裴建中:做能感知会呼吸自修复的智慧道路

发布时间:2018-04-04作者:冯秋香来源:宣传部字体: 设置

裴建中是公路学院教授、博士生导师,享受国务院政府特殊津贴专家和国家有突出贡献中青年专家,入选国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才和教育部新世纪优秀人才,现代城市生态铺面陕西省重点科技创新团队带头人。他长期从事道路领域的科学研究与工程实践工作,在颗粒路面材料基础理论、生态铺面设计方法和未来智慧公路探索等方面取得了重要突破,成果在北京、河北、山东等全国十余个省市进行了工程应用;科研成果获国家科学技术进步二等奖1项、省部级科学技术奖励6项。


在裴建中的心里,做研究是很有趣的事情,结合当前行业发展过程中出现的各类问题,他带领团队展开系统深入的研究,提出了很多很有实现前景的新想法。他给本科生上课时,种种前沿知识和新奇的科研思路让学生兴趣大增;带研究生时,他和学生一起探索这些新奇想法的可能实现途径。对于未来的交通,裴建中充满了美好的期待。他说:“未来的交通将会是智慧的,它能够在功能上主动适应载运工具的变革和乘客的多样化与更高的需求,在定位上属于整个社会生活场景的有机组成部分;未来的道路能感知、会呼吸,并且能够自主调节周边微环境,为人的出行创造更加舒适便捷的条件。”


由宏观到微观实现颗粒路面材料理论新突破

长期以来,沥青路面结构设计以弹性层状理论体系为基础,属于连续介质理论范畴;沥青路面材料设计侧重考察组成材料的整体表现,以宏观性能评价为主要指标。随着计算分析手段的不断进步和材料认识视野的不断拓展,人们渐渐认识到,沥青路面材料由质量占比90%以上、体积占比85%以上的集料组成颗粒体系,在此基础上,裴建中较早地将颗粒和尺度的概念引入沥青路面研究中,并进行了长期的探索,开拓了“颗粒路面材料理论”这一全新的研究领域。


在唯象学角度,沥青路面车辙主要是集料颗粒流动变形形成,裂缝主要由集料颗粒间微损伤发展而来,水损坏主要源于沥青在集料颗粒表面的剥落,因此“颗粒路面材料理论”认为,沥青路面材料是典型的颗粒物质体系,因粘结有性能随温度漂移的沥青材料,颗粒特性更加复杂,其服役性能与颗粒材料的形态、特性、级配和颗粒间界面等细观参数密切相关。裴建中和团队成员经过研究,初步建立了颗粒路面材料多尺度视域下的理论框架;为了后续研究有效开展,他们搭建了两个专用试验平台,分别可实现混合材料及其原材料的数字化细观信息的获取和后期处理。通过试验,团队获得了在受力和受热情况下,颗粒路面材料所展示出的不同于原有层状理论视域下的几何属性与物理机制;在室内试验、离散元和分子动力学等分析的基础上,建立了多个不同尺度的关系模型。


相较原有的弹性层状理论体系,该理论对于路面材料的研究更趋于细化,从微观角度揭示了颗粒路面材料、沥青各自的特性以及二者之间的流变关系,对于公路施工和养护过程中出现的各类问题,能够更有针对性地提出应对方法。


在此基础上,裴建中团队初步建立了全国22个省市60种地域岩性集料的特性数据库,形成了具有唯一性的集料指纹识别系统,发展了适用于集料质量控制的追溯体系;建立并实践了“集料也是不可再生资源”的理念,建立了面向不同公路等级、不同路面层位的集料选用标准,推动了集料资源的可持续集约利用。同时,基础理论的突破,推动了高速公路车辙等重大技术难题的解决。在对颗粒路面材料深入认识和反复研究的基础上,深入阐释了沥青类材料粘弹性变形的时间-温度-应力等效特性,及其与速度-温度-荷载的对应法则,进一步揭示了颗粒路面材料永久变形的细观机理;发展了连续变温下沥青路面车辙分析方法,阐述了瞬态温度场下的沥青路面车辙机理及其发展规律,提出了防止车辙迅速产生的高温预警机制。统筹多轴车辆、重载交通、慢速荷载、高温天气、路面坡度对车辙的形成过程与影响规律研究,形成了沥青路面车辙综合防治技术体系。


由被动到主动“路面微环境调控”解决城市交通发展难题

环境问题是当今社会的关注焦点和研究热点。在道路交通领域,与人的日常生活密切相关的城市道路和运营空间相对封闭的公路隧道,环境问题比较突出。


在城市道路领域,“洪水、噪声、热岛、尾气”是城市发展面临的四类主要环境问题,被称为“现代城市病”。针对这些问题,裴建中和团队教师协同攻关,重构了城市道路基础设施与沿线微环境之间的关系,发展了面向微环境的调控理论和关键材料,实现了道路微环境从被动适应到主动调控的重要转变。


针对路面洪水及内涝问题,裴建中团队建立了透水沥青路面材料细观空隙特征与宏观结构透水能力之间的关系模型,形成了面向海绵城市建设的生态铺面技术体系,实现了透水路面的功能与性能的统一、结构设计与材料设计的统一;针对噪声问题,团队结合轮胎与路面细观接触与摩擦机理研究,建立了多孔沥青混合料的声学性能预测模型,并通过研发抗老化材料和空隙的疏通方法,解决了多孔路面使用寿命短于普通路面的难题;针对城市热岛效应,根据物理学上的传导、对流和辐射三种传热方式,分别提出了热阻、保水和遮热三种低吸热路面;针对汽车尾气问题,团队攻克了光催化纳米二氧化钛(TiO2)的易团聚和催化效率低的技术难题,研发了可应用于路面的光催化净化材料,突破了制备高效分解尾气材料的技术瓶颈,据此尾气中氮氧化合物(NOx)的降解率最大可达50%。


在隧道路面领域,裴建中团队针对影响沥青路面在隧道中应用的三个关键问题:施工阶段沥青烟气排放、运营期间汽车尾气集聚和突发火灾时路面受热烟气排放,提出了“隧道路面分阶段环境治理”的理念和方法,研发了相应的新型高效材料。在施工阶段,研发了SSM温拌改性剂及中温沥青混合料,通过降低混合料拌和温度,污染排放降低了约一半;在运营阶段,针对隧道内环境封闭、光照弱导致汽车尾气难以净化的问题,通过掺杂金属离子、活性负载的方法改善了纳米二氧化钛(TiO2)的光感范围,提高了弱光条件下的净化效率;在隧道突发火灾时,考虑到常规阻燃剂含卤有毒,团队研发了ATH/OMMT协同阻燃剂,阻燃性能达到难燃级别,属于自熄材料。


值得一提的是,裴建中团队在“废旧轮胎的全要素转化与道路整体应用技术”方面进行了令人惊喜的探索,将废旧橡胶经过表面处理、性能优化等工艺处理后用于研制沥青改性剂,既解决了废旧轮胎占用场地以及黑色污染难题,橡胶颗粒材料应用于道路路面,还有利于路面抗滑降噪等,可谓一举多得。这一技术经过与企业的合作推广,已在天津、河北等省市的公路工程建设项目中得以应用,累计有效利用废旧轮胎两千多万条,取得了良好的经济和社会效益。该项目获得2017年度中国循环经济协会科学技术一等奖。


智能监测自主修复未来道路智能新探索

2010年,裴建中即意识到:自动驾驶时代和新能源汽车时代将带给传统行业巨大的冲击,同时也孕育着千载难逢的发展机遇。为此,他和团队成员开始了八年的艰难探索,先后在道路自呼吸、自感知、自修复、自供能等前沿领域开展研究,初步形成了具有类人皮肤系统、神经系统和免疫系统的成果体系,初步定义了未来道路智能,勾勒了下一代道路交通系统的基本框架。


传统道路传感器以石英光纤为主要材料,但在施工中干扰大、温度高,且运营中变形要求大。为克服传统石英光纤的缺陷并适应沥青路面使用场景,裴建中将聚合物光纤传感器应用到道路路面裂缝的监测,开发了能够实现自动感知、无线传输、自主决策、自动适应对策的新一代道路健康监测系统;同时,他还发展了接触式、非接触式两种路面冰、水深度探测高精度传感系统,为在自动驾驶时代解决车的安全信息盲区提供了方案。


自然是最好的老师,蕴藏着丰富的能量。皮肤愈合、骨质再生,这些在自然生物界鲜活的事例,为材料修复提供了丰富的想象空间和原始的概念模型。裴建中按照“融、复、愈”的多阶仿生修复理念,建立了“压敏激发、物质补充、缓释修复”的沥青路面多阶仿生自修复概念模型,发展了“源于自然、超越自然”的路面仿生自修复基础理论,激活了沥青材料的修复愈合能力。按照这一理论,只要将修复材料装入无数个微胶囊中,随道路施工埋入路面,当路面受力达到一定程度,胶囊即开裂,释放出修复材料,道路的自动修复得以实现。


压电道路是未来道路智能的重点方向之一。裴建中和团队成员基于压电效应的基础理论,分析了压电振子获得优异力电性能的关键因素,确定了路用压电振子的压电材料应具有的一系列参数的选取范围,确定了适合道路的压电振子的形状和工作状态,研发了复合压电材料,并实现了工艺可控。这些研究为新能源汽车时代无线耦合充电提供了技术可能。


除了上述较为成熟的智慧技术,裴建中和他的团队还在智慧道路的多个领域进行积极部署,一群年轻的充满想象力的学生在专门搭建的智慧道路实验室里不断探索,挑战传统概念中的各种不可能,众多的颠覆性的黑科技正在孕育,有望大大改善我们的出行体验,目标就是牢牢抓住新的科技革命机遇。


裴建中的科研之路充满了新奇和想象的乐趣,然而这乐趣的基础却是数学、物理等基础学科。他说:“基础研究的魅力就在于,在掌握了基本原理之后,我们就可以发挥想象力,解决很多领域内的问题。比如颗粒理论,你可以用来解决道路路面的问题,也可以解决农业、地质、医药等方面的类似问题。”面对日新月异的交通运输发展形势,裴建中信心满满:“在过去,公路交通的发展便利了人们的出行,带动了经济的快速发展;在未来,交通的变革无疑会为人们的出行方式带来更深层次的改变。面对新形势,高校科研工作者大有可为,我们有责任为我国的道路研究水平赶超国外做出自己的努力,实现从跟跑到领跑的超越。”谈到下一步的科研计划,裴建中表示,他目前所从事的几个重点研究领域都还有很多事情需要持续地进行下去:“颗粒路面材料理论我们连门都没摸到,还有太多的东西没有研究透;生态环境问题也是一个没有最好、只有更好的过程;至于智能交通,那就更代表着未来,代表着无尽的可能性。”

(原载于《长安大学报》2018年3月30日第280期)