摘要：本作品旨在利用一种新型材料设计一种在夏季吸收柏油路面地表热量进行存储，在冬季又能根据地表温度自动放热融化冰雪以此来实现能量循环利用并减少因路滑制动失灵而导致交通事故的新型路面。我们设计在柏油路面表层下增加一层由碳纳米管化合物组成的成型材料块，使材料块和相应催化剂管道间隔排列，之间通过一定数量的可控流通孔进行连通，流通孔的开合（即催化剂是否流通）由单片机根据地表温度控制。在夏季流通孔处于常闭状态，材料块不断吸取存储路面热量。当温度探头检测到地表温度低于某个设定值时，控制流通孔打开，材料块在催化剂的作用下释放热量，可以融化路面冰雪，同时保持路面温度基本恒温，减小因热胀冷缩对路面的破坏。本作品使夏季由于热辐射而导致的周围环境温度提高并破坏路面的高温热量转化为冬季融化冰雪的可利用资源，实现自然能量充分循环利用最大化。
关键词：新型材料；能量循环；道路交通；单片机控制
1 研究背景及意义
随着经济的发展，沥青已经成为中国高等级公路路面和城市道路路面采用的主要材料。但由于沥青路面长期暴露在自然环境中，受各种自然因素的反复作用，其温度传导和分布无论在空间上还是时间上都存在一定的复杂性。在炎热的夏季，柏油路面会汇集大量热量，随着温度升高，热量将会通过热传导、热对流、热辐射散发到周围环境中，在炎热的夏季会使人感到强烈得不适，同时持续高温对路面也有很大的挑战性。为了将路面的温度降低，目前在国内我们见的最多的还是洒水车定时洒水，当温度升高时，水分从保水材料中蒸发，带走一部分路面热量，从而降低路面的温度。但这么一来，巨大的自然资源就被白白浪费掉，我们是否可以考虑将其收集起来呢？
到了冬季冰雪季节，我国北部和中西部山区道路的积雪与结冰给通行车辆又带来了极大的安全隐患，轻则影响行车舒适性，降低通行效率，重则引发交通事故，给人民的生命财产造成极大损失。因此，如何消除冰雪条件下的安全隐患，提高行车安全成为了道路交通界亟待解决的技术难题。目前国内外对路面积雪结冰的处理，主要有外部除冰雪技术和内部除冰雪技术两大类。外部除冰雪技术有撒融雪剂、人工清除法和机械清除法等；内部除冰雪技术包括：热力融冰雪技术、掺加盐化物技术和抑制冻结铺装技术。我们都知道，目前冬季一般使用盐化物融化冰雪，其融雪机理是降低路表水的冰点，但氯盐对路面有一定的腐蚀性，还会影响路面的使用寿命，影响绿色植物生长，造成环境污染。在19世纪80年代美国等国家为了取代氯盐类融雪剂开发了一种主要成分为草酸钙镁的新型有机环保融雪剂，即草酸钙镁融雪剂(CMA)。其融雪效果能达到氯盐的90%，具有快速持久的融雪和解冻功能，同时还具有毒性低、腐蚀性低、可降解等环境优势。但CMA通常是由石灰石或石云石与草酸反应制得，成本较高，是氯盐价格的5-8倍，从而限制了其使用范围。
基于现有自然资源循环利用最大化问题，我们团队站在巨人的肩膀上思考这样一个问题：夏季的路面温度那么高，让它直接蒸发到空气中既会使周围环境温度升高，又是一种能量的浪费。而冬天融化冰雪又需要大量热量，那我们是否可以让夏季冬季的问题互补一下，即把夏季从柏油路面收集来的热量存储起来用于冬季融化冰雪呢？这样一来，夏季由于热辐射而导致的周围环境温度提高并破坏路面的高温热量转化为冬季融化冰雪的可利用资源，既保护了路面，融化冰雪，为行人、汽车驾驶提供一个安全的出行环境，又实现自然能量充分循环利用最大化，达到节能减排的目的。
2 设计方案
2.1 机械.png)
机械部分设计如图2.1.1所示，在柏油路面表层下增加一层由碳纳米管化合物组成的成型材料块，其内部设计成蜂窝状，各个连通孔相互连通，一是为了催化剂能与材料块充分接触，二是保证内外大气压平衡实现催化剂顺利流通。相应催化剂与材料块间隔排列，之间通过一定数量的流通孔进行连通。
2.2 电器控制
电器部分采用单片机自动控制,材料与催化剂之间有流通孔，流通孔的开合（即催化剂是否流通）由单片机根据地表反馈温度控制。在夏季时流通孔处于常闭状态，材料块不断吸取存储路面热量。当温度探头检测到地表温度低于某个设定值时，控制流通孔打开，材料块在催化剂的作用下释放热量，可以融化路面冰雪，同时保持路面温度基本恒温，减小因热胀冷缩对路面的破坏。
3 工作原理及性能分析
我们设计的新型路面的核心原理和性能表现是与一种名为二钌富瓦烯分子的新型材料密不可分。它在被阳光照射受到高温情况下时，内部结构会发生改变并将热量存储起来，形成一种亚稳定结构。当需要时，这些热量又能在特定催化剂的作用下被释放出来，同时其分子也会恢复为放热前的形态。这一过程可以不断重复。但由于该材料比较昂贵不适合实际生活的大面积使用，我们设计的新型路面主要是基于一种碳纳米管化合物（由偶氮苯和碳纳米管组成）来进行路面的吸热放热。该材料除了很好集成了二钌富瓦烯分子的特点，最主要的是价格低廉、热稳定性好，在能量密度上更是超过了锂离子电池。总而言之，这种物质可按需存储和释放热能：在夏季收集热量，降低路面温度；冬季又可以根据设定温度放出热量融化冰雪，实现道路通畅。
4 创新点及应用
1）将夏天的巨大热量充分收集存储，到了冬天用于道路融化冰雪，实现大自然的能量的和谐循环。
2）现有情况是夏季热量白白浪费，而冬天融化冰雪又需要新的能量输入。而我们的作品设计更多的是实现能量互补，达到节能减排目的。
3）相较于利用热泵运送热量来实现热力融化冰雪技术，其耗能大，工艺复杂，费用髙，且此项技术对沥青路面材料、结构和施工都有特殊要求，而我们设计的新型路面将材料模型化，直接就地铺设就行，比较方便，且可以实现按需储热放热，重复利用，耗能少。
5 结束语
我们设计的自适应新型道路既能保护路面，减少因路滑而致的交通事故，又能将夏季大量的热量收集存储起来在冬季最大化利用，可谓一举两得。新型道路所运用材料可按需存储和释放热能，虽然整个内部过程较为复杂，但吸收热量将其置于更高能的状态，且会长久保持稳定，额外给其添加催化剂会让其退回到原始形状，并释放出热量。由于技术及资金限制，我们的研究也只能说是一个抛砖引玉的过程，前期可以在一段高速公路上试点，如果后续能大面积运用到中国乃至全世界的柏油道路，不仅是对环境、道路工程的保护，更是实现了能源的高效循环利用，为节能减排政策的推行提供新的技术支撑。
参考文献
[1]美科学家开发碳纳米管用于太阳能储热[J]. 功能材料信息，2011(4):43-43.
[2]张殿业,明士军,石茂清.中国道路交通安全问题探讨[j],交通运输工程与信息学报，2003,（2）：1.
[3]陶文栓 传热学 西北工业大学出版社 2006
[4],邓洪超,马文星. 道路冰雪清除技术及发展趋势[j]. 机械工业出版社 2005,12
论文作者:李晨夕1 董宇1 李佳鑫2 李冠军1 王峥1
论文发表刊物:《知识-力量》2019年7月中
论文发表时间:2019/4/22
标签：路面论文; 热量论文; 冰雪论文; 材料论文; 催化剂论文; 温度论文; 夏季论文; 《知识-力量》2019年7月中论文;