一种基于太阳能电池的路基湿度智能调控装置及路基路床湿度可控的路基结构

1.本发明属于道路工程技术领域，涉及一种基于太阳能电池的路基湿度智能调控装置及路基路床湿度可控的路基结构。


背景技术：

2.路基的强度直接关系路面使用性能，而路基承载能力不足会导致路面出现各类病害，如沉陷、车辙、翻浆、裂缝等。通常，路基承载力可以用路基回弹模量来表征。研究表明，路基回弹模量具有很强的湿度依赖特征，而湿度又受降雨、地下水、荷载等因素影响，从而影响路基回弹模量。此外，路基经过长期的干湿循环，使用性能会降低。因而，在路基运营期内稳定路基湿度处在最佳含水率附近对维持路基良好性能具有重要意义。相比于传统的路基湿度调控方法，电渗法具有排水效率高、对交通影响小等特点，因此最适合用于路基运营期湿度调控。但传统电渗排水法多用于软土地基的快速固结，大多只能做到降低路基湿度，无法对湿度敏感型路基内部湿度进行双向控制；同时，金属电极的使用寿命短、耗电量大也制约了其在路基中的应用。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的在于提供一种基于太阳能电池的路基湿度智能调控装置，以解决现有电渗排水法无法对路基内部湿度进行双向控制的问题，以及现有的电渗排水法采用金属电极使用寿命短、耗电量大的问题。
4.本发明实施例的另一目的在于提供一种路基路床湿度可控的路基结构。
5.本发明实施例所采用的技术方案是：一种基于太阳能电池的路基湿度智能调控装置，包括：至少两层导电土工格栅，至少两层导电土工格栅在路基结构内从上到下间隔一定距离水平设置；相邻两层导电土工格栅作为电极的极性相反。
6.进一步的，所述的一种基于太阳能电池的路基湿度智能调控装置，还包括：湿度传感器，用于测量路基内部含水率；电极转换装置，用于控制每一层导电土工格栅的极性；控制器，用于根据湿度传感器的检测信号，控制电极转换装置的输出端的极性转换。
7.进一步的，电极转换装置包括多个开关，电极转换装置中的开关数量是导电土工格栅的数量的两倍；电极转换装置中，每两个开关对应控制一个导电土工格栅的极性；与每个导电土工格栅连接的用于控制每个导电土工格栅的两个开关中，一个开关与电源的正极连接，另一个开关与电源的负极连接。
8.进一步的，每层导电土工格栅通过一个对应的电极转换装置连接电源；每个电极转换装置包括两个开关，其中一个开关连接导电土工格栅和电源的正极，另一个开关连接导电土工格栅和电源的负极。
9.进一步的，路基内部每层导电土工格栅所在位置处均埋设湿度传感器；电源采用太阳能电池。
10.进一步的，电源的额定电压需要保证相邻两层导电土工格栅为土体至少提供0.8v/cm的加载电势梯度。
11.进一步的，导电土工格栅由导电填料-聚乙烯复合材料制成，并按照以下步骤制备：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入导电填料和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：导电填料6%-8%、分散剂为0.5%~0.9%，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅。
12.进一步的，导电填料采用石墨粉和短切碳纤维；分散剂的加入量为导电填料质量的10%，石墨粉和短切碳纤维的质量比为2:1。
13.进一步的，导电填料采用石墨粉和短切碳纤维；各组分质量分数为：石墨粉4.5%、短切碳纤维2.0%、分散剂0.5%，其余为聚乙烯；短切碳纤维的长度不超过2mm。
14.本发明实施例所采用的另一技术方案是：一种路基路床湿度可控的路基结构，包含如上所述的一种基于太阳能电池的路基湿度智能调控装置。
15.本发明实施例的有益效果是：1.采用石墨粉&短切碳纤维等导电填料-聚乙烯复合材料制成的导电土工格栅作为电极，这种电极具有传统金属电极不具备的耐腐蚀性能，解决了金属电极易发生腐蚀、寿命短的问题，并且该导电土工格栅具有一定力学强度，在作为电极的基础上能在路基中起到加筋作用；2.电极转换装置可以根据路基路床部位湿度智能控制电极的自动转换，通过电极转换实现水分的双向迁移，既可以降低路基湿度，也能提高路基湿度，使路基湿度稳定在目标含水率附近，解决了解决现有电渗排水法无法对路基内部湿度进行双向控制的问题；3.导电土工格栅作为电极的极性调转是根据路基湿度和控制器智能控制的，可智能调控路基湿度，使路基含水率始终处于设定的目标含水率范围内，避免部分路基病害，只需事先设定目标含水率，后续无需人为操作；4.电渗法所用的导电土工格栅耐腐蚀，因此在后期不会发生腐蚀导致与土体接触电阻增大而增加耗电量的问题，有效解决现有的电渗排水法耗电量大的问题；采用太阳能电池供电，节约了能源并且低碳环保。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例的一种太阳能电池的路基湿度智能稳定装置的结构示意图。
18.图2是本发明实施例的电极转换装置的结构示意图。
19.图中，1.路面，2.导电土工格栅，3.湿度传感器，4.路基，5.第一信号传输线，6.第二信号传输线，7.导线，8.绝缘保护层，9.控制器，10.电极转换装置，11.电源，12.支柱。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.实施例1本发明实施例提供一种导电土工格栅2，由于本发明实施例的导电土工格栅2需要长期应用于路基中，采用了一种导电填料-聚乙烯复合材料制成的导电土工格栅2，这种导电土工格栅2具有耐腐蚀性能，并且具有一定的力学强度，在路基中既可以作为电渗法的电极又能起到加筋的作用，进一步加强了路基的强度和稳定性。
22.本发明实施例的导电土工格栅2通过在聚乙烯中掺加一定比例的导电填料，使导电填料在聚乙烯中能形成导电通道，从而使该复合材料具备导电性能。
23.导电填料的掺加比例遵循逾渗理论，当导电填料的掺加比例达到逾渗阈值时，导电填料-聚乙烯复合材料的电导率会迅速增加，由绝缘材料变为导电填料，超出逾渗阈值后，随着导电填料的掺加比例增加，导电填料-聚乙烯复合材料电导率缓慢增加。保证导电填料掺加比例略高于逾渗阈值，即可使得导电填料-聚乙烯复合材料制得的导电土工格栅2具备良好的导电性。
24.采用导电填料制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入导电填料和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：导电填料6%-8%，分散剂为0.5%~0.9%，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅2。
25.实施例2采用石墨粉和短切碳纤维作为导电填料制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：石墨粉和短切碳纤维的总加入量为6%-8%，石墨粉和碳纤维的质量比为2：1左右，分散剂为导电填料总加入量的10%左右，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅2。
26.导电填料优选石墨粉和短切碳纤维，石墨粉为点状，短切碳纤维为线状，同时添加石墨粉和短切碳纤维可以点线结合，更有利于土工格栅的导电网络的形成，使其导电性能更佳。
27.导电填料（石墨粉和短切碳纤维）加入量过多会提高导电性能，但同时会导致导电
土工格栅2力学性能下降，导电填料加入量过少会导致其导电性能不足。因此本发明实施例选择导电填料总比例为6%-8%、导电填料中石墨粉和碳纤维比例为2：1左右，既能保证较好的导电性能，又能保证力学强度。
28.实施例3采用石墨粉和短切碳纤维作为导电填料制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：石墨粉3.5%，短切碳纤维1.5%，分散剂0.5%，其余为聚乙烯；导电填料优选石墨粉和短切碳纤维，石墨粉为点状，短切碳纤维为线状，同时添加石墨粉和短切碳纤维可以点线结合，更有利于土工格栅的导电网络的形成，使其导电性能更佳。
29.实施例4采用石墨粉和短切碳纤维制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：石墨粉4.0%，短切碳纤维2.0%，分散剂0.6%，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅2。
30.实施例5采用石墨粉和短切碳纤维作为导电填料制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：石墨粉4.5%，短切碳纤维2.0%，分散剂0.5%，其余为聚乙烯；导电填料优选石墨粉和短切碳纤维，石墨粉为点状，短切碳纤维为线状，同时添加石墨粉和短切碳纤维可以点线结合，更有利于土工格栅的导电网络的形成，使其导电性能更佳。
31.实施例6采用石墨粉和短切碳纤维制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：石墨粉4.6%，短切碳纤维2.4%，分散剂0.7%，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅2。
32.实施例7采用石墨粉和短切碳纤维制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；
其中，各组分质量分数为：石墨粉5.14%，短切碳纤维2.86%，分散剂0.8%，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅2。
33.实施例8采用石墨粉和短切碳纤维制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：石墨粉5.4%，短切碳纤维2.6%，分散剂0.9%，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅2。
34.实施例9采用石墨粉和短切碳纤维制备导电土工格栅2的具体方法为：首先，将聚乙烯材料加热至熔融状态，然后加入石墨粉、短切碳纤维和分散剂，并搅拌使其完全混合均匀制成土工格栅原料；其中，各组分质量分数为：石墨粉5.5%，短切碳纤维3.0%，分散剂0.85%，其余为聚乙烯；然后，将土工格栅原料模压制成二维网格，即得到导电土工格栅2。
35.本发明实施例的发明人跨领域确定导电土工格栅2的组分配比，在聚乙烯、聚氯乙烯等聚合物中掺加墨粉、短切碳纤维等导电填料，从微观层面使土工格栅具备导电功能，并且掺加了石墨粉和短切碳纤维两种导电填料，使聚乙烯、聚氯乙烯等聚合物内部形成了点（石墨粉）线（碳纤维）结合的导电通道，导电性能更佳，且不会发生现有的导电土工格栅2因为外部作用使导电涂层剥落而影响导电性能的问题。另外导电填料掺加的比例是根据物理学的逾渗阈值和实验得出，该配合比使导电土工格栅2具有较好的导电性能并且还能具有很好的力学强度，导电土工格栅2的强度测试结果见表1。
36.表1 不同导电填料掺加比例下的导电土工格栅2的强度测试结果进一步的，分散剂优选十二烷基苯磺酸钠(sdbs)，分散剂的作用只是使导电填料在聚乙烯基体中分布更加均匀。
37.进一步的，短切碳纤维的长度不超过2mm，考虑到土工格栅厚度较薄，应尽可能采用长度较短的碳纤维。相同质量的碳纤维的长度越短其数量越多，更有利于在土工格栅原
料中分散均匀，可进一步提高导电性能以及避免材料分布不均导致的力学强度下降。
38.进一步的，导电土工格栅2的厚度越大对应强度越高，本发明的格栅厚度考虑到加筋效果以及需要在原料中掺加短切碳纤维，应保证厚度在2.5mm以上，导电土工格栅2的网格尺寸过大强度会降低，对于导电土工格栅2的网格尺寸要求一般为加固土体最大粒径的1.5-2.0倍。导电土工格栅2尺寸与工程上普通的土工格栅尺寸一致即可，需要根据工程中的加筋土体确定导电土工格栅2的尺寸和强度，因此对于不同土体需要采用不同尺寸和强度的导电土工格栅2。工程上较为常用的土工格栅的尺寸是：厚度约为3mm、网格尺寸为30mm
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30mm、筋条宽度为6mm。
39.实施例10本发明实施例提供一种基于太阳能电池的路基湿度智能调控装置，如图1所示，包括：至少两层导电土工格栅2，至少两层导电土工格栅2在路基4内从上到下对应间隔一定距离水平设置，且相邻两层导电土工格栅2连接的电源11的极性相反，以便在相邻两层导电土工格栅2之间形成电场，进行路基4内的湿度调控。
40.具体的，当导电土工格栅2设置有两层时，一层导电土工格栅2水平设置在路基4的上部，另一层导电土工格栅2水平设置在路基4的下部，两层导电土工格栅2既能在直流电作用下在路基4中形成电场，也能在路基4中起到加筋作用，更进一步提高路基4的强度和稳定性。对于路基4的高度较大的情况，可以设置多层导电土工格栅2作为电极，以实现快速高效的电渗效果。
41.电极转换装置10，电极转换装置10的至少两个输出端与至少两层导电土工格栅2一一对应电性连接，如图1所示的包含两层导电土工格栅2的结构中，两层导电土工格栅2通过导线7与电极转换装置10电性连接，电极转换装置10的输出端数量与导电土工格栅2的数量一致，电极转换装置10的每个输出端的电压极性能够进行转换，控制至少两层导电土工格栅2的极性切换，实现路基4内部湿度的双向控制。
42.进一步的，所述路基湿度智能调控装置还包括湿度传感器3和控制器9，湿度传感器3设置在路基4内部，控制器9设置在路基4外部，湿度传感器3的输出端与控制器9的输入端电性连接，控制器9的输出端与电极转换装置10连接，控制电极转换装置10的输出端的电压极性转换。如图1所示，湿度传感器3通过第一信号传输线5与控制器9电性连接，控制器9通过第二信号传输线6与电极转换装置10电性连接。当两层导电土工格栅2通入电流后会在路基4中形成电场，连接电源11正极的导电土工格栅2成为阳极，连接电源11负极的导电土工格栅2成为阴极，路基4中的水分在电场作用下从阳极向阴极迁移，通过湿度传感器3测得的数据输入到控制器9中，再由控制器9输出信号控制电极转换装置10中不同开关的开闭，控制电路连接，从而达到根据路基4的湿度转换电极的目的。为了保证湿度数据更加精细，可在路基4内部各层导电土工格栅2所在位置处都埋设湿度传感器3。
43.进一步的，所述电极转换装置10包括至少四个开关，电极转换装置10中的开关数量是导电土工格栅2的数量的两倍，其中每两个开关对应负责控制一个导电土工格栅2连接的电源11的极性；与每个导电土工格栅2连接的两个开关中，一个开关与电源11的正极连接，另一个开关与电源11的负极连接。控制器9的输出端与电极转换装置10中的每个开关的控制端连接，控制电极转换装置10中的每个开关断开/闭合。
44.进一步的，也可以设置电极转换装置10包括两个开关，每层导电土工格栅2对应通过一个电极转换装置10连接电源11，电极转换装置10中的一个开关连接导电土工格栅2和电源11的正极，另一个开关连接导电土工格栅2和电源11的负极。
45.如图2所示，当设置两层导电土工格栅2时，电极转换装置10包括四个开关k1-k4，开关k1一端连接电源11的正极，开关k1另一端连接位于路基4内上层的导电土工格栅2，开关k2一端连接电源11的正极，开关k2另一端连接位于路基4内下层的导电土工格栅2，开关k3一端连接电源11的负极，开关k3另一端连接位于路基4内下层的导电土工格栅2，开关k4一端连接电源11的负极，开关k4另一端连接位于路基4内上层的导电土工格栅2。控制器9的输出端与四个开关k1-k4的控制端连接，控制四个开关k1-k4断开/闭合，来实现路基4内上下两层导电土工格栅2的极性切换。开关k1、k3闭合时，位于路基4内上层的导电土工格栅2连接电源11正极，位于路基4内下层的导电土工格栅2连接电源11负极；开关k2、k4闭合时，位于路基4内上层的导电土工格栅2连接电源11负极，位于路基4内下层的导电土工格栅2连接电源11正极。
46.在路基中埋设湿度传感器3，电极转换装置10由湿度传感器3作为数据输入端，控制器9作为控制端，四个开关k1-k4组成的开关集电路以及两层导电土工格栅2作为输出端，事先在控制器9中设定目标含水率范围，湿度传感器3获取的数据传输到控制器9中，信号经过控制器9处理再输出信号控制开关k1-k4断开/闭合。当路基4上部含水率超过设定的目标含水率最大值时，开关k1、k3闭合，路基4内的水分在电场作用下从上部向下部迁移，从而降低路基4上部湿度。当路基4上部含水率低于设定的目标含水率最小值时，开关k2、k4闭合，路基4内的水分在电场作用下从下部向上部迁移，从而提高路基4上部湿度，这样就能对路基4内部水分迁移实现自动化控制，维持路基路床部分含水率始终处于目标含水率范围内，避免路基4因湿度过高或者过低引起的病害，使路基4湿度维持稳定还可以避免因干湿循环导致的性能降低。
47.进一步的，本发明实施例的电源11采用太阳能电池，太阳能电池布置于路基4边坡外的立柱12上，使太阳能电池能够接收到充足的阳光照射产生电能并提供直流电。太阳能电池的额定电压通常需要保证相邻两层导电土工格栅2可以为土体提供不小于0.8v/cm的加载电势梯度，从而可以使路基4内产生合适强度的电场。采用太阳能发电技术供电，节约了大量的能耗，降低了成本，低碳环保。
48.更进一步的，导电土工格栅2的每一根横向设置在路基4内的筋条并列与电极转换装置10连接使得整个导电土工格栅2尽快通电，且导电土工格栅2与电极转换装置10连接的露出部分需要设置绝缘保护层8，如图1所示，避免导电土工格栅2损坏，也可以避免使用者触电。
49.实施例11本发明实施例提供一种路基路床湿度可控的路基结构，包含实施例6所述的路基湿度智能调控装置。
50.本发明实施例的路基结构中，路基4的材料通常为适用于构建路基4的填料，包括但不限于粉质土、粘质土、有机质土、黄土、膨胀土、红黏土﹑盐渍质土、冻土等中的一种或多种的组合。
51.路基4通常为路堤式路基结构，路堤式路基结构通常指顶面高于原地面的填方路
基，路堤式路基结构的截面通常自上而下逐渐变大，例如可以是梯形截面。
52.本发明实施例所提供的路基结构上设有路面1，路面1可以是各类沥青路面、水泥混凝土路面或各种复合路面。
53.实施例12本发明实施例为模型试验，模型试验参数如下：模型箱底部尺寸为30cm
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30cm，模型箱高度为50cm，模型箱底部开设直径为2mm细孔，开孔间隔为1.5cm，作为模拟地下水上升的通道。模型箱一侧距上下两端5cm处开设1cm
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25cm的长条形的槽孔，便于埋设导电土工格栅2和湿度传感器3，并用于进行电路连接。模型箱上部敞开，试验用土为湖南长沙地区的高液限黏土，干密度为1.66g/cm3，最佳含水率为22.7%，液限为57.7%，塑限为28.4%，将试验用土配制为30%的含水率，按照96%压实度制作路基模型。导电土工格栅2分别埋设在距离模型顶面和底面5cm处，湿度传感器3埋设在上层的导电土工格栅2下方10cm处，湿度传感器3的平面位置位于路基模型中部。太阳能电池为单晶硅太阳能电池，采用3块单晶硅太阳能电池串联供电。每块太阳能电池的额定电压为18v、额定功率100w、短路电流为5a。导电土工格栅2的各组分质量分数如下：石墨粉4.5%，短切碳纤维2.0%，分散剂0.5%，聚乙烯93.0%。
54.试验开始时将路基模型底面与水体接触，模拟地下水作用，并且在路基模型上部50cm处架设加热灯，模拟蒸发作用。开始试验时在控制器9中将目标含水率范围设定在22%-25%，开始试验后观察湿度传感器3的数据变化。在试验进行约30h后，路基模型湿度稳定在24%左右。
55.实施例13此实施例路基4参数如下：路基4长2.0m，宽2.0m，高1.0m，边坡按1:1.5放坡，路基4填料为湖南长沙地区高液限黏土，路基4填筑过程严格按照规范要求进行压实，最上部压实度为96%，下部为92%，由下往上压实度逐层递增。填料初始天然含水率为27.6%，干密度为1.66g/cm3，最佳含水率为22.7%，液限为57.7%，塑限为28.4%。路基4上方为0.1m厚的水泥稳定碎石基层，最上层为0.08m的沥青面层。太阳能电池为单晶硅太阳能电池，采用4块单晶硅太阳能电池串联供电。每块太阳能电池的额定电压为18v、额定功率100w、短路电流为5a，电池参数可依据需求自行选择，但是为保证电渗效果，应保证电池提供的电势在两层导电土工格栅2间达到0.8v/cm左右。导电土工格栅2各组分质量分数为：石墨粉4.5%，短切碳纤维2.0%，分散剂0.5%，聚乙烯93.0%。导电土工格栅2分别埋设在距离路基4顶面15cm处和距离路基4底面15cm处，湿度传感器3埋设在距路基4顶面30cm处的路基4中部区域。试验进行地点为露天环境的天然地面上，试验路基4施工完成后将其置于天然环境2周。2周后开始试验时在控制器9中将目标含水率范围设定在22%-24%。试验进行10天时间，在此期间观察湿度变化，试验进行到5天后路基4含水率基本维持在23%左右，后续几天因天气影响，含水率略有波动，但仍然基本维持在设定的22%-24%含水率范围内。综上所述，本发明实施例的装置能够有效地实现路基4湿度智能控制功能，具有高度利用价值。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。