電荷常數較高的無機壓電陶瓷鋯鈦酸鉛粉用于壓電瀝青混凝土一體化研究,為方便書寫下文分別以A,B和C代指上述3種材料,其中壓電材料A,B是兩種原生礦物,具有壓電、熱電效應以及自發極化效應,在應力作用下晶體內部正負極性中心不重合從而產生電荷,是較為理想的發電路面壓電材料。而壓電材料被應用于瀝青混凝土時,將被瀝青包裹以瀝青膠漿的形式存在于混合物中,壓電性能將會產生一定的變化。


       為評價壓電材料壓電性能及應用于瀝青混凝土時的電性能發揮情況,本文參照電子陶瓷相關規范制作壓電礦物粉體性能檢測試件,同時按照以下步驟制備得到壓電礦物/瀝青復合材料性能檢測試件:按照壓電材料和瀝青質量比1∶4稱取相應材料,于160℃下混合攪拌20min,將高溫下處于流淌狀態的均勻混合物灌入涂有隔離劑的試模,借助MTS壓力系統施加10MPa荷載保持5min,繼而冷卻、脫模、粘貼電極,并按照極化溫度50℃、極化電壓3kV/mm、極化時間10min的條件進行極化處理,制備得到尺寸為16mm×1.5mm的復合材料測試試件。采用ZJ-3A型準靜態測試儀進行壓電常數測試,采用HP4294A精密阻抗分析儀在頻率1kHz下測量樣品介電電容和介質損耗,測量溫度范圍為室溫至180℃,升溫速率為5℃/min,計算得到樣品的介電常數。


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       測試結果表明壓電材料A,B和C在常規狀態下壓電性能優異,且壓電礦物/瀝青復合材料相較純礦物材料壓電性能無明顯降低,表明壓電材料在瀝青中仍可較好地發揮壓電性能,能夠用于壓電發電瀝青混凝土的制備。


      導電材料。普通瀝青混凝土導電性能較差,不利于壓電材料產生電荷的流動,但已有相關研究表明,在瀝青混合料中摻加一定體積分數的石墨材料可有效提高瀝青混合料的導電性能,且其路用性能能夠滿足規范要求,因此選定石墨粉體作為導電材料。導電電極為電荷收集的關鍵一環,應根據道路受力特性選取耐久性較好的結構,考慮施工便利性選擇常見的石墨電極和金屬網電極作為電能收集裝置,電極埋設前通過導電膠在其表面覆蓋粘結一定量導電石墨以提高電極對電荷的收集能力,基于上述材料進行壓電發電瀝青混凝土的制備及能量輸出研究。


       瀝青及集料。文中試驗所用瀝青為SBSI-D型改性瀝青,試驗檢測結果表明瀝青各項技術指標均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)中規定的質量要求;所用粗集料為優質玄武巖,細集料為機制砂,礦粉為優質石灰巖礦粉,集料與礦粉潔凈、干燥、無雜質,試驗檢測結果表明集料與礦粉各項技術指標均符合《公路瀝青路面設計規范》(JTJD50—2006)和《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40—2004)的相關規定。限于文章篇幅要求,瀝青及集料等各項指標具體檢測結果在文中不予詳述。


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