技术

5的路线e génération

在材料和人工上经济,无污染,发电,自动化,安全等。 :明天的道路将必须满足新的众多要求。这是如何做。

和Jean-Michel Piau 对于科学N°450
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继ule子路,罗马路,碎石路然后是高速公路之后,第五代公路的时代已经到来。在不久的将来,这些将整合各种技术发展,并将增加车辆与基础设施之间的相互作用,以便更好地应对可持续发展,能源过渡和出行的挑战。

今天的道路是两千多年演变的结果。它们最初是为骑兵设计的,上面铺满了鹅卵石,使邮局和军队可以更快地穿越整个罗马帝国。在。。。之初 XX 二十世纪,随着汽车交通的增长,也随着自行车的发展,由装满压路机的大卵石组成的人行道都涂有柏油,沥青铺路石或沥青。从一开始就已经是人行道了 十九 e 世纪。但是,汽车仍然按照尚未为其创建的路线使用马和马拉车的运输路径和轴。在速度和安全性方面,正是高速公路满足了第二次世界大战后汽车和重型货车的需求。

三大挑战

因此,道路注定要不断地翻新,以提供新的功能。他们现在面临三个主要挑战。首先是可持续发展的概念,可以概括为“在不损害子孙后代满足其需求的能力的情况下满足当前需求的发展”。第二个挑战是能源转换,即从目前基于化石燃料(石油,天然气和煤炭)的80%的能源模型到以非碳能源(核能和可再生能源)为主导的新模型的转换。最后,第三个问题是流动性,它制约着日益联系的世界中的经济和社会发展。

这些挑战需要重新考虑公路运输,在发达国家,公路运输提供了超过80%的客运和货运量,同时消耗了地球上60%的化石能源,并承担了25%的化石能源。温室气体。

毫无疑问,这需要车辆的新能源,同时也需要新的道路建设艺术,以减少污染,改善城市和农村的交通条件以及居住环境。

应当指出,这方面的选择主要是政治上的。但是它们还取决于可用的技术。此外,就上述三大问题为指导的一般情况下,工程师和研究人员正在开发和测试可能有益于未来之路的技术。让我们回顾一下这些创新中的一些创新,这些创新将给出一个更具体的想法,即从现在起10年,20年或30年的发展道路。

第一方面涉及路面施工方法。总的来说,这是通过使用对交通和气候具有更强抵抗力的材料建造道路以及采用与可持续发展相适应的技术来节约自然资源的问题。

节约自然资源的一种策略是回收现有材料或单独使用或除新材料外使用各种当地来源的颗粒材料(底灰,废旧轮胎,解构材料,工业副产品等)。 。

利用本地资源还可以限制与道路工程本身相关的材料的运输,从而降低工程的能源成本,这在很大程度上是由于材料的运输。

对于粘合剂,第一个想法是用植物材料(例如用于制造生物燃料的粘合剂)代替原油蒸馏产生的沥青粘合剂。它很快遇到了资源可得和与粮食生产竞争的现实。因此,如果不可能用这种粘合剂代替所有的沥青,则正在研究其他途径,例如使用少量的这些植物粘合剂来再生旧的沥青。回收操作,或开发非食品生物质衍生的替代粘合剂。我们尤其可以引用基于微藻的粘合剂,这是该项目的主题。 航线 得到法国多家组织的支持,包括Ifsttar(法国运输,规划和网络科学与技术学院)。

另外,正在努力提高路面材料的当前回收率,与新材料相比,回收率通常达到10%到30%。这既需要更好的分类流程,也需要更好地考虑材料的生命周期,并且需要开发研究方法以评估和优化回收材料的性能。开发工业工具以重新加热旧的沥青材料成为可能,从而可以在不永久改变粘合剂性能的情况下进行混合和使用,这也是一个问题。

某些回收技术在几种方面证明是有益的。在Ifsttar,我们最近表明,在将重复使用的解构混凝土暴露于室外之前,它会捕集部分二氧化碳(CO2)大气,这将有助于减少温室气体排放。另一个例子是将通过磨碎旧轮胎而获得的橡胶骨料掺入到路面的表层:这种材料的回收同时减少了交通噪音。

更具抵抗力的材料

为了节省材料,另一种方法是开发对交通和气候侵略性具有极高抵抗力的材料,这使得可以设想出使用寿命长的所谓永久道路。

这种方法的一个例子是基于环氧树脂的沥青,该沥青已经用作钢桥面板或高速公路弯道区域的涂料。最近,作为一项欧洲研究项目的一部分,Ifsttar开发了一种水泥混凝土基路面涂料,该涂料可在一段时期内保证表面性能(附着力,防水性等)。大约30年而不是目前的10年尽管这种涂层的价格要贵三倍,但它可以使维护操作间隔开来,这是给用户或居民带来许多延迟和不便的原因。

另一种方法是开发自愈材料。探索的技术之一是在涂层中包括新鲜沥青的微囊。这些微胶囊在滚动载荷(特别是沉重的重量)的作用下逐渐破裂,从而释放出沥青并使材料恢复活力,从而保持其柔韧性。

为了增加路用粘合剂的自愈能力,考虑的另一种技术是在沥青混凝土中包含金属纤维,从而使其具有导电性。然后通过使用专用设备在材料中感应电流来加热材料,以闭合裂缝,从而延长人行道的使用寿命。

因此,节约自然资源是道路工业的目标之一。另一个是限制与道路的建设和维护以及交通相关的环境影响。这尤其涉及减少沥青材料制造过程中的能耗。因此,出现了许多比以前更低的温度(“热混合”),甚至甚至更低的温度(使用沥青乳液)的沥青生产和施工过程。

交通的另一个环境影响是噪音,我们试图限制噪音最令人讨厌的地方,即在城市和郊区。几种技术可以减少轮胎与地面接触时的噪音。与电动机相比,该噪声在低速时占主导地位,并且明天可能会成为电动汽车普及的主要声源。

1970年代和1980年代引入的排水涂料主要是为了减少雨天的水溅,这是第一个解决方案。通过将大的骨料和小的骨料混合来避免中间尺寸而获得的这些材料非常多孔且可渗透。然而,这也具有限制轮胎和道路之间产生的气压的作用,这在很大程度上引起滚动噪音。较新的变型使用具有不同孔隙率的排液层的堆叠,其减少了堵塞,并因此使排液性随时间降低。

同样,在荷兰对道路进行测试,其上部包括分米大小的预制型腔。这些空腔构成“亥姆霍兹谐振器”,旨在吸收滚动噪声的声频特性。

趋于普及的另一种解决方案仅在于生产由较小的聚集体(直径约为6毫米而不是14毫米)形成的涂层。因此,减少了轮胎-道路接触中产生的振动,同时改善了抓地性能并且不降低排水性。

此外,通过将骨料或橡胶粉掺入沥青中,特别是由于废旧轮胎的回收,可以降低噪音几分贝。最后,工程师正在开发具有分形结构(同一结构以不同比例重复出现的下一代噪声墙),这有助于消除残留噪声。

人行道还将有助于与大气污染作斗争。像城市建筑物的外墙一样,由于二氧化钛(TiO2)。在从太阳接收到的紫外线的作用下,这种掺入建筑材料中的化合物会捕获氮氧化物(NOx)存在于空气中并将其转化为稳定的化合物,然后被雨水冲走。例如,法国制造商 欧洲通 市场销售一种涂层,该涂层应每小时每平方米去除4毫克以上的氮氧化物。

路面套件 

由于道路必须满足日益复杂的要求,一种方法是设计工厂预制的路面元件,该元件将用于有限的直段。这些元素将在其厚度上集成各种网络(电力,通信等)所需的布置。在这种情况下,工程师正在开发快速的安装过程,以缩短工地的工期。由于可以拆除这些路面元素,我们可以轻松地替换那些有缺陷或进入地下网络的元素。

该过程已用于某些街道交叉口和电车轨道。例如,在荷兰,高速公路的一部分 A12 建于2006年,当时是模块化的人行道,位于桩基上。由联盟开发的这种模块化路面 ModieSlab,可让您穿越土壤非常易压缩的区域,例如小型工程结构。

在法国,“可移动城市道路”的两个实验部分,一个位于鲁昂附近的Saint-Aubin-lès-Elbeuf,另一个位于南特,展示了建立能够快速,轻松地打开和关闭的道路的能力。 ,使用轻质无声的材料,减少了地下网络维护工作带来的不便。

产生能量

在道路运输领域,能量转换与正能量道路的概念相呼应,也就是说,将收集能量供自己使用的道路-热调节,标牌,照明等。不仅要从服务站或合适的终端,而且要从连续的道路车辆供电设备中供应电动车辆所需的能量。

如何具体翻译?想法之一是利用太阳能,利用道路,通行权和滚动空间所占的大表面积。

在巴伐利亚州,高速公路沿线已安装了一个1兆瓦的光伏电站 A94 通过利用高速公路路s石的坡度,避免了任何农用土地的冲突。以一种更具创新性的方式,滚动空间本身可以被光伏面板覆盖。

在项目环境中 索拉路 TNO (荷兰应用科学研究组织)因此设计了晶体硅光伏电池板,覆盖了一层厘米厚的钢化玻璃,该层很粗糙以确保良好的附着力。根据其设计者的说法,该过程每年每平方米产生50千瓦时(约占家庭用电量的1%)。

因此,于2014年底在哈莱姆东北部的克罗梅尼镇开通了一条长100米,宽4米的试验性自行车道。该项目的第一阶段计划在五年内进行,旨在更好地了解此类设备的技术管理和盈利能力(存储和重新分配在日照期间产生的剩余能源,污染的影响等)。

瑞典建筑师MånsTham设计了该项目 太阳蛇 (Solar Serpent),他建议将高速公路(特别是洛杉矶的高速公路)改造成电力工厂,方法是用固定在格子框架上的光伏面板的屋顶覆盖高速公路。除了生产电力并为其在信号,照明或充电汽车上的本地消费外,该概念还具有其他优势:减少本地居民的噪音,保护道路免受恶劣天气和紫外线的辐射,减少由于产生了阴影,因此车上装有空调。

在MånsTham项目中,洛杉矶的圣塔莫尼卡高速公路(长24公里,宽40米)因此将获得100万平方米的面板,每年可发电150吉瓦时。 (即约40,000户家庭的消费量)使用当前的光伏技术。

利用道路上的太阳辐射的另一个想法是利用沥青路面的高热吸收能力。在法国,后者在夏季可以达到60到65°C。通过使传热流体在埋在巷道中的盘管中循环,在晴朗的天气中,地表热量被捕获,然后被存储在位于路边的垂直地热井中。在寒冷和阴暗的天气中,这些能量随后通过相同的回路释放并重新分配,以使路面保持正温度并防止积雪或结冰。该技术已被用于调节某些桥梁的甲板温度,这些桥梁在瑞士对霜冻特别敏感(项目 瑟索 )和德国(德国北部的Berkhentin桥)。

道路的变形在车辆的作用下也可以提供能量。 技术,在以色列。这涉及通过压电效应将机械应力转换成电流,压电装置被集成到巷道中。

但是,这种技术值得怀疑。所获得的能量是从车辆中以一种或另一种方式获取的,从节能方面来讲,这总体上没有任何作用。另一方面,压电技术将有可能在孤立的地方提供某些服务,而不连接到供电网络。

由于公路运输消耗大量化石能源,当前的汽车最终将被电动汽车取代。未来之路不仅必须适应它,而且还必须被设计为新的基础设施-汽车能源环路的组成部分。

对于电动汽车,我们现在赞成使用个人(在家)或集体(在街道上)充电站。用户将他的车辆自己连接到终端,这不是很方便。正在研究其他解决方案,例如“馈电”,其中包括将电动汽车自动连接到电气端子。因此,在 十六 e 自2012年1月起在巴黎地区成立。

增加车辆续航里程的另一种方法是使用基于电磁感应的技术为车辆提供无接触的电能。各种方法正在开发中。面对在车辆上存储电能的困难,挑战还在于从静态充电切换到动态充电,也就是说,在车辆行驶时为电池充电。确保所有道路及其路线上的功能不是问题,而是在某些更具战略意义或能源密集型的部分,例如大城市的郊区或高速公路的长上坡路段,要确保这一功能。

社会 西门子 目前正在尝试对无轨电车的接触网系统(最早的示例可追溯到1882年)进行改造,以为混合动力电动柴油机为重型货车充电。地面饲料,由 阿尔斯通 在1990年代末,有轨电车(例如在波尔多)是另一种可行的方法,对环境和景观的干扰较小。它包括在轨道的中间安装一个供电轨,该供电轨与电车的“橡胶”接触。轨道分为多个部分,只有在轨道完全被电车覆盖的情况下才起作用,以避免对轨道的其他使用者(行人,骑自行车的人等)造成触电危险。目前,该技术正在应用于公路车辆。

就公司而言 轰炸机 已经表明,可以通过感应耦合,电车或公路车辆接通和不接通电源。在Ifsttar,我们已经验证了可以将这种解决方案集成到人行道中而不降低其使用寿命。社会的实验 奥列夫 在韩国,也表明该原则可以移至道路上。韩国系统基于埋在巷道中的充电设备,为静止或行驶中的车辆充电,能效超过80%。它已经在游乐园中用于流通观光车。但是,连续性车辆的非接触式供应,较少受限制且因此较难预测的轨迹仍然是研究的主题(欧洲项目 制造商 ,尤其是)。

这几个例子说明了第五代道路将要实现的不同能量功能。我们还看到了涉及车辆,道路和控制它们的设备的系统概念的外观。该系统是道路必须应对的第三个社会挑战的核心,即可持续,安全和高效的交通。

特别地,可以永久且实时地确定道路状态,该信息将被传输到当局或控制设备,以便动态地重新配置道路和交通。在不久的将来,各种交通管理中心(交通,公共交通,停车场,收费站等),沿道路安装的传感器和车辆将在很大程度上相互连接。

这些信息网络将使基础设施的维护和维护受益。车辆上的车载传感器将几乎实时地确定人行道的状况,而集成到人行道中的传感器网络将测量人行道的老化情况,以预测其退化并帮助经理选择时间和条件。维护工作的性质。

一些示例表明了信息网络与通信工具之间交互的预期好处。因此,放置在轨道边缘或车辆上的传感器设备将测量天气状况(雾,路面温度,积雪深度等)。该信息将在各种交通参与者之间交换,并传输到道路用户信息系统。然后,他们可以以合适的速度行驶,甚至可以选择替代路线来优化能耗,行驶时间和安全性。

同样,由于采用了通用通信,因此可以依靠更多创新的标牌来根据出行需求重新配置道路空间。经典的路标(道路,面板上的标记)的缺点是无论交通状况如何都保持不变。为克服此缺点,请使用发光二极管焊盘( LED ),除了现有的路标外,还可以使其外观并例如根据交通量动态分配车道。卢瓦尔-大西洋总理事会正在圣纳泽尔大桥上尝试这种解决方案:大桥的中央车道在早上和晚上改变方向,以优化家庭作业。

同样可以想象,在城市周边环境中,高速公路根据日期和时间动态分配“拼车”和公共交通的额外车道。类似地,在城市环境中,公共空间将根据一天中的时间或一周中的一天通过模块化标牌进行重新配置,特别是为了优化不同运输方式(私家车或车辆)之间的共享。免费共享,骑自行车的人,行人,公共交通工具等)。

示威者

从本文提供的示例可以看出,研究人员和工程师正在开发各种技术,以应对公路运输的主要挑战。实际将部署哪些?最佳创意的实现,除了其基本的社会接受性之外,还需要围绕共享研究演示者构建科学和工业环境的结构。在实验室和工业部署之间的中间,研究演示者是一个实验,最好是在开放道路上进行的全面试验,它可以加快对实验室设计的解决方案的评估,并确定其中最有希望的解决方案。旧公路 A199因此,根据塞纳-马恩省总理事会,公共机构2014年年底签署的框架协议的规定,应从2017年起使用位于马恩河畔瓦莱学院附近的道路,预示第五代道路发展伊帕玛恩(Epamarne)和Ifsttar。

因此,为了满足可持续发展,能源过渡和交通的当前需求,未来的道路将更加经济,适应性强,自动化,对气候变化具有弹性。在已经变得微妙的社会经济环境中,它们的部署构成了巨大的挑战。为了维护我们的机动性,必须克服这一障碍。与过去相比,来自不同背景的参与者之间的多重问题和必要的协同作用使这一挑战既复杂又引人入胜。

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