环保型智能化公路路面修筑技术研究

赵亚兰

(陕西交通职业技术学院 公路与铁道工程学院，西安 710018)

在公路基础设施建设领域，生态环境保护、资源再生利用与可持续发展已经成为我国公路建设亟待解决的重点和难点问题.围绕构建绿色交通运输体系，开展节能减排、生态环保等方面新技术、新材料、新装备、新能源的研发与示范应用，提高资源集约节约利用水平，通过技术进步推动绿色公路建设与发展.本文针对环保型智能化公路路面修筑技术，介绍了荷兰的塑料模块公路、英国伦敦的智能“鸟街”以及光伏路面，对环保型智能化公路路面的技术现状及其应用前景进行了系统分析与展望，为落实绿色公路建设与发展理念，实现可再生能源应用与可持续发展指明了方向.

1 中国公路建设资源消耗现状

为促进经济发展，近三十年中国的基础建设工程发展迅速，公路建设更是突飞猛进.公路快速发展为我们的交通运输带来巨大的便捷，但是另一方面，在公路建设过程中，公路建设成本如土地资源、物料、建设费用和环境保护费用等约占公路建设总投资的90%.

根据有关预测和估算，2007—2020年，中国规划建设二级以上公路15.5万 km，需新增用地170万 hm2，其中耕地面积为73万 hm2；沥青路面结构的高速公路每公里沥青用量达23 t；每立方米路面基层需消耗约2 t石料和80～160 kg水泥或石灰；公路建设中土石方爆破、材料加工、材料储运和拌和等也会造成生态破坏和环境污染.因此，在资源短缺、生态环境恶化、健康受到威胁的情况下，资源循环利用、环境保护显得更加紧迫.

基于此，交通运输部制定了2020年以资源节约型、环境友好型为公路水利交通发展的主要指标，要求2020年基本建成安全、便捷、高效、绿色的现代综合交通运输体系.因此，如何实现资源优化利用和环境友好也成为目前公路建设中必须急需解决的重要问题[1-2].

2 塑料模块公路(Plastic Road)

随着科技水平的快速发展，传统的公路建造技术已经不能满足“资源节约和环境友好”要求，人们也在不停的寻求创新[3-4].塑料模块公路就是荷兰研发出的一种全新公路建造技术.

2.1 塑料模块公路

图1 荷兰筑路新技术：塑料模块公路

塑料模块公路与传统公路的不同在于：它的路面结构不需要先铺水泥稳定碎石基层，只需要整平好路基，再用预先制作完成的一块块塑料公路模块平铺形成路面.塑料模块公路铺设不仅节省时间，而且铺设只需一辆车即可完成，不需要大量的人工和施工车辆，同时使用的材料都是用废旧塑料加工而成，不仅节约成本而且更加环保(见图1).

2.2 塑料模块公路性能

塑料模块公路采用内部中空设计，既可以预防公路积水，还可以在中间铺设管道、电缆，一举多得(见图2).根据测试，塑料模块公路的耐寒和耐热能力非常强：最低可以承受-40 ℃的严寒，最高可承受80 ℃的高温；而且可以自由排水，渗透性非常好.

塑料模块公路的材料是新型聚乙烯塑料，虽然是塑料，但是它的承载能力和强度非常高，能够轻松承重上百吨不变形，同时可以将承载力完美地传递给地基；其摩擦系数也符合道路使用要求，使用寿命是沥青路面的两倍以上，完全符合高速公路的各种要求；并且在积雪路段，塑料模块公路还可以通过设置加热系统，防止路面产生积雪结冰.同时塑料模块公路路面的清洁工作非常方便，用特制的清洁剂一冲，路面即可恢复干净.此外，塑料模块公路在维修方面也非常简单(见图3a)，因为塑料模块公路的构件是模块化设计，维修时只需将损坏的部件更换下来即可完成，该公路还有很强的抗震能力，比一般公路的寿命要长2～3倍(见图3b).

(a) 路面结构：内部中空设计

(b) 耐寒耐热，自由排水，渗透性强

(a) 维修养护：更换部件

(b) 承载力强，抗震性好

2.3 塑料模块公路发展及意义

目前塑料模块公路处于测试阶段，荷兰该项目的科研攻关小组计划在未来三年之内开始安装首条塑料道路.与此同时，中国科学院的新型材料研究院也正在研究用塑料替代沥青，作为公路的建设基础材料，进入实验阶段.

我们国家每年产生的废弃塑料200 亿t，要是回收再利用，可以铺设上万公里的高速公路，而成本仅仅只是沥青公路的1/10.如果推广下去，可以为我国道路建设节省几千亿元的建造成本，还有大量的时间成本和劳动力成本.

3 全球首条智能道路

3.1 全球首条智能道路：“鸟街(Bird Street)”

世界上第一条智能道路就是位于英国伦敦市中心商业区的“鸟街(Bird Street)[5]”，这条道路粗看没有什么特别，但其构造和理念却完全不同于传统道路，如图4所示.当行人走在“鸟街”上时，路面产生的能量能驱动路边的蓝牙音箱，悦耳的鸟叫声会在行人周边响起，因此这条智能道路称为“鸟街”.

(a) 聆听“鸟叫”

(b) “鸟街”全景

3.2 智能道路的原理和性能

世界首条智能道路“鸟街”踩上去的第一感觉是“软”，但科技就藏在这些上下起伏的地砖之中(见图5a)，地砖内部装有特殊结构，能通过地砖的垂直运动，使电磁感应发电机工作，将动能转换为电能(见图5b)，因此它能将踏在它身上的每一步，精确转化为5 W的能量.

(a) Pavegen地砖

(b) 能量转换

世界首条智能道路使用的地砖防水防潮，不会出现漏电情况(见图6a).目前全世界已有150多个地方铺设了这种地砖，多数应用于公共场合，“鸟街”是其中最著名的铺设地(见图6b).这种地砖在室内室外均可铺设，一旦全面普及，对城市环保和出行的便利性具有重大意义.

(a) 防止漏电

(b) 施工现场

“鸟街”不仅具有发电功能，而且还具有其他特殊功能.“鸟街”配备有API应用程序编程接口，它能传送实时的数据分析，同时把电能输送到需要的地方，不仅能为周边的电子设备充电，甚至能解决电动汽车的充电.同时这些能量还能点亮路灯，减轻城市供电的压力.除此之外，行人走的每一步还能给自己带来福利.每个行人都能下载鸟街的配套APP应用程序，用于记录步数和发电量，然后换取周边商家的折扣奖励.如果行人走累了，还可以到街角的“空气净化长椅”上呼吸“清洁空气”，见图7，这只长椅能从椅子后部的开口吸入空气，除去空气中的二氧化氮等有害气体后将其排出，炎炎夏日，坐在长椅上也能感受凉风习习.

图7 “鸟街”的空气净化长椅

3.3 智能道路的应用前景

鸟街不仅本身智能化、环保，周边建筑的粉刷材料也充分体现环保.粉红色和薄荷色的水性涂料能吸收空气的氮氧化物、灰尘和病菌，净化空气的能力堪比同面积的树林.当然，世界首条智能街道的意义不在于其本身，而是其中应用的诸多科技：电力及数据储存地砖能在客流高峰期储存大量的电力，减轻城市和企业的供电压力；空气净化长椅和空气净化涂料在公共设施和商业建筑中推广应用，能有效缓解日益严重的空气污染问题.未来如果智能道路能广泛应用于城市道路，那我们脚下的道路将成为一个巨大的发电厂.

4 光伏路面

4.1 光伏路面

光伏路面是一种新型的具备能源收集与转换功能的路面结构[6]，可以将太阳能转化成电能，最上面一层是类似毛玻璃的半透明新型材料，摩擦系数高于传统沥青路面，保证轮胎不打滑的同时，还拥有较高的透光率，可以让阳光穿透它，使下面的太阳能电池把光能转换成电能，实时输送至电网，就好像一个巨大的充电宝，这种新型路面既能满足道路上的电能需求，又能保障道路安全.光伏路面是一项挑战性很强的技术探索，旨在将光伏发电工程与道路工程相结合，实现路面承载与发电的功能融合，进而以此为平台实现车路之间能量与信息的交互.

4.2 光伏路面组成和应用

光伏路面的工作原理是通过太阳能电池和沥青层上的电气系统组成的复合层来实现能源收集与能源转换的功能，它由3层组成：第一层是一层能够透过阳光的透明多孔的表面层，可以供汽车行驶；第二层由太阳能电池、电气系统、连接部件以及将行车荷载传递扩散至沥青层的底座组成；第三层是沥青基层，上面两层被合并放置在沥青基层之上，见图8.

(a) 光伏路面断面图

(b) 光伏路面

全球首段光伏高速公路2017年12月在山东济南铺设，试验段全长1 120 m，光伏路面铺设长度1 080 m，铺设主行车道和应急车道.主行车道宽度3.75 m，其中光伏路面宽3 m，两侧约束标线宽度共0.75 m.应急车道宽度3 m，光伏路面占宽2.44 m.光伏路面铺设净总面积为5 875 m2，分布式并网发电机容量817.2 kW，年发电量约100 万kW·h.设计荷载采用国家标准BZZ-100，设计使用年限参考沥青路面设计规范标准15年，设计承载能力为2 400万次ESAL等效标准轴载.

光伏路面不仅将太阳能转化电能，而且预留了信息化端口和电磁感应线圈，未来信息化端口可以接入各种信息采集设备，如车辆信息、拥堵状况等信息将汇聚成交通大数据，成为智慧城市的一部分；未来随着电动汽车无线技术的配套，预留的电磁感应圈可以实现电动汽车在光伏路面行驶过程中，边跑边充电，再也不用担心电池不够用.

4.3 光伏路面应用前景

光伏路面作为一种新型道路技术，不仅是材料及结构上出现了突破，更为我国能源结构调整和道路交通全面电气智能化提供了基础设施平台.

4.3.1 解决输电难题

我国传统光伏产业在实际推广中，严重受到了用地、输电等方面条件的限制.我国大量传统光伏产业建设在西部的戈壁、荒漠无人区中；而用电量的主要缺口来自东部，光伏电能的输送问题随之产生，即使西电东输工程也不能完全解决.但光伏路面可以解决这个难题，我国东部地区路网稠密，如果将道路面积充分利用，则可使太阳能光伏行业脱离“无地可用”的尴尬困境.与此同时，将光伏路面作为能量收集平台、电力供给平台，可以沿途就地供电，满足城镇用电需求，解决了输电难的问题.以目前开发的光伏路面进行计算，该产品每平米每年的发电量可达239 kW·h.

截至2016年底，我国公路里程为458万km，即使公路仅两车道(共321 亿m2)铺设这种光伏路面，年发电量就可达到7.6万亿kW·h，是2016年我国社会总用电量的1.3倍，年发电效益7.5万亿元；年减排温室气体75.8 亿t，减排效益2.3万亿元，直接效益达到9.7万亿元.

4.3.2 光伏路面的电气智能化

光伏道路的应用前景不仅仅局限于解决发电和输电难题，它更大的应用前景是光伏道路的电气智能化——“光伏智能道路”.“光伏智能道路”将会带来4个方面的技术创新与突破：

(1)交通管理平台(见图9a).光伏智能道路交通管理平台系统将改变传统交通管理模式，交通管理部门能根据实时交通信息和大数据分析结果对交通实现系统化和精细化管理.例如，可以通过该系统进行整个城市或区域的车辆网络化调度；也可以通过更改某条道路或某个路口的标志标识实现局部的交通控制.

(2)自动驾驶引导(见图9b).通过接入光伏智能道路信息网络系统，道路内置的车辆定位系统，可以实现车辆之间以及车路之间的信息交互，达到真正意义上的车路协同，从而实现汽车自动驾驶引导.

(3)电动汽车无线供电(见图9c).当前电动汽车无线充电技术已经较为成熟.2013年，世界上首条无线充电公交车车道便在韩国建成.2017年5月18日高通已经实现了电动汽车速度100 km/h条件下的无线充电.利用光伏路面的沿线电力供应和成熟的无线充电技术，使光伏路面成为车辆的非接触式能量供应平台，根据汽车的运动状态分别实现边行驶边充电的动态式、半动态式充电以及静态充电.这将完美解决电动汽车的续航问题，从而极大地促进电动汽车的推广使用.

(4)加热融冰雪(见图9d).冬季下雨或者下雪，路面很容易结冰或积雪，这给汽车行驶带来极大的安全隐患.当前我国道路管理部门通常采用人工、机械除雪或者撒布融雪剂的方法，但是这种方法对道路和环境会造成污染，且人工强度较大.采用光伏智能道路，通过路面结冰检测系统，实时感知道路结冰情况，从而能够自动开启电力加热系统，及时除去道路冰雪，保障出行安全.

(a) 交通管理平台

(b) 自动驾驶引导

(c) 电动汽车无线供电

(d) 加热融冰雪

5 结语

(1)在交通运输大发展的同时，交通运输部也制定了2020年以资源节约型、环境友好型为公路交通发展的主要指标，目前在资源短缺、生态环境恶化、健康受到威胁的情况下，如何实现资源优化利用和环境友好也成为目前公路建设中必须急需解决的重要问题.

(2)荷兰的塑料模块公路采用内部中空的模块化设计，具有长寿命、抗寒耐热、便于施工维护等特点；英国伦敦的智能“鸟街”能够实现能量转换与贮存，净化空气，有效缓解空气污染问题；光伏路面作为一种新型道路技术，不仅仅实现材料及结构上的突破，更会为我国能源结构调整和道路交通全面电气智能化提供基础设施平台，为道路电气智能化带来更多可能.

[参 考 文 献]

[1] 王笑京.关于绿色道路交通系统内涵和发展的讨论[J].交通运输部管理干部学院学报,2011(1):24-25.

[2] 高志伟.新型温拌改性沥青流变性能研究[J].科学技术与工程,2015,15(34):256-259.

[3] VASUDEVAN R,SEKAR A R C,SUNDARAKANNAN B,et al. A technique to dispose waste plastics in an ecofriendly way? Application in construction of flexible pavements[J].Construction and Building Materials,2012,28(1): 311-320.

[4] CHOUDHARY A K,JHA J N,GILL K S,et al. Utilization of fly ash and waste recycled product reinforced with plastic wastes as construction materials in flexible pavement[C]∥Geo-Congress 2014 Technical Papers @ sGeo-characteri zatio n and Modeling or Sustainability. ASCE,2014: 3890-3902.

[5] NEW WEST END COMPANY. Bird Street is an outdoor space ideal for those looking for a place to rest in between shopping and workingt[EB/OL].2017-06[2017-12-10] http:∥Gwww.birdstldn.com/about-us/.

[6] 戴升宝. 全国首例光伏路面在济南建成[N].济南日报,2017-09-30(05).