Embed Size (px)
Citation preview
Matija Ploh
PIEZOELEKTRIČNE VOZIŠČNE
KONSTRUKCIJE
Magistrsko delo
Matija Ploh
PIEZOELEKTRIČNE VOZIŠČNE
KONSTRUKCIJE
Magistrsko delo
Maribor, marec 2018
Smetanova ulica 17 2000 Maribor, Slovenija
PIEZOELEKTRIČNE VOZIŠČNE
KONSTRUKCIJE Magistrsko delo
Študent: Matija Ploh
Študijski program: Magistrski študijski program 2. stopnje
Gradbeništvo
Smer: Gradbena infrastruktura
Mentor: izr. prof. dr. Bojan Žlender
Somentor: dr. Stanislav Lenart
Lektorica: Sanja Berend, mag. prof. slov.
Maribor, marec 2018
I
II
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju dr. Bojanu Žlenderu za
pomoč in vodenje pri pisanju magistrskega dela. Prav
tako se zahvaljujem somentorju dr. Stanislavu Lenartu.
Hvala tudi Zavodu za gradbeništvo Slovenije, ki je
velikodušno dovolil uporabo laboratorija, in
celotnemu tamkajšnjemu osebju, ki mi je pomagalo pri
testiranju.
Posebna zahvala gre zaročenki Ines, ki mi je pomagala
skozi celotni študij in brez katere ne bi zmogel. Prav
tako se zahvaljujem staršem za pomoč, zlasti očetu
Stjepanu, ki mi je veliko pomagal pri pripravi vzorcev
za laboratorij.
III
PIEZOELEKTRIČNE VOZIŠČNE KONSTRUKCIJE
Ključne besede: dimenzioniranje, voziščne konstrukcije, laboratorijska analiza,
piezoelektrični učinek, piezoelektrika
UDK: 625.7/.8:537.226.88(043.2)
Povzetek
V magistrskem delu so prikazani postopki dimenzioniranja voziščne konstrukcije z uporabo
tehničnih specifikacij za ceste in pridobitev vseh parametrov za dimenzioniranje. Opisane so
tudi tri posebne vrste energijskih cest, ki ustvarjajo električno energijo: termoelektrične,
solarne in piezoelektrične. Pri termoelektrični voziščni konstrukciji se spremeni
dimenzioniranje, pri solarni voziščni konstrukciji se spremenijo vozne lastnosti in
dimenzioniranje, medtem ko pri piezoelektričnih voziščnih konstrukcijah tako dimenzioniranje
kot vozne lastnosti ostanejo enake. V nadaljevanju je predstavljena analiza uporabe
piezoelektrične voziščne konstrukcije. Ta se izvede z uporabo piezoelektričnega materiala,
vgrajenega v obrabni sloj voziščne konstrukcije. Piezoelektrični material se pri obremenitvi
vozila deformira in s tem ustvarja električno energijo. Analiza je opravljena z uporabo dveh
metod – kolesne sledi in uteži. Predstavljeni so rezultati meritev in analize z oceno
upravičenosti, na podlagi česar je ugotovljeno, da pridobljena energija ni dovolj velika, ker so
stroški gradnje previsoki, zatorej se naložba po desetih letih ne povrne.
IV
PIEZOELECTRIC PAVEMENT STRUCTURES
Keywords: dimensioning, pavement structures, laboratory analysis, piezoelectric effect,
piezoelectric
UDK: 625.7/.8:537.226.88(043.2)
Abstract
Master’s thesis represents the procedures for dimensioning the pavement structure using the
Technical Specifications for roads and obtaining all parameters for dimensioning. There are
also three specific types of energy roads that generate electricity: thermoelectric, solar and
piezoelectric. In the thermoelectric pavement structure, the dimensioning changes, the
dimensioning of the solar pavement structure changes, as well as the driving characteristics,
the dimensioning and driving properties of the piezoelectric pavement structure remain the
same. An analysis of the use of a piezoelectric pavement structure is presented. This is done
using a piezoelectric material embedded in the wearing layer of the pavement structure. The
piezoelectric material deforms when the vehicle is loaded and thus generates electricity. The
analysis is carried out using two methods, wheel tracks and weights. The results of the
measurements and analyzes are presented with the eligibility assessment, from which we
conclude that the energy obtained is not large enough because the construction costs are too
high and the investment after ten years has not been returned.
V
Kazalo vsebine
ZAHVALA .......................................................................................................................... II
POVZETEK ........................................................................................................................ III
ABSTRACT ........................................................................................................................ IV
KAZALO VSEBINE .............................................................................................................. V
KAZALO SLIK ................................................................................................................... VII
KAZALO GRAFOV ........................................................................................................... VIII
KAZALO TABEL ................................................................................................................. IX
UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE ................................................................................... X
1 UVOD ........................................................................................................................ 1
1.1 Splošno področje raziskav .......................................................................................... 1
1.2 Namen raziskave in cilji magistrskega dela ................................................................ 2
1.3 Struktura magistrskega dela ...................................................................................... 2
2 SPLOŠNO O VOZIŠČNIH KONSTRUKCIJ........................................................................ 4
2.1 Zgodovina cest ............................................................................................................ 5
2.2 Opis materialov in laboratorijsko raziskovanje materialov ....................................... 8
2.2.1 Lomljeni kamen ...................................................................................................... 8
2.2.2 Zmesi zrn ................................................................................................................. 9
2.2.3 Veziva ................................................................................................................... 17
2.2.4 Kemijski dodatki ................................................................................................... 19
2.3 Opis in izvedba posamezne plasti ............................................................................ 19
2.3.1 Posteljica .............................................................................................................. 19
2.3.2 Nevezana nosilna plast ......................................................................................... 20
2.3.3 Vezana nosilna plast ............................................................................................. 21
2.3.4 Obrabna in zaporna plast ..................................................................................... 22
2.4 Metode dimenzioniranja voziščnih konstrukcij ....................................................... 22
2.4.1 Teoretični postopki ............................................................................................... 23
2.4.2 Empirični postopki ................................................................................................ 23
2.5 Dimenzioniranje voziščne konstrukcije (TSC-novogradnja) [16] .............................. 27
2.6 Dimenzioniranje voziščne konstrukcije (TSC-rekonstrukcija) [17] ........................... 30
3 ENERGIJSKE CESTE ................................................................................................... 33
3.1 Termoelektrične voziščne konstrukcije .................................................................... 35
3.1.1 Cevni sistem .......................................................................................................... 36
3.1.2 Termoelektrični modul ......................................................................................... 38
3.2 Sončne voziščne konstrukcije ................................................................................... 39
VI
3.2.1 Splošna zasnova sončne plošče ............................................................................ 40
3.2.2 Strukturne plasti ................................................................................................... 41
3.2.3 Prozorna plast ...................................................................................................... 42
3.2.4 Električni sistem .................................................................................................... 42
3.2.5 Količina proizvedene električne energije .............................................................. 43
3.2.6 Zahteve za dimenzioniranje.................................................................................. 43
3.3 Piezoelektrične voziščne konstrukcije ...................................................................... 44
4 PIEZOELEKTRIČNE VOZIŠČNE KONSTRUKCIJE ............................................................ 52
4.1 Način vgradnje v voziščno konstrukcijo ................................................................... 52
4.1.1 Terenski način vgradnje ........................................................................................ 52
4.1.2 Laboratorijski način vgradnje ............................................................................... 56
4.1.3 Modeli piezoelektričnega materiala ..................................................................... 57
5 LABORATORIJSKA ANALIZA PIEZOELEKTRIČNE KONSTRUKCIJE ................................. 58
5.1 Opis problema .......................................................................................................... 58
5.2 Opis opreme ............................................................................................................. 59
5.3 Postopek analize....................................................................................................... 60
5.3.1 Sestavljanje elektronskih komponent................................................................... 61
5.3.2 Betoniranje vzorca ................................................................................................ 61
5.3.3 Asfaltiranje vzorca ................................................................................................ 62
5.3.4 Obremenitev vzorca z napravo »wheel tracker«.................................................. 63
5.3.5 Obremenitev vzorca z utežema ............................................................................ 65
5.4 Analiza pridobljenih rezultatov ................................................................................ 66
5.4.1 Analiza pridobljenih rezultatov preizkusa z »wheel trackerjem« ......................... 66
5.4.2 Analiza pridobljenih rezultatov preizkusa z utežmi .............................................. 67
5.5 Primerjava pridobljenih rezultatov .......................................................................... 70
5.6 Ocena upravičenosti ................................................................................................. 72
6 SKLEP ...................................................................................................................... 75
VIRI IN LITERATURA ........................................................................................................ 77
PRILOGE ......................................................................................................................... 80
VII
Kazalo slik
Slika 2.1: Značilen prerez voziščne konstrukcije ........................................................................ 4
Slika 2.2: Profil ceste v stari Grčiji [4] ......................................................................................... 6
Slika 2.3: Sita za sejalno analizo ............................................................................................... 11
Slika 2.4: Aerometer ................................................................................................................. 12
Slika 2.5: Kovinski cilinder za Proctorjev preizkus .................................................................... 14
Slika 2.6: Diagram rezultatov po Proctorju [1] ......................................................................... 15
Slika 2.7: Območje sestave zmesi kamnitih zrn 0/22 mm [3] .................................................. 21
Slika 2.8: Debelina asfaltne krovne plasti v odvisnosti od prometne obremenitve ................ 29
Slika 2.9: Debelina spodnje nevezane nosilne plasti v odvisnosti od prometne obremenitve in
vrednosti CBR ................................................................................................................... 29
Slika 2.10: Diagram za določitev potrebne debeline ojačitve .................................................. 32
Slika 3.1: Shematski diagram termoelektričnega učinka [22] .................................................. 36
Slika 3.2: Sistem PP-TEG [22] .................................................................................................... 37
Slika 3.3: Termoelektrični modul [24] ...................................................................................... 38
Slika 3.4: Konceptualna zasnova sončne plošče [25] ............................................................... 40
Slika 3.5: Kvadratne celice v strukturni plasti [25] ................................................................... 41
Slika 3.6: Monokristalna silicijska celica [25] ........................................................................... 42
Slika 3.7: Neposredni in obratni piezoelektrični učinek [22] ................................................... 46
Slika 3.8: Obnašanje materiala med polarizacijo [27] .............................................................. 46
Slika 3.9: Tridimenzionalni model [28] ..................................................................................... 48
Slika 3.10: Histerezna krivulja polarizacije piezoelektričnega materiala [27] .......................... 49
Slika 4.1: Model izvajanja piezoelektrične plasti [29] .............................................................. 53
Slika 4.2: Piezoelektrična naprava za železnice [29] ................................................................ 54
Slika 4.3: Tehnologija gradnje PZT-materiala [30] ................................................................... 55
Slika 4.4: Shematična predstavitev preizkusa [30] ................................................................... 56
Slika 4.5: Štirje modeli PZT [27] ................................................................................................ 57
Slika 5.1: Piezoelektrične ploščice (prvi del elektronske komponente), zlepljene na bitumenski
trak ................................................................................................................................... 59
Slika 5.2: Drugi del elektronske komponente .......................................................................... 61
Slika 5.3: Betoniranje vzorca .................................................................................................... 62
Slika 5.4: Asfaltiranje vzorca ..................................................................................................... 63
Slika 5.5: Kompaktiranje vzorca ............................................................................................... 63
Slika 5.6: Drugi vzorec v napravi »wheel tracker« ................................................................... 64
Slika 5.7: Obremenitev vzorca z utežema ................................................................................ 65
VIII
Kazalo grafov
Graf 3.1: Grafični prikaz povprečnega letnega dnevnega prometa Slovenije [18] .................. 33
Graf 3.2: Povprečne poletne temperature zraka in trajanje sončnega obsevanja v zadnjem
stoletju [21] ...................................................................................................................... 34
Graf 3.3: Gostota energija na piezoelektrični plošči [29] ......................................................... 51
Graf 5.1:Razmerje obremenitve in pridobljene energije ......................................................... 69
Graf 5.2: Primerjava rezultatov pri različnih frekvencah ......................................................... 72
IX
Kazalo tabel
Tabela 2.1: M.I.T. klasifikacija zemljin [9] ................................................................................ 10
Tabela 2.2: Modul oblike [11] .................................................................................................. 13
Tabela 2.3: Kategorije za minimalne vrednosti odpornosti proti zglajevanju [11] .................. 16
Tabela 2.4: Kategorije maksimalne vrednosti magnezijevega sulfata [11] .............................. 16
Tabela 2.5: Kategorije maksimalnih vrednosti količnika LA [11] ............................................. 17
Tabela 2.6: Odvisnost debeline plasti od velikosti zrn v zmesi [13] ......................................... 20
Tabela 2.7: Povprečna vrednost faktorjev ekvivalentnosti za reprezentativna vozila [14] ..... 26
Tabela 3.1: Izračun električne energije za odsek dolžine 1 km (cevni sistem) ........................ 37
Tabela 3.2: Izračun električne energije za odsek dolžine 1 km (termoelektrični modul) ........ 39
Tabela 3.3: Razmerje med debelino plošče in maksimalno upogibno napetostjo [25] ........... 42
Tabela 3.4: Izračun električne energije za odsek dolžine 1 km (sončne plošče) ...................... 43
Tabela 4.1: Primerjava rezultatov [29] ..................................................................................... 55
Tabela 4.2: Rezultati preizkusa (odvisnost frekvence in električne napetosti) [30] ................ 56
Tabela 5.1: Rezultati analize z »wheel trackerjem« [J]=[Ws] .................................................. 66
Tabela 5.2: Izračun hitrosti in kinetične energije uteži ............................................................ 67
Tabela 5.3: Rezultati analize z utežema ................................................................................... 70
Tabela 5.4: Primerjava rezultatov laboratorijske analize ......................................................... 71
Tabela 5.5: Izračun skupne energije za obe metodi ................................................................. 73
Tabela 5.6: Razlike med rezultati ............................................................................................. 73
Tabela 5.7: Stroški in dobiček ................................................................................................... 74
Tabela 6.1: Seznam citiranih virov ........................................................................................... 77
X
UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE
Simboli
𝑎 – Seebeckov koeficient [-]
𝑎i – količnik ekvivalentnosti novega materiala [-]
𝑎rk – računski količnik ekvivalentnosti
C – zmogljivost kondenzatorja [F]
D – premer [cm]
𝑑o – debelina obrabne plasti [cm]
𝑑i – debelina plasti [cm]
𝐷max – največji premer [cm]
𝐷no – debelinski indeks nove voziščne konstrukcije [cm]
𝐷ob – debelinski indeks obstoječe voziščne konstrukcije [cm]
𝑑zv – debelina zgornje vezane nosilne plasti [cm]
E – modul elastičnosti [MN/m2]
𝐸k – kinetična energija [J]
𝐸v – deformacijski modul [MN/m2]
𝑓0 – faktor razdelitve napetosti [-]
F – sila [N]
𝑓dv – faktor vpliva dinamične obremenitve [-]
𝑓nn – faktor vzdolžnega nagiba nivelete [-]
𝐹max – sila pred porušitvijo [N]
𝑓pp – faktor prečnega prereza [-]
𝑓šp – faktor vpliva širine prometnih pasov [-]
𝑓tp – faktor povečanja prometne obremenitve [-]
g – sila teža [m/s2]
ℎ0 – prvotna višina [mm]
ℎ𝑚 – globina zmrzovanja [cm]
𝑘š – količnik poškodovanosti [-]
𝑚0 – masa vzorca pred preizkusom [g]
𝑚1 – masa vzorca po preizkusu [g]
𝑀𝐸 – modul stisljivosti [MN/m2]
𝑚ZZ – masa zmesi zrn [g]
N – število udarcev nabijala [-]
𝑃T – penetracija bitumna [mm]
𝑆0 – prvotni prerez [mm2]
s – zaustavna razdalja [m]
t – čas [s]
𝑇c – temperatura hladnega vozlišča [°C]
𝑇d – ekvivalentna dnevna prometna obremenitev [-]
XI
𝑇h – temperatura vročega vozlišča [°C]
𝑇n – merodajna prometna obremenitev [-]
𝑇p – temperatura določanja penetracije bitumna [°C]
𝑇PK – temperatura zmehčišča [°C]
𝑢i – količnik še preostale uporabne vrednosti materiala [-]
v – hitrost [m/s]
V – volumen [m3]
𝑉ZZ – prostornina zmesi zrn, vključno s porami in votlinami [cm3]
W – teža vzorca [kg]
𝑊i – odsejek [kg]
𝑍r – nivo vode v aerometrični hruški [mm]
Grški simboli
𝛾S – prostorninska teža zrn [kN/m3]
𝛾WT – prostorninska teža vode pri temperaturi T [kN/m3]
Δh – absolutno stisnjenje [mm]
∆𝑝 – razlika obremenitev v merodajnem območju [N/mm2]
∆𝑠 – razlika posedkov v merodajnem območju obremenitev [mm]
– specifična deformacija [-]
𝜂T – viskoznost vode pri temperaturi T [kN sec/m3]
𝜌ZZ – prostorninska gostota zmesi zrn [g/cm3]
σ – tlačna napetost [MN/m2]
Kratice
CBR – nosilnost podlage (ang. California Bearing Ratio test)
IP – indeks penetracije
LA – količnik »Los Angeles«
MPP – modificirani Proktorjev preizkus
PLDP – povprečni letni dnevni promet
PP-TEG – cevno-termoelektrični generatorski sistem
PSV – vrednost poliranja kamna
PZT – piezoelektrika
SI – modul oblike
SIST EN – evropski standardi
SPP – standardni Proktorjev preizkus
TSC – tehnične specifikacije
1
1.1 Splošno področje raziskav
Dandanes, ko se število vozil in količina prometa povečujeta, je zelo pomembno, da sta
cesta in izgrajena voziščna konstrukcija visokokakovostni. Kakovost gradnje in uporabljenih
materialov je odvisna predvsem od postopka gradnje in predpisov, ki jo omejujejo. Seveda
so največji faktorji, ki vplivajo na izgradnjo, stroški in trajnost ceste. V Sloveniji se za
dimenzioniranje novih voziščnih konstrukcij in ojačitev obstoječih voziščnih konstrukcij
uporabljajo tehnične specifikacije (TSC). Slednje zelo podrobno opisujejo te postopke
dimenzioniranja in tudi izvedbo vsake plasti, z namenom da bi dosegli zadostno kakovost
za vse večjo rast prometa.
Količina prometa na obstoječih cestah raste iz leta v leto. S povečanjem prometa se
povečuje tudi obremenitev voziščne konstukcije. Ob tem je zelo enostavno prepoznati
povečan potencial za porabo energije, ki ga proizvaja vozilo pri prevozu po cesti.
Trenutno obstaja več načinov za izkoriščanje energije, ki se lahko uporabljajo na cestnih
površinah. V pričujočem delu so predstavljeni trije načini: termoelektrična voziščna
konstrukcija, sončna voziščna konstrukcija in piezoelektrična voziščna konstrukcija. Vse te
metode so podrobno izdelane v teoriji, v praksi pa se (še) ne uporabljajo.
Termoelektrične voziščne konstrukcije proizvajajo električno energijo po principu razlike v
temperaturi med dvema kovinama; eno na površini ceste in drugo, ki je vgrajena v tleh.
Realni rezultati niso znani.
Sončne voziščne konstrukcije se razvijajo v Franciji, na Nizozemskem in v ZDA. Te vrste
konstrukcij namesto končne plasti asfalta vključujejo solarne plošče.
Piezoelektrične voziščne konstrukcije vsebujejo piezoelektrični material, ki služi proizvodnji
energije. Delujejo tako, da se mehanska energija iz obremenitve vozila sredi deformacije
piezoelektričnega materiala pretvori v električno energijo. Piezoelektrični proces in
postopek zbiranja električne energije prek piezoelektričnih materialov, vgrajenih v voziščno
1 UVOD
2
konstrukcijo, je zelo zapleten, zatorej ga je treba dobro analizirati. Proces zbiranja takšne
oblike energije je zelo učinkovit tako v teoriji kot tudi na primerih različnih testov. Pri
pregledu literature kmalu ugotovimo, da se rezultati testov zelo razlikujejo, kar poraja
dodatna vprašanja o izvedljivosti namestitve tega gradiva na cesti. Zato je treba izvesti nove
teste, ki lahko dokazujejo ali zavrnejo navedene trditve o donosnosti.
1.2 Namen raziskave in cilji magistrskega dela
V magistrskem delu so prikazani tako standardni postopki dimenzioniranja voziščne
konstrukcije skozi uporabo tehničnih specifikacij za ceste kot tudi postopek pridobitve vseh
parametrov za dimenzioniranje. Osnovni namen raziskave je analizirati možnosti
izkoriščanja energije, ki nastane v voziščni konstrukciji pri vsakem prehodu vozila.
Opisane so tudi tri posebne vrste energijskih cest (voziščnih konstrukcij), ki ustvarjajo
električno energijo: termoelektrične, solarne in piezoelektrične. Pri termoelektrični voziščni
konstrukciji se spremeni dimenzioniranje voziščne konstrukcije. Pri solarni voziščni
konstrukciji se spremenijo tako dimenzioniranje voziščne konstrukcije kot tudi vozne
lastnosti ceste. Dimenzioniranje in vozne lastnosti piezoelektrične voziščne konstrukcije pa
predvidoma ostanejo enake in ni sprememb v postopkih dimenzioniranja. V magistrskem
delu je zato podrobno predstavljena analiza uporabe piezoelektrične voziščne konstrukcije.
Piezoelektrični material, vgrajen v voziščno konstrukcijo, omogoča pretvorbo mehanske
energije v električno.
Cilj pričujočega dela je dokazati ali zavrniti učinkovitost piezoelektričnega materiala. V ta
namen se izvedeta tako laboratorijsko testiranje kot analiza. Dobljena energija mora biti
dovolj velika, da pokrije višje stroške izgradnje takšne ceste v življenjski dobi ceste. Prav
tako je pomembno upoštevati vpliv te posebne plasti na celotno voziščno konstrukcijo.
1.3 Struktura magistrskega dela
Magistrsko delo je smiselno razdeljeno na šest poglavij:
– Prvo poglavje vsebuje opis problema, ki je kot predmet v ospredju dela, in tudi
namen ter cilje magistrskega dela.
– V drugem poglavju so analizirane splošne stvari, povezane z voziščno konstrukcijo.
Poglavje se začne z zgodovino cest. Nato se osredotoči na materiale in laboratorijske
analize, ki se uporabljajo za testiranje kakovosti materiala. Potem sledi opis vsakega
sloja voziščne konstrukcije in način njihove gradnje. Zadnji del poglavja temelji na
metodah dimenzioniranja voziščnih konstrukcij.
3
– V tretjem poglavju so predstavljeni načini izkoriščanja energije, ki jo lahko
pridobimo na cestah. Na kratko so opisane tri vrste takšnih cest. Predstavljena je
teoretična podlaga za analizo.
– V četrtem poglavju je predstavljen pojem piezoelektričnosti in način, kako ga
uporabiti v voziščni konstrukciji. Opisani so načini vgradnje v voziščno konstrukcijo
in sam princip izkoriščanja energije. Na koncu poglavja so prikazani rezultati že
izvedenih testov.
– V petem poglavju je opisan postopek preizkusa piezoelektričnega materiala,
vgrajenega pod asfaltno plastjo, v asfaltno plast, pod betonsko konstrukcijo in v
betonsko konstrukcijo. Na majhnem vzorcu so dosežene realne cestne razsežnosti.
Po testiranju so analizirani rezultati. Dokazan ali zavrnjen je dober vpliv
piezoelektrike na proizvodnjo električne energije in stroškovno oceno gradnje
takšne ceste.
– V zadnjem poglavju so podani sklepi magistrskega dela.
4
Voziščna konstrukcija je osnovni element ceste. Glavni namen voziščne konstrukcije je
zagotoviti kakovostno vožnjo in prenos napetosti, nastalih zaradi prometnih obremenitev.
Voziščna konstrukcija je sestavljena iz več različnih plasti, ki se razlikujejo po debelini,
vgrajenih materialih in ostalih pomembnih lastnostih. Vsaka plast ima svojo funkcijo in
mora izpolnjevati določene zahteve.
Na splošno je cestno zgradbo mogoče razdeliti na temeljno konstrukcijo, nosilno
konstrukcijo in krovno konstrukcijo, pri čemer ima temeljna konstrukcija vlogo prevzema
vseh obremenitev od nosilne in krovne konstrukcije, medtem ko nosilnemu in krovnemu
delu pravimo voziščna konstrukcija.
Značilni prerez voziščne konstrukcije je prikazan na sliki (Slika 2.1). V značilnem prečnem
prerezu ceste je voziščna konstrukcija zgrajena praviloma iz naslednjih plasti, razporejenih
od spodaj navzgor [2]:
– posteljica;
– nevezana nosilna plast;
– spodnja (stabilizirana) nosilna plast;
– vezana in/ali zgornja nosilna/zaščitna plast in
– obrabna/zaporna/drenažna plast.
Slika 2.1: Značilen prerez voziščne konstrukcije
2 SPLOŠNO O VOZIŠČNIH KONSTRUKCIJ
5
Kot je razvidno s slike, voziščno konstrukcijo sestavljajo vse plasti razen posteljice. Zadnji
dve plasti poimenujemo s skupnim nazivom tudi krovna plast. Če upoštevamo posteljico in
voziščno konstrukcijo, se celotna zgradba imenuje utrditev oziroma utrditev vozišča. [2]
Za boljše razumevanje celotne sestave ceste je treba razložiti vse pojme, ki se uporabljajo
v tehnični analizi voziščnih konstrukcij. Osnovni strokovni pojmi so naslednji:
– Temeljna tla so zemljine ali kamnine, večinoma v naravnih tleh, ki ležijo neposredno
pod celotno utrditvijo vozišča. Glavni namen temeljnih tal je prevzem vseh
obremenitev.
– Nasip je del med posteljico in temeljnimi tlemi, zgrajen iz zemljin nad površino
terena zaradi gradnje ceste oziroma višinske poravnave nivelete novograjene ceste.
– Posteljica je vrhnja plast temeljnih tal, lahko pa tudi nasipa, po navadi debeline do
do 50 cm. Posteljica mora zagotavljati določeno nosilnost. Pogosto izvedemo nasip,
ki predstavlja posteljico s povečano nosilnostjo in zmanjšano občutljivostjo na
učinke mraza.
– Nosilna plast je plast med posteljico in obrabno plastjo pod voziščno konstrukcijo,
zgrajena zaradi boljše razdelitve obremenitev.
– Nevezana nosilna plast je najnižja ali prva plast voziščne konstrukcije, sestavljena iz
mehansko stabiliziranih zmesi kamnitih zrn. [3]
– Vezana nosilna plast je zmes kamnitih materialov enake zrnavosti, vezanih s
hidravličnim ali bitumenskim vezivom. [1]
– Krovna plast je skupni naziv za vrhnji del voziščne konstrukcije, ki neposredno
prevzema prometne obremenitve in jih prenaša na spodnje plasti. Praviloma je
sestavljena iz obrabne in vezane zgornje nosilne plasti. [2]
– Obrabna plast je vrhnja plast na voziščni konstrukciji. Njena sestava je odvisna od
številnih faktorjev (prometna obremenitev, klimatski pogoji, osnovni namen
uporabe). [1]
Vsaka plast voziščne konstrukcije, vključno s posteljico, ima zahteve kakovosti, ki se morajo
z ustreznimi preizkusi preveriti in dokazati. Zahteve kakovosti so določene s slovenskimi
standardi, evropskimi normativi in tehničnimi specifikacijami za javne ceste.
2.1 Zgodovina cest
Zgodovinski podatki o začetku gradnje cest so zelo redki. Večino znanih podatkov je odkrila
arheologija. Človeku so v začetku tehnološkega razvoja ceste služile za medsebojno
povezavo skupine ljudi (plemena) na različnih razdaljah. Sčasoma so povezave prerasle v
poti, kolovoze in ceste.
6
Najstarejši ostanki cest so najdeni v stari Mezopotamiji in stari približno 4500 let. Sumerska
pisava ima poseben znak za cesto, ki je najstarejši pisni dokument o cestah. O gradnji cest
v stari egipčanski civilizaciji je poročal Herodot, ki je opisoval potrebo po cestah zaradi
gradnje Keopsove piramide. [4]
Razvoj civilizacije in še posebej gradbeništva se je nadaljeval tudi v Evropi. O visokorazvitem
gradbeništvu v Sredozemlju pa pričajo izkopanine najstarejših najdenih utrditev cestišč na
Kreti okoli leta 1800 pred našim štetjem. V stari Grčiji so poznali dobre metode graditve
cest iz kamnitih blokov.
Slika 2.2: Profil ceste v stari Grčiji [4]
V stari dobi so največji razvojni napredek naredili Rimljani. Z naraščanjem republike in
cesarstva je nastalo v obdobju od 4. stoletja pred našim štetjem do 3. stoletja po našem
štetju razvejano omrežje imperialnih cest. Na današnjem slovenskem prostoru je del
antičnih cest potekal po trasah prazgodovinskih komunikacij, del prometnih smeri pa je bil
nov. Stremeli so k čim bolj ravnemu poteku prometne trase. Značilni primer utrditve
cestišča pri premoščanju slabo nosilnih tal si je mogoče ogledati na Ljubljanskem barju. Iz
tega obdobja so poznane značilne tlakovane utrditve cestišč glavnih cest. Proti koncu
rimskega cesarstva so imele rimske ceste zelo močno in odporno utrditev vozišča. [4]
Začetek razpadanja rimskega cesarstva označuje tudi začetek razpadanja zgrajenih cest. Te
so ostale zanemarjene skoraj celih dvanajst stoletij.
V novem veku se je obseg cestnega prometa močno povečal. Zaradi naraščajočega
trgovskega prometa obstoječe slabo cestno omrežje več ni zadoščalo, zato je bilo treba
graditi nove in močnejše ceste. Na slovenskem območju je bil redko kateri cestni odsek v
prvih dveh stoletjih novega veka bistveno izboljšan. Izjema je gradnja ceste čez prelaz
Ljubelj in ceste po Soški dolini pod Kobaridom. Večji premik pri gradnji cest se je zgodil v
7
17. stoletju. V tem obdobju so bila značilna gramozna cestišča, ki so bila izvedena v različnih
državah po različnih postopkih. Do strokovnega razvoja gradnje cest je prišlo v 18. stoletju.
V Franciji in Angliji so začeli gradnjo cest in njihovo vzdrževanje prvič obravnavati kot
strokovni opravili. Posledično so v Franciji uveljavili nov postopek gradnje – utrditev
vozišča, kar je delo francoskega inženirja Tresagueta.
Tresaguet je napisal razpravo (1775) o gradnji cest kot načrtu za gradbene inženirje. Soočal
se je z različnimi vrstami geografske omejitve, kot so hribi, ravnine ali močvirja. V okviru
svoje razprave je priporočal ožanje cest oz. manjšo širino, odstranjevanje jarkov na eni
strani ceste in upoštevanje omejitve, pri kateri se ne bi presegalo 7 % strešnega prečnega
nagiba, saj bi na ta način zagotovili dobro odvodnjavanje cestišča. [5]
V naslednjih 50 letih oziroma v času Napoleona se je gradnja cest zelo razmahnila. Glavna
značilnost tedanje gradnje so bile zopet široke ceste.
Iz leta 1819 izhaja najbolj znan postopek za gradnjo cest v zgodovini, t. i. makadam.
Makadam je inoviral in v praksi razvil Škot John London McAdam, ki je pri gradnji cest
opazoval napake na vozišču. Na osnovi velikosti koles, vozov in kočij je ugotovil, da je
kritična velikost premera kamna na zgornjem sloju ceste 6,5 centimetra. Pri taki velikosti
kamnov so se pričela lomiti kolesa in prihajalo je do poškodb kopit pri konjih. Zatorej je bilo
treba spremeniti način gradnje cest. [6]
Okoli leta 1815 so pričeli pri gradnji cest na Trinidadu uporabljati naravni asfalt, kar je
začetek asfalterstva v gradbeništvu. Nadaljnji razvoj je bil hiter. Razvile so se različne vrste
asfaltnih plasti, kar velja zlasti po letu 1860, ko je bila z razvojem destiliranega bitumna
zagotovljena široka uporaba bitumenskega veziva. Na začetku 20. stoletja so bili uveljavljeni
standardi, postopki in kakovost asfaltnih zmesi za različne namene uporabe v cestogradnji.
[7]
Nadaljnji razvoj obrabnih plasti je bil zelo hiter:
– leta 1829 je bil v Lyonu vgrajen liti asfalt;
– leta 1830 so v Parizu, Londonu in Petersburgu vgradili phani asfalt;
– leta 1832 je bil v Angliji katranski makadam zgrajen kot nosilna plast;
– leta 1865 so na Škotskem zgradili cementnobetonsko vozišče;
– leta 1870 je bil v New Yorku Trinidad Epure uporabljen za valjani asfalt in
– leta 1876 je bil namesto naravnega asfalta uporabljen v ZDA za valjani asfalt;
– leta 1876 je bila v ZDA zgrajena penetrirana obrabna plast. [4]
V primerjavi z ostalim svetom je bil v Sloveniji razvoj asfalterstva počasnejši. Leta 1935 je
bila v Sloveniji prvič opravljena modernizacija vozišča z uporabo bitumna na cesti med
Mariborom in Šentiljem. Zaradi pomanjkanja opreme je delo opravilo avstrijsko podjetje. V
času druge svetovne vojne so nekatere odseke asfaltirali Nemci. Prva večja zaveza je bila
8
izgradnja avtoceste bratstva in enotnosti, ki je potekala od Jesenic do Gjevgjelije. V Sloveniji
je bila na tej trasi v obdobju 1950–1954 zgrajena sodobna dvopasovna cesta od Ljubljane
do Ivančne Gorice. Gradnja avtoceste se je v Sloveniji nadaljevala leta 1958 in je bila na
celotnem odseku od Ivančne Gorice do Bregane končana v osmih mesecih. Po letu 1960 se
je začela cestogradnja v Sloveniji razvijati v večji meri. [8]
2.2 Opis materialov in laboratorijsko raziskovanje materialov
Osnovne materiale, uporabljene v cestogradnji, lahko razdelimo na štiri dele. Posebej je
treba obravnavati naslednje materiale:
– lomljeni kamen;
– zmesi zrn;
– veziva in
– dodatke [1]
Glede na vrsto gradnje cest so uporabni tudi nekateri drugi materiali. To je pomembno
samo v primeru, če so uporabljeni pri gradnji, kjer zelo dobro pospešijo lastnosti
konstrukcije. [1]
2.2.1 Lomljeni kamen
Lomljeni kamen je pridobljen iz magmatskih, sedimentnih ali metamorfnih kamnin. V skoraj
vseh vrstah gradnje ga zdrobimo za zmesi zrn. [1]
Mineraloške značilnosti so pomembne zaradi ugotavljanja tehnične uporabnosti kamnine.
Vse kamnine so sestavljene iz delcev mineralov. Kamnine sestojijo iz približno 200
mineralov in manjšega števila skupin mineralov. Vrsta in oblika mineralov v kamnini
določata lomljivost kamnine in trdoto ter odpornost proti zunanjim vplivom. [1]
Zaradi različnih vplivov se mineraloške značilnosti kamnin za potrebe gradenj cest
obravnavajo kot:
– odpornost proti vročini, pri čemer so goste kamnine odpornejše proti vročini;
– odpornost proti kemikalijam, pri čemer so odporne večinoma magamtske
kamnine, po drugi strani pa so proti kemikalijam slabše odporne karbonatne
kamnine;
– trdota, ker krhkost nekaterih mineralov ne dopušča velike trajne deformacije;
– razkolnost, določena s strukturo kristalov.
9
Elastičnost kamnin se določa po Hookovem zakonu. Elastične značilnosti lahko razdelimo
na modul elastičnosti kamnin E, relativno stisnjenje ɛ in tlačno napetost σ, določenih z
enoosno tlačno obremenitvijo, ki jih dobimo z naslednjo enačbo:
𝐸 =𝜎
𝜀 [MN/m2] ; 𝜀 =
∆ℎ
ℎ0 ; 𝜎 =
𝐹
𝑆0 [MN/m2], (2.1)
kjer so:
σ – tlačna napetost [MN/m2];
ɛ – relativno stisnjenje;
Δh – absolutno stisnjenje [mm];
ℎ0 – prvotna višina [mm];
𝐹 – tlačna sila [N] in
𝑆0 – prvotni prerez [mm2]. [1]
Modul elastičnosti kamnin E določimo z enoosno tlačno obremenitvijo. Z ustreznimi
postopki tudi lahko določimo tlačno, strižno in upogibnonatezno trdnost kamnine.
Elastičnost in trdnost kamnine sta odvisni od lastnosti mineralov, sicer pa sta med seboj
neodvisni.
Tlačna trdnost se izračuna z enačbo:
𝜎p =𝐹max
𝑆0 [MN/m2], (2.2)
kjer je:
𝐹max – tlačna sila pred porušitvijo [N]. [1]
2.2.2 Zmesi zrn
Zmesi zrn so kamnine, razdeljene na dve osnovni vrsti:
– naravne zmesi zrn (gramoz, grušč) in
– drobljene zmesi zrn (lomljenec naravnih kamnin). [13]
Naravne zmesi zrn so nastale pri razpadanju masivnih sten pod delovanjem sile vode,
temperature in vetra. Drobljene zmesi zrn so proizvedene v drobilnicah. [1]
Na splošno je zmes zrn sestavljena iz enega ali več razredov zrn ali zrnavosti. Ustrezne
lastnosti zmesi zrn in druge specifične zahteve so odvisne od mehanskih in klimatskih
razmer voziščne konstrukcije.
Osnovna značilnost za določanje uporabnosti zmesi zrn v cestogradnji je sestava zmesi zrn
oziroma zrnavost. Za določitev deleža posameznih razredov in skupin zrn v celotni zmesi se
uporabljajo trije postopki:
10
– sejalna analiza (za večja zrna);
– sedimentacija (za drobna zrna) ter
– kombinacija sejalne in sedimentacijske analize
Osnovni kriterij za klasifikacijo zemljin je granulometrijska sestava. Med posameznimi
intervali velikosti zrn so postavljene meje zaradi boljše analize kakovosti in uporabnosti
zemljine. Eden od primerov je M.I.T. (Massachusetts Institute of Tehnology) klasifikacija,
prikazana v spodnji tabeli (Tabela 2.1).
Tabela 2.1: M.I.T. klasifikacija zemljin [9]
˂ 0,0002 drobna 0,0002– 0,0006
srednja glina
0,0006–0,002
debela
0,002–0,006 droben 0,006–0,02 srednji melj 0,02–0,06 debel
0,06–0,2 droben 0,2–0,6 srednji pesek 0,6–2 debel
2,0–6,0 droben 6,0–20,0 srednji gramoz
20,0–60,0 debel
Mejo med velikosti zrn lahko razvrstimo tudi po določenih značilnostih za posamezno
velikost, ampak ne po mineraloški sestavi. Tako dobimo naslednje opise velikosti:
– 2 do 60 mm – gramoz z bolj ali manj zaobljeni robovi in konicami zrn;
– 2 mm – meja med gramozom in peskom. Do te meje se v enakomernih sestavih zrn
še uveljavljajo kapilarni pojavi.
– 0,075 do 0,05 mm – meja med peskom in meljem. Do te meje se opravlja zrnitev s
sejanjem.
– 0,006 ali 0,002 mm – meja med meljem in glino, pri kateri postane zrnje ob primerni
primesi vode plastično in koherentno.
– ˂ 0,002 mm – koloidni delci. [9]
Sejalna analiza se opravlja za zrna, ki so večja od 0,06 mm. Najfinejša sita so pletene mreže,
narejene iz tankih žic, ki so napete med okvirji v dveh pravokotnih smereh. Sita z večjimi
odprtinami so izdelana iz jeklenih plošč ali pa tudi pletena, odvisno od proizvajalca. Sita za
sejalno analizo so prikazana na spodnji sliki (Slika 2.3).
11
Slika 2.3: Sita za sejalno analizo
Pogoj za suho sejanje je, da je zmes zemljine predhodno primerno posušena. Zmes
segrejemo na približno 100 °C in nato ohladimo na sobno temperaturo. [1]
Del zemljine, ki pade pri sejanju skozi sito, imenujemo presejek. Ostanek na situ je odsejek.
Presejek in odsejek izražamo v utežnih odstotkih glede na skupno težo vzorca. Če odsejek
označimo z 𝑊𝑖 in težo vzorca W, je odstotek odsejeka na i-tem situ:
% 𝑜𝑑𝑠𝑒𝑗𝑒𝑘 𝑛𝑎 𝑖‐ 𝑡𝑒𝑚 𝑠𝑖𝑡𝑢 =𝑊i
𝑊 ∙ 100 (2.3)
Od tod sledi, da je odstotek presejka na i-tem situ:
% 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑗𝑒𝑘 𝑛𝑎 𝑖‐ 𝑡𝑒𝑚 𝑠𝑖𝑡𝑢 = 100 − ∑ (% 𝑜𝑠𝑑𝑒𝑗𝑒𝑘 𝑛𝑎 𝑖‐ 𝑡𝑒𝑚 𝑠𝑖𝑡𝑢)𝑖𝑖=1 (2.4)
Za zrna, manjša od 0,05 mm, ni možno narediti zrnitev s sejanjem zaradi zelo majhnih
velikosti zrn. Zaradi tega se pri tako majhnih zrnih uporabljajo sedimentacijske metode
zrnitve. Takšne metode imajo za osnovo zakon o konstantni hitrosti, ki jo dosežejo v vodi
se usedajoča zrna po nekem začetnem pospešku. [9]
Po Stokesovem zakonu za kroglasta zrna sledi:
𝑣 =𝛾S−𝛾WT
18∙𝜂T∙ 𝐷2, (2.5)
12
kjer so:
v – sedimentacijska hitrost zrna [cm/s];
𝛾S – prostorninska teža zrn [kN/m3];
𝛾WT – prostorninska teža vode pri temperaturi T [kN/m3];
𝜂T – viskoznost vode pri temperaturi T [kN sec/m3] in
𝐷 – premer kroglastih zrn [cm]. [9]
Po zgornji enačbi lahko potem pridobimo premer zrn D:
𝐷 = √18∙𝜂T∙𝑣
𝛾S−𝛾WT (2.6)
Aerometriranje temelji na principu sedimentacije zrn zemljine v vodi. V vodi dispengirani
delci zemljine se usedajo z različno hitrostjo, pri čemer se spreminja gostota suspenzije. Ko
vsebino dobro pomešamo, v primernih časovnih presledkih opazujemo gostoto suspenzije
z aerometrom. [9]
Slika 2.4: Aerometer
13
V času t je težišče aerometrične hruške na nivoju 𝑍r, in sicer pod prvotno gladino vode v
valju. Tisto višino lahko odčitamo na lestvici aerometra, izmerimo temperaturo, gostoto
suspenzije in če izračunamo hitrost, ki je nivo, deljen s časom t, imamo vse podatke, ki so
potrebni za izračun.
Oblika zrn je razmerje dolžine zrna proti debelini ali širini. Od te lastnosti je odvisna
odpornost posameznega zrna proti preoblikovanju. Če je zrno neprimerno oblikovano, se
bo pri mehanski obremenitvi prej zdrobilo. [1]
Oblika zrn se določa po t. i. modulu oblike zrn SI (Shape Index). Modul oblike je treba
določati skladno s SIST EN 933-4. Modul oblike po SI je prikazan v spodnji tabeli (Tabela
2.2). [11]
Tabela 2.2: Modul oblike [11]
Modul oblike Kategorija SI ≤ 15 𝑆𝐼15 ≤ 20 𝑆𝐼20 ≤ 50 𝑆𝐼50
Ni zahteve 𝑆𝐼NZ
Gostota zmesi zrn je količnik mase in njene prostornine, vključno z votlinami in porami.
Gostoto zmesi določata sestava in razporeditev zrn v zmesi. Osnovna enačba za določitev
prostorninske gostote zmesi zrn 𝜌ZZ je:
𝜌ZZ =𝑚ZZ
𝑉zz [g/cm3], (2.7)
kjer sta:
𝑚ZZ – masa zmesi zrn [g] in
𝑉ZZ – prostornina zmesi zrn, vključno s porami in votlinami [cm3]. [1]
S Proctorjevim preizkusom dosežemo največjo gostoto suhega materiala. Izvaja se za
ugotovitev stopnje zbitosti pri različnih vsebnostih vode in enakih pogojih zgoščevanja.
Zbitost oziroma gostota materiala se izrazi kot suha prostorninska teža. Z omenjenim
preizkusom se tudi določi optimalna vlažnost. [9]
Po Proctorju ločimo dva postopka: standardni Proctorjev preizkus (SPP) in modificirani
Proctorjev preizkus (MPP). Razlika je v tem, da poteka standardni preizkus po točno
določenih pogojih in je uporaben večinoma za vezljive zemljine, medtem ko je modificirani
preizkus uporaben za zmesi kamnitih zrn.
14
Slika 2.5: Kovinski cilinder za Proctorjev preizkus
Za preizkus se uporablja kovinski cilinder (prikazan na Sliki 2.5) notranjega premera 10 cm
(15 cm pri MPP), višine 12 cm (12,5 cm pri MPP) in volumna 942 cm3. Dno se lahko po
potrebi loči od cilindra. Z gornje strani je pritrjen kovinski nastavek cilindra enakega
premera in višine 6,35 cm. [9]
Energijo zbijanja izrazimo z enačbo:
𝐸 =𝑁∙ℎ∙𝑊
𝑉 [kJ/m3], (2.8)
kjer so:
N – število udarcev;
h – višina pada nabijala [m];
W – teža nabijala [N] in
V – volumen vzorca [m3].
Kot rezultat dobimo funkcijsko odvisnost prostorninske gostote suhe zmesi zrn 𝜌dZZ od
deleža vode v isti zmesi zrn 𝑤. Na tej osnovi lahko določimo največjo prostorninsko gostoto
zmesi zrn. [1]
Primer izrisanega diagrama, ki prikazuje razmerje med vlago in suho prostorsko težo, je
prikazan na sliki (Slika 2.6).
15
Slika 2.6: Diagram rezultatov po Proctorju [1]
Kot smo že omenili pri lomljenih kamninah, so mehanske lastnosti v veliki meri pogojene z
mineraloško zgradbo in petrografsko sestavo zrn. Med mehanske lastnosti štejemo
odpornost proti:
– »zglajevanju« (poliranju);
– visokim in nizkim temperaturam (zmrzovanju in tajanju);
– vplivom vremena;
– obrabi in
– drobljenju.
Odpornost zmesi zrn proti »zglajevanju« je zaradi obremenitve vozišča tudi z vodoravnimi
silami pomembna predvsem za obrabne plasti voziščne konstrukcije. Ta odpornost je
odločilnega pomena za torne lastnosti vozne površine v mokrem stanju. Vozna površina
mora imeti zadostno odpornost proti zdrsom, kar omogoči primerna geometrijska
oblikovanost površine. [11]
Za določanje odpornosti zmesi zrn proti »zglajevanju« sta uveljavljena dva postopka:
– angleški postopek in
– postopek Wehner/Schulze.
Angleški postopek temelji na »zglajevanju« zrn drobirja 8/12 mm, vgrajenih v segmentne
kalupe, vstavljene v posebno opremo. [1]
Zahtevane vrednosti so podane v tabeli (Tabeli 2.3). Silikatne kamnine za obrabnozaporne
plasti za zelo težko prometno obremenitev morajo imeti PSV-vrednost nad 50, karbonatne
kamnine za lahko prometno obremenitev pa nad 30. [11]
16
Tabela 2.3: Kategorije za minimalne vrednosti odpornosti proti zglajevanju [11]
Vrednost poliranja kamna Kategorija PSV
≥ 50 𝑃𝑆𝑉50
≥ 44 𝑃𝑆𝑉44
Vmesne vrednosti ˂ 44 𝑃𝑆𝑉deklariran
Ni zahteve 𝑃𝑆𝑉NZ
Postopek Wehner/Schulze je razvit v Berlinu in omogoča zanesljivejšo določitev odpornosti
tako za drobir kot tudi za pesek. Enako kot pri angleškem postopku obstaja posebna
oprema za preveritev vrednosti odpornosti zrn proti zglajevanju. [1]
Zmesi zrn in celotna voziščna konstrukcija so lahko izpostavljene zelo visokim kot tudi zelo
nizkim temperaturam. Kritičnim visokim temperaturam so izpostavljene samo zmesi
kamnitih zrn, ki jih uporabljamo pri pripravi asfaltnih zmesi po vročem postopku. [1]
Obstojnost na mrazu je z druge strani osnovna in bistvena lastnost kamnitih zrn. V vseh
slojih je kamniti material izpostavljen delovanju vode. Trajnost kamnitih zrn je opredeljena
z njihovo odpornostjo proti razpadanju pri preizkusu z zmrzovanjem in tajanjem z
magnezijevim ali natrijevim sulfatom. [11]
Tabela 2.4: Kategorije maksimalne vrednosti magnezijevega sulfata [11]
Vrednost magnezijevega sulfata (%) Kategorija MS
≤ 18 𝑀𝑆18
≤ 25 𝑀𝑆25
Ni zahteve 𝑀𝑆NZ
Obraba je odvisna od trdote posameznih mineralov, njihovega količinskega odnosa in
načina povezanosti. [11]
Odpornost proti drobljenju je osnovni faktor trajnosti kamnitih zrn, vgrajenih v voziščno
konstrukcijo. Je posredno prikazana fizikalna značilnost oziroma tlačna, pogibnonatezna in
razkolna trdnost. [11]
Za določanje odpornosti proti drobljenju sta uveljavljena dva postopka, in sicer:
– postopek »Los Angeles« in
– postopek »udarne trdnosti«.
V postopku »Los Angeles« je določeno število jeklenih krogel, ki so skupaj z zmesjo
kamnitih zrn vstavljene v predpisan boben. Pozneje se te zmesi med vrtenjem drobijo in
meljejo. Količnik LA je določen z enačbo:
17
𝐿𝐴 = 𝑚0−𝑚1
𝑚0∙ 100 [kN/m2], (2.9)
kjer sta:
𝑚0 – masa vzorca zmesi zrn pred preizkusom [g] in
𝑚1 – masa vzorca zmesi zrn po preizkusu, ki je ostal na situ 2 mm po
izpiranju drobnejših zrn [g]. [1]
Količniki odpornosti zmesi zrn proti drobljenju so opredeljeni kot kategorije in prikazani v
tabeli (Tabela 2.5).
Tabela 2.5: Kategorije maksimalnih vrednosti količnika LA [11]
Količnik Los Angeles Kategorija LA
≤ 20 𝐿𝐴20
≤ 25 𝐿𝐴25
≤ 30 𝐿𝐴30
≤ 40 𝐿𝐴40
≤ 50 𝐿𝐴50
Ni zahteve 𝐿𝐴NZ
Za postopek udarne trdnosti sta določena dva razreda zrn: drobir 8/12,5 mm in tolčenec
35/45 mm. Nabijalo določene mase z določenim številom udarcev z določene višine udarja
na zmes zrn, vgrajeno v kalup. Kategorija je povprečna vrednost presejkov na vseh
normiranih sitih (8, 4, 2, 1, 0,5 in 0,25 mm). [1]
2.2.3 Veziva
Veziva povezujejo kamnita zrna in s tem zagotavljajo bistveno boljše lastnosti zgrajene
voziščne konstrukcije. Izbira veziva pri gradnji je odvisna od pogojev uporabe. Na splošno
se v cestogradnji uporabljata dve vrsti veziv:
– organska (bitumen in naravni asfalt) ter
– anorganska (cement in apno).
Organska veziva so težko hlapljive, temno obarvane, poltrdne do odbojne, topljive,
visokomolekularne zmesi ogljikovodikov. V sestavi nafte razlikujemo parafine, olefine,
naftene in aromate. [1]
Bitumen je iz nafte proizvedena zmes. Najprej se nafta, v cevni peči segreta na 250 do 280
°C, destilira pod atmosferskim pritiskom. Nato se iz nje izločijo lahki in težki bencin ter
petrolej. Ostanek se potem segreje v naslednji peči na 320 do 380 °C in v vakuumu destilira.
Iz tega, kar se je segrevalo, se izločijo dizelsko olje ter lahka in težka olja za vrtanje in
18
motorje. Ostanek označimo kot destilirani bitumen. Z ustreznim vmešavanjem različnih
dodatkov v destilirani bitumen dobimo različna bitumenska veziva: fluksirani bitumen,
bitumensko raztopino, bitumenske emulzije in s polimeri modificirani bitumen. [1]
Staranje bitumna pomeni, da se mu spreminjajo tako sestava kot tudi lastnosti. Do tega
pride zaradi izhlapevanja oziroma destilacije, oksidacije in strukturnega staranja. [1]
Testi bitumna se v cestogradbeni praksi uporabljajo predvsem na podlagi izkušenj. Posebni
pomen imajo naslednje lastnosti bitumna:
– Penetracija pomeni merilo trdote bitumna pri 25 °C. Izmeri se globina vtisa ustrezno
oblikovane igle, obremenjene 5 sekund s 100 g v 1/10 mm.
– Zmehišče predstavlja temperaturo začetka toka bitumna. Bitumen s segrevanjem
postopoma postaja mehkejši in nima tališča. Pri temperaturi zmehišča se plast
bitumna, ki je vgrajena v prstan in jo enakomerno segrevamo, pod kroglico z
določeno maso preoblikuje v določenem obsegu iz trdega v tekoče stanje.
– Indeks penetracije predstavlja temperaturno občutljivost bitumna oziroma
spremembo viskoznosti v odvisnosti od temperature. Določi se po Pfeifferju in van
Doormalu z enačbami:
𝐼𝑃 =20∙𝑢−500∙𝑣
𝑢+50∙𝑣 , (2.10)
𝑢 = 𝑇𝑃𝐾 − 𝑇𝑝, (2.11)
𝑣 = 𝑙𝑜𝑔800 − 𝑙𝑜𝑔𝑃𝑇 , (2.12)
kjer so:
𝑇p – temperatura določanja penetracije bitumna (25 °C);
𝑇PK – temperatura zmehišča in
𝑃T – penetracija bitumna.
– Duktilnost določa meje raztezanja bitumna, preden se ta pretrga. Meja se določa
tako, da se vzorec bitumna vgradi v posebni kalup v temperirani vodni kopeli s
temperaturo vode 25 °C. Potem bitumen raztegnemo z določeno hitrostjo.
– Pretrgališče po Fraassu pokaže začetek krhkega območja bitumna pri nizkih
temperaturah. Določa se s pomočjo preizkusa s ponavljanjem določenega upogiba
kovinske ploščice, na kateri je pritrjena tanka plast bitumna. V bitumnu se pri
hlajenju in zvijanju pojavljajo razpoke.
– Viskoznost je merilo notarnjega trenja tekočine oziroma bitumna v različnih fazah
predelave. Optimalna viskoznost bitumna je ≥ 2 · Pa · s.
– Gostota bitumna je pomemben podatek za načrtovanje. Pri temperaturah uporabe
znaša gostoa med 0,92 in 1,07 g/cm3. [1]
Modificirani bitumni so posebna bitumenska veziva, ki imajo s posebnimi dodatki
izboljšane lastnosti. Na splošnem so prilagojeni potrebam v cestogradnji. [1]
Bitumenske raztopine se proizvajajo z utekočinjenjem bitumna, in sicer z vmešavanjem olj.
Kot fluksirana olja se uporabljajo mineralna olja, ki ne vsebujejo fenolov.
19
Bitumenske emulzije so zmesi cestogradbenega bitumna in vode, pri čemer je bitumen v
majhnih delcih razpršen v vodi, dodani emulgator pa z zmanjšanjem napetosti na mejnih
površinah zagotavlja ohranitev ločenih delcev. [1]
Naravni asfalt nastane z destilacijo nafte v naravi v daljših časovnih obdobjih in mešanjem
nastalega bitumna z drobnimi kamnitimi zrni. Razlikujemo srednje trd in zelo trd asfalt ter
asfaltne kamnine. [1]
Anorganska veziva so prašnati materiali, ki po stiku z vodo kemično reagirajo. Zaradi
fizikalnih procesov prehaja zmes v pasto in postopoma v otrdelo stanje.
Anorganska veziva delimo na cement in apno. To so materiali, ki se v gradbeništvu izredno
pogosto uporabljajo. [1]
2.2.4 Kemijski dodatki
Kemijski dodatki oziroma aditivi so snovi, ki so pretežno organskega izvora in jih dodajamo
vezivom, zmesem ali mešanicam, da jim zagotovimo potrebne lastnosti. Razlikujemo
površinsko aktivne snovi, topljive kemikalije in netopljive kemijske dodatke.
Površinsko aktivne snovi uporabljamo v proizvodnji dodatkov za cementni beton.
Pridobivamo jih kot derivate soli lesnih smol, proteinov, naftnih kislin in sintetičnih
detergentov. Sestavljene so iz organskih molekul, ki so na enem koncu hidrofilne, na
drugem koncu pa hidrofobne. [1]
2.3 Opis in izvedba posamezne plasti
Voziščna konstrukcija je sestavljena iz plasti, ki imajo različno sestavo in debelino (glej sliko
2.1). Vsaka posamezna plast ima točno določen opis in način izvedbe zaradi boljšega
sprejema vseh obremenitev, ki pade na plast. Vsi pogoji in ukrepi pri izdelavi in načrtovanju
posameznih plasti so določeni s slovenskimi standardi za javne ceste. Slednji jasno kažejo
vse potrebne podatke o sestavi plasti, načinu izvedbe in potrebnih ukrepih pri izvedbi plasti.
2.3.1 Posteljica
Namen posteljice je zagotoviti primerno nosilnost in zmanjšati občutljivost na vpliv mraza.
Take pogoje zagotovimo z uporabo primernih materialov oziroma z izboljšanjem materiala,
njegovo utrditvijo, stabiliziranjem in tudi z ustrezno ureditvijo odvodnjavanja površinskih
voda s cestne površine.
Material, uporaben za izgradnjo posteljice, so vezljive zemljine ali kamnine. Vgrajeni
material mora biti zaradi doseganja predpisane zgoščenosti predvsem stabilen in primerno
vlažen . [1]
20
Razprostiranje zmesi zrn mora praviloma potekati z grederjem in buldožerjem. Debelina
razprostrte zmesi zrn mora biti tolikšna, da bo po zgostitvi dosežena predpisana debelina
plasti. Zaradi tega je predpisana najmanjša debelina plasti zmesi zrn v zgoščenem stanju, ki
je odvisna od največjega zrna v zmesi, prikazana v tabeli (Tabela 2.6).
Tabela 2.6: Odvisnost debeline plasti od velikosti zrn v zmesi [13]
Velikost zrn v zmesi (mm): Najmanjša debelina plasti (cm):
do 31 ≥ 15
do 62 ≥ 20
do 125 ≥ 30
2.3.2 Nevezana nosilna plast
Nevezana nosilna plast mora tako kot vse zgornje plasti zagotoviti načrtovano in tudi trajno
nosilnost ter zaščititi spodnjo konstrukcijo oziroma podlago proti škodljivim učinkom
mraza.
Za vgradnjo v nevezano nosilno plast mora biti sestava zmesi kamnitih zrn takšna, da
zagotovi bolj ali manj trajno nosilnost. Zaradi tega mora biti sestava zmesi kamnitih zrn
prilagojena predvideni prometni obremenitvi. Njena presejna krivulja leži med mejnima
krivuljama, ki sta določeni odvisno od velikosti zrn za tri značilne vrste zmesi kamnitih zrn,
in sicer:
– zmes kamnitih zrn nazivne velikosti 0/22 mm, ki vsebuje zrna velikosti 0 do 31 mm
(Slika 2.7);
– zmes kamnitih zrn nazivne velikosti 0/31 mm, ki vsebuje zrna velikosti 0 do 45 mm;
– zmes kamnitih zrn nazivne velikosti 0/45 mm, ki vsebuje zrna velikosti 0 do 63 mm.
[3]
21
Slika 2.7: Območje sestave zmesi kamnitih zrn 0/22 mm [3]
Razprostiranje zmesi kamnitih zrn mora praviloma potekati s finišerjem, le izjemoma lahko
tudi z grederjem ali buldozerjem. [3]
2.3.3 Vezana nosilna plast
Vezane nosilne plasti se delijo na dva dela – na spodnje in zgornje. Osnova za razdelitev so
značilnosti uporabljenih materialov v posamezni plasti.
Namen izvedbe spodnjih vezanih nosilnih plasti, imenovanih tudi stabilizirane nosilne
plasti, je sposobnost prevzema upogibnonateznih napetosti. Takšna lastnost zagotavlja
povečano razdelitev prometnih obremenitev in delno premostitev lokalno slabših nosilnih
mest. Ker je plast vezana (četudi zelo šibko), se zmanjša specifična obremenitev
posameznih zrn v zmesi. [1]
Spodnje vezane nosilne plasti se uporabljajo v voziščnih konstrukcijah za težje prometne
obremenitve. Ko so prometne obremenitve lažje, so lahko vgrajene kot edina vezana
nosilna plast.
Stabilizirana zmes se strojno razprostira. Praviloma je treba v vsej širini vozišča mešanico
naenkrat zgoščevati od roba proti sredini plasti in od nižjega proti višjemu robu plasti.
Zgornje vezane nosilne plasti so vgrajene v voziščno konstrukcijo za vse skupine prometnih
obremenitev.
Asfaltna zmes je vgrajena s finišerji. Pri razprostiranju asfaltne zmesi je treba zagotoviti
najmanj 85-% stopnjo zgostitve. [1]
22
2.3.4 Obrabna in zaporna plast
Obrabne in zaporne plasti so namenjene zagotovitvi večje odpornosti vozne površine proti
obrabi ter zaščiti celotnega vozišča proti vodi. Razlikujemo predvsem dve osnovni vrsti
obrabnih plasti: nevezane in vezane obrabne plasti.
Nevezane obrabne plasti uporabljamo samo za zelo lahko prometno obremenitev ali pa za
začasno utrditev vozne površine. Poleg tega sta dodatna namena nevezane obrabne plasti
razdelitev prometnih obremenitev in zmanjšanje učinka mraza na spodnje materiale.
Pri nevezanih obrabnih plasteh so uporabljeni materiali zmesi kamnitih zrn, sestavljene iz
čim bolj grobozrnate osnovne zrnavosti 0/22 mm, 0/32 mm ali 0/45 mm ter iz zrnavosti za
zaklinjenje 0/8 mm. [1]
Za vgrajevanje nevezanih obrabnih plasti veljajo enaki pogoji kot za nevezane nosilne plasti.
Vezane obrabne in zaporne plasti so vrhnje plasti voziščnih konstrukcij. V cestogradbeni
praksi so uveljavljene obrabnozaporne, obrabne in zaporne plasti. Odvisno od specifične
sestave in namena uporabe morajo biti takšne vrhnje plasti voziščnih konstrukcij sposobne:
– prevzeti horizontalne oziroma tangencialne in radialne sile med vozilom in voziščno
konstrukcijo;
– zagotavljati za varno in udobno vožnjo potrebno torno sposobnost in ravnost vozne
površine;
– zaščititi cestno telo pred padavinami in drugimi atmosferskimi vplivi. [3]
Asfaltne zmesi, uporabljene pri takšnih plasteh, so najpogosteje uporabljene zmesi, ki so
potrebne za obrabnozaporne plasti. To so predvsem: bitumenski beton, drobir z
bitumenskim mastiksom, diskontinuirani bitumenski beton, hrapavi liti asfalt ter
tankoplatne in površinske prevleke.
Cementnobetonske krovne plasti so zelo toge, zato prevzemajo obremenitev z
upogibnonatezno trdnostjo. To pomeni boljšo razdelitev obremenitev, ki dopušča manjšo
nosilnost podlage.
2.4 Metode dimenzioniranja voziščnih konstrukcij
Voziščne konstrukcije se dimenzionirajo tako, da se združijo različne plasti materialov v eno
celoto, ki bo sposobna določen čas prevzeti predvidene obremenitve. Seveda zaradi
različnih faktorjev tako združenih materialov ni možno natančno izračunati. Lastnosti
posameznih materialov so različne, kakovosti teh pa se ne da razvrstiti v skupine z enakimi
lastnostmi, zatorej je zelo težko določiti točne rezultate dimenzioniranja.
Za dimenzioniranje obstajajo tri osnovne vrste postopkov:
– teoretični postopki;
23
– empirični postopki in
– standardizirani postopki. [1]
2.4.1 Teoretični postopki
Teoretični postopki dimenzioniranja so zasnovani za izračun napetosti in deformacij
vgrajenih materialov v voziščni konstrukciji.
Postopek po Boussinesqu temelji na predpostavki, da če se obtežba kolesa vozila
enakomerno razdeli na krožno obremenilno ploskev in da leži ta ploskev na površini
homogenega, elastičnega, izotropnega polprostora, lahko določimo napetosti in
deformacije v tem polprostoru.
Odnos med posedkom s in modulom elastičnosti materiala E je osnova za oceno nosilnosti
plasti materiala. Od tod sledi, da je vrednost deformacijskega modula 𝐸v opredeljena z
enačbo:
𝐸v = 0,75 ∙𝑝
𝑠∙ 𝐷 [MN/m2], (2.13)
kjer so:
𝑝 – enakomerna obremenitev na naležni površini plošče [MN/m2];
𝐷 – premer obremenilne plošče [mm] in
𝑠 – usedek pod središčem krožne obremenilne plošče [mm].
Postopek po Burmistru temelji na teoriji elastičnosti dvoslojnega sistema. Ta postopek
upošteva dve plasti voziščne konstrukcije: zgornjo plast, ki ima bivstveno večji modul
elastičnosti (𝐸1), in spodnjo plast posteljice, ki ima manjši modul elastičnosti (𝐸2). Napetosti
so na mjeni ploskvi med obema plastema znatno manjše kot pri prejšnjem postopku.
Zmanjšanje napetosti se povečuje skladno z velikostjo razlike v modulu elastičnosti obeh
materialov in debeline zgornje plasti.
2.4.2 Empirični postopki
Empirični postopki temeljijo na izkušnjah oziroma preizkusih v določenih naravnih pogojih.
Osnove za empirični postopek so praktični postopki meritve nosilnosti podlage, prometne
obremenitve, vremenski pogoji, značilnosti načrtovanih materialov itd.
V Sloveniji uporabljamo za dimenzioniranje voziščnih konstrukcij tehnične specifikacije
(TSC), ki so pravzaprav zbirka vseh empiričnih postopkov, ki so pomembni za načrtovanje
voziščnih konstrukcij.
Nosilnost podlage je pomembna osnova za dimenzioniranje, ker je debelina plasti
nevezanega materiala odvisna od rezultatov preizkusa. Na splošno nosilnost podlage
pomeni odpornost proti preoblikovanju ali sposobnost raznosa obremenitve.
Za presojo nosilnosti podlage pri načrtovanju voziščnih konstrukcij obstajata dva postopka:
24
– nosilnost podlage po CBR (California Bearing Ratio test) in
– nosilnost podlage po postopku s krožno obremenilno ploščo.
CBR-preizkava poteka z vtiskanjem cilindričnega bata površine 19,4 cm2 v vzorec do globine
2,54 mm in 5,04 mm s hitrostjo vtiskanja 1,27 mm/min. Rezultat se izrazi kot razmerje med
potrebnim pritiskom P pri merjenem vzorcu in standardnim pritiskom Pn, ki je potreben, da
se enak bat z enako hitrostjo vtisne do enake globine v izbran standardni material. Vrednost
količnika CBR potem določimo z enačbo:
𝐶𝐵𝑅 =𝑃
𝑃𝑛∙ 100 [%] (2.14)
Mehanske značilnosti materiala in CBR so težko povezljive snovi. Določena je korelacija
med deformabilnostjo materiala in vrednostjo CBR, ki je izražena z enačbo:
𝐸 = 6,5 ∙ 𝐶𝐵𝑅0,65 [𝑁
𝑚𝑚2] (2.15)
Preizkus s krožno obremenilno ploščo in statičnim obremenjevanjem se uporablja za
določanje dveh vrednosti:
– modula stisljivosti 𝑀𝐸 po švicarskem postopku in
– deformacijskih modulov 𝐸𝑉1 in 𝐸𝑉2 po nemškem postopku.
Osnova za določanje navedenih modulov je razmerje med razliko specifičnih obremenitev
∆𝑝 in ustreznih posedkov ∆𝑠, ki izhaja iz Boussinesqove teorije za homogen, elastičen,
izotropen polprostor v obliki 𝑓 ∙∆𝑝
∆𝑠∙ 𝐷 [
MN
m2]. [9]
Vrednost modula stisljivosti določimo z nalednjo enačbo:
𝑀𝐸 = 𝑓0 ∙∆𝑝
∆𝑠∙ 𝐷 [
𝑀𝑁
𝑚2], (2.16)
kjer so:
𝑓0 – faktor razdelitve napetosti, ki znaša za okroglo ploščo 1;
∆𝑝 – razlika obremenitev v merodajnem območju [N/mm2];
∆𝑠 – razlika posedkov v merodajnem območju obremenitev ∆𝑝 [mm] in
𝐷 – premer plošče [mm].
Vsak material je treba praviloma obremeniti s sedmimi stopnjami. Podatki omogočajo
vrednotenje deformacijskega modula z enačbo [9]:
𝐸V1 = 0,75 ∙∆𝑝′
∆𝑠′∙ 𝐷 [
MN
m2] (2.17)
Kot merodajno območje za vrednotenje deformacijskega modula 𝐸V1 upoštevamo območje
enakomernega posedanja, ki ga ugotovimo s pomočjo krivulje, vnesene v ustrezen diagram
25
posedek/obremenitev. Za določitev nosilnosti sta merodajna vrednost deformacijskega
modula 𝐸𝑉2 in razmerje deformacijskih modulov. Vrednost modula 𝐸𝑉2 ugotovimo tako, da
krožno obremenilno ploščo (po prvi obremenitvi) najprej popolnoma razbremenimo in
potem ponovno obremenimo. Deformacijski modul 𝐸𝑉2 določimo z enačbo [9]:
𝐸V2 = 0,75 ∙∆𝑝′′
∆𝑠′′∙ 𝐷 [
MN
m2] (2.18)
Dinamični preizkus s krožno ploščo se uporablja za preverjanje nosilnosti grobozrnatih
materialov. Ta preizkus je enostaven in zelo hiter, določa pa deformacijski modul 𝐸Vd.
Vrednost dinamičnega deformacijskega modula 𝐸Vd določimo na osnovi izmerjenega
posedka s in normalne napetosti σ pod krožno obremenilno ploščo, in sicer z enačbo [9]:
𝐸𝑉d = 0,75 ∙𝜎
𝑠∙ 𝐷 [MN/m2] (2.19)
Merodajne prometne obremenitve po tehničnih specifikacijah za javne ceste so podatki za
empirične postopke načrtovanja voziščne konstrukcije. So osnova, na podlagi katere se
določijo dimenzije plasti voziščnih konstrukcij z asfaltno in cementnobetonsko krovno
plastjo za novogradnjo in rekonstrukcijo voziščnih konstrukcij.
Za določitev prometne obremenitve je treba opredeliti povprečni letni dnevni promet in
določiti težo posameznih osi vozil ali oceniti izkoriščenost vozil. Podatki o povprečnem
letnem dnevnem prometu (PLDP) na obstoječih cestah so rezultat štetja prometa v izbranih
prečnih prerezih cestišč, zbrani v ustreznih publikacijah. Ti podatki morajo praviloma
vsebovati razvrstitev reprezentativnih motornih vozil, kot so osebna vozila, avtobusi ter
lahka, srednja, težka in težka tovorna vozila (s prikolico).
Utrujanje v voziščne konstrukcije vgrajenih materialov je v veliki meri odvisno od osnih
obremenitev motornih vozil. Zatorej je treba določiti osno obremenitev in jih potem
pretvoriti v ekvivalentno prometno obremenitev. Tako se dobi povprečna vrednost
faktorjev ekvivalentnosti za reprezentativna vozila, kar je prikazano v spodnji tabeli (Tabela
2.7). [14]
26
Tabela 2.7: Povprečna vrednost faktorjev ekvivalentnosti za reprezentativna vozila [14]
Reprezentativno
vozilo Povprečni faktor ekvivalentnosti
AC in HC G1 in G2 R1 in R2
Osebno 0,00003 0,00003 0,00003
Avtobus 1,4 1,15 0,85
Tovorno:
– lahko 0,005 0,005 0,005
– srednje 0,351./0,62. 0,251./0,52. 0,251./0,42.
težko 1,71./0,72. 1,451./0,92. 1,351./1,02.
– težko s
prikolico 1,6 1,4 1,25
1. Kategorije vozil, določene na podlagi izmerjenih medosnih razdalj (WIM)
2. Kategorije vozil, določene na podlagi induktivnih števcev prometa
Dodatni vplivi na prometno obremenitev določajo značilnosti ceste oziroma število
prometnih pasov (𝑓pp), širino prometnih pasov (𝑓šp) in vzdolžni nagib nivelete vozišča (𝑓nn),
ki so tudi v tehničnih specifikacijah označeni kot faktorji [14].
Prometna obremenitev je odvisna tudi od dinamičnih vplivov. Zaradi neravnosti vozišč se
zgodijo nihanja motornih vozil, kar pogojujejo dodatne dinamične obremenitve. Upoštevati
jih je mogoče s faktorjem 𝑓dv, ki znaša za dobre pogoje 1,03 in za povprečne pogoje 1,08.
Načrtovano dobo trajanja in povečanje prometne obremenitve zaradi rasta prometa v tem
obdobju je treba upoštevati s faktorjem 𝑓tp, navedenim v tehničnih specifikacijah. [14]
Merodajno prometno obremenitev 𝑇n določimo, ko imamo določene vse faktorje z enačbo:
𝑇n = 365 ∙ 𝑇d ∙ 𝑓pp ∙ 𝑓šp ∙ 𝑓nn ∙ 𝑓dv ∙ 𝑓tp (2.20)
Odvisno od števila prehodov nazivne osne obremenitve na dan oziroma v 20-letni dobi
trajanja so prometne obremenitve voziščnih konstrukcij, merodajne za določitev dimenzij
plasti, razvrščene v šest skupin – od zelo lahke do izredno težke skupine. [14]
Hidrološke razmere so pomembne za oceno občutljivosti voziščne konstrukcije na
zmrzovanje ter za določitev ukrepov za preprečitev poškodb. Hidrološke razmere so
določene z nivojem talne vode, globino zmrzovanja in občutljivostjo materiala na
zmrzovanje. Na osnovi teh vplivov jih je mogoče razvrstiti na ugodne in neugodne.
Ugodne hidrološke razmere so v primeru, če je nasip ceste visok najmanj 1,5 m, naslednje:
gladina talne vode je stalno globja od globine zmrzovanja ℎm, plitev ukop je dobro
odvodnjavan in nad gladino talne vode je preprečeno dotekanje vode v cestno telo s strani
ali površine.
27
Po drugi strani so hidrološke razmere neugodne, če je nasip ceste nižji od 1,5 m, gladina
talne vode v območju globine zmrzovanja, plitev ukop slabo odvodnjavan, ukop pa globok
in če je omogočeno kapilarno dviganje vode ali dotekanje vode s strani ali površine.
Za dimenzioniranje je treba upoštevati globino zmrzovanja, ugotovljeno pri postopkih
neposrednega ali posrednega določanja vrednosti. Da bi bila voziščna konstrukcija
zavarovana proti škodljivim učinkom zmrzovanja, mora biti v določeni debelini zgrajena iz
odpornih materialov. Minimalna debelina voziščne konstrukcije je določena v tehničnih
specifikacijah. Vrednosti globine zmrzovanja ℎ𝑚 se odčitajo s karte informativnih globin
prodiranja mraza na področju Republike Slovenije. [15]
2.5 Dimenzioniranje voziščne konstrukcije (TSC-novogradnja) [16]
Tehnične specifikacije določajo potrebne dimenzije asfaltnih voziščnih konstrukcij. Vsi
parametri, potrebni za dimenzioniranje, so del empiričnih metod za načrtovanje voziščnih
konstrukcij. Tehnične specifikacije so merodajen dokument, ki se uporablja pri
dimenzioniranju v Republiki Sloveniji.
Za dimenzioniranje novih asfaltnih voziščnih konstrukcij se uporabljajo tehnične
specifikacije TSC 06.520:2009. Te so namenjene določitvi skupne debeline voziščne
konstrukcije ter debelin plasti posameznih materialov v odvisnosti od vpliva prometnih
obremenitev na utrujanje v voziščno konstrukcijo vgrajenih materialov, nosilnosti podlage
ter hidroloških in klimatskih razmer. Takšnen način dimenzioniranja temelji na
predpostavki, da so vsi navedeni vplivi na obravnavanem odseku ceste podobni in se ne
bodo pomembno spremenili od predvidenih. Tako se tudi zagotavlja načrtovano dobo
trajanja in uporabnost zgrajene asfaltne voziščne konstrukcije, pri čemer se uporabnost
seveda postopoma zmanjšuje.
Za določanje dimenzij voziščnih konstrukcij so osnovni parametri pri tehničnih
specifikacijah za novogradnjo:
– doba trajanja voziščne konstrukcije;
– uporabnost vozne površine na koncu dobe trajanja (p);
– nosilnost podlage (posteljice) (CBR);
– merodajna dnevna prometna obremenitev (Td);
– klimatski in hidrološki pogoji (R) ter
– značilnost materialov v načrtovani voziščni konstrukciji (ai, di).
Doba trajanja voziščnih konstrukcij z asfaltno krovno plastjo je praviloma 20 let. V ostalih
primerih je lahko tudi krajša, vendar ne manj kot pet let.
Uporabnost vozne površine je vrednost, ki je določena z indeksom vozne sposobnosti p. Ta
indeks znaša za nova, idealno ravna asfaltna vozišča 5 in 0 za popolnoma dotrajana vozišča,
28
po katerih promet več ni možen. Kot merodajna mejna vrednost indeksa vozne sposobnosti
na koncu dobe trajanja voziščne konstrukcije je sprejeta vrednost 𝑝k = 2,0.
Nosilnost podlage smo podrobno razloženi v podpoglavju 2.4. Osnovni pogoj za podlago
pod voziščno konstrukcijo so čim bolj enakomerne geomehanske lastnosti materiala. Če
primerne nosilnosti ni mogoče zagotoviti z naravnimi materiali, je treba uporabiti postopke
za izboljšanje, utrditev in stabiliziranje. Z njimi je treba ugotoviti čim večjo nosilnost,
najmanj pa vrednost CBR = 7 %.
Značilnost materialov v tem primeru pomeni njihovo kakovost oziroma odpornost proti
utrujanju, ki ga pogojujejo prometne in klimatske obremenitve, t. i. količniki ekvivalentnosti
materiala ali količniki zamenjave (𝑎i). Ta medsebojna razmerja omogočajo potrebne
primerjave pri določanju vrste in dimenzij posameznih plasti v voziščni konstrukciji. Količnik
ekvivalentnosti za posamezno plast je opredeljen v tehničnih specifikacijah.
Po določitvi merodajnih osnov za dimenzioniranje sledi določitev debeline in vrste
posameznih plasti glede na značilnosti materialov.
Debelina asfaltne krovne plasti oziroma asfaltne obrabne in asfaltne zgornje vezane
nosilne plasti je določena za povprečno kakovost bitumenizirane zmesi, ki je ovrednotena
z računskim količnikom ekvivalentnosti 𝑎rk = 0,38, kar je prikazano na sliki (Slika 2.8). Za
določitev debeline obrabne plasti 𝑑o in zgornje vezane nosilne plasti 𝑑zv je treba upoštevati
količnike ekvivalentnosti in tehnološko pogojene mejne vrednosti:
𝐷k = 𝑎rk ∙ 𝑑k = 0,38 ∙ 𝑑k = 𝑎o ∙ 𝑑o + 𝑎zv ∙ 𝑑zv (2.21)
Debelina spodnje nevezane nosilne plasti je z diagramom določena za zmes naravnih zrn
prodca z računskim količnikom ekvivalentnosti 𝑎rn = 0,11, kar je prikazano na spodnji sliki
(Slika 2.9). Računska debelina mora znašati najmanj 25 cm za konstrukcije, obremenjene s
težkim prometom, in najmanj 20 cm za konstrukcije, obremenjene s srednjim ali lahkim
prometom.
Debelina spodnje vezane nosilne plasti je odvisna od obremenitve in vrste stabilizacije. Če
so obremenjene s težkim/srednjim ali lahkim prometom in stabilizirane s cementom, je
debelina najmanj 18/15 cm, z bitumenskim vezivom pa najmanj 14/12 cm.
29
Slika 2.8: Debelina asfaltne krovne plasti v odvisnosti od prometne obremenitve
Slika 2.9: Debelina spodnje nevezane nosilne plasti v odvisnosti od prometne obremenitve
in vrednosti CBR
30
2.6 Dimenzioniranje voziščne konstrukcije (TSC-rekonstrukcija) [17]
Tehnične specifikacije za ceste TSC 06.541:2009 določajo dimenzije načrtovanih ojačitev
obstoječih voziščnih konstrukcij. Te specifikacije so namenjene določitvi skupne debeline
ojačitve in debeline posamezne plasti v odvisnosti od vpliva prometnih obremenitev v dobi
trajanja voziščne konstrukcije, obstoječe voziščne konstrukcije, kakovosti uporabljenih
materialov ter hidroloških in klimatskih razmer.
Ojačitev obstoječe asfaltne voziščne konstrukcije je mogoče opraviti z nadgradnjo, delno
zamenjavo ali popolno zamenjavo, pri čemer je pri postopku nadgradnje ena nova plast
bituminiziranih zmesi vgrajena na obstoječo voziščno konstrukcijo. Pri delni in popolni
zamenjavi je treba zamenjati poškodovane obstoječe voziščne konstrukcije v delni ali
popolni zamenjavi, odvisno od velikosti poškodbe.
Osnovna pogoja za izvedbo analize vzrokov nastalih poškodb sta raziskava in presoja stanja
celotne obstoječe voziščne konstrukcije. Pri tem je treba z vizualno oceno stanja določiti
jakost in obseg poškodb, z meritvami vzdolžne in prečne ravnosti ugotoviti deformacijo in
enakomernost utrditve ceste, z meritvami podajnosti obstoječe voziščne konstrukcije pa
ugotoviti nosilnost in njeno enakomernost. Na primeren način je treba tudi ugotoviti
zlepljenost plasti vgrajenih bituminiziranih zmesi, preiskati uporabnost obstoječih
materialov in opraviti meritve nosilnosti na planumu plasti nevezanega materiala.
Za določitev potrebnih dimenzij plasti za ojačitev je treba uporabiti postopke, ki temeljijo
na podajnosti ali stanju obstoječe vozne površine. Pri tem so osnovni parametri:
– značilnost materialov v voziščni konstrukciji;
– podajnost obstoječe voziščne konstrukcije;
– prometna obremenitev;
– doba trajanja voziščne konstrukcije;
– uporabnost vozne površine na koncu dobe trajanja ter
– klimatski in hidrološki pogoji.
Značilnost materialov je označena s količniki ekvivalentnosti materiala ali s količniki
zamenjave. Pri ojačitvi se upošteva še delež preostale sposobnosti obstoječih materialov za
prevzem prometnih obremenitev na osnovi ocene trenutnega stanja. To je mogoče določiti
z informativnimi količniki, debelino plasti in količnikom ekvivalentnosti novega materiala,
če sledimo enačbi:
𝐷ob = ∑𝑎i ∙ 𝑑i ∙ 𝑢i, (2.22)
kjer so:
𝐷ob – debelinski indeks obstoječe voziščne konstrukcije;
𝑎i – količnik ekvivalentnosti novega materiala;
𝑑i – debelina plasti in
31
𝑢i – količnik še preostale uporabne vrednosti materiala.
Debelinski indeks obstoječe asfaltne voziščne konstrukcije 𝐷ob je mogoče določiti tudi z
uporabo modificiranega švicarskega indeksa (MSI), ki vključuje jakost in obseg značilnih
poškodb na asfaltnem vozišču, in sicer z enačbo:
𝐷ob = 𝐷no ∙ 𝑘š [cm], (2.23)
kjer sta:
𝐷no – debelinski indeks nove voziščne konstrukcije;
𝑘š – količnik poškodovanosti (opredeljen v odvisnosti od vrednosti MSI in
gostote prometa na cestah).
Podajnost se določa na osnovi posebnih meritev. Za določitev ojačitve obstoječih asfaltnih
voziščnih konstrukcij je treba uporabiti postopke, ki so zasnovani na rezultatih meritev
podajnosti in na vizualni oceni stanja.
Celotno potrebno debelino ojačitve obstoječe asfaltne voziščne konstrukcije ℎoj je treba
določiti na osnovi vrednotene merodajne podajnosti obstoječe voziščne konstrukcije 𝑑m,
opredeljene mejne vrednosti podajnosti v odvisnosti od prometne obremenitve 𝑑do in
načrtovane prometne obremenitve 𝑇n. Te velikosti se določajo na osnovi ustreznega
diagrama ali z numeričnim postopkom.
Na osnovi diagrama (Slika 2.10) medsebojnih odvisnosti med kakovostmi značilnih
materialov, prometne obremenitve in merjene podajnosti voziščne konstrukcije se določa
debelina ojačitve obstoječe asfaltne voziščne konstrukcije, in sicer z enačbo:
𝐷oj = 0,42 ∙ ℎoj = 𝑎o ∙ ℎo + 𝑎zv ∙ ℎzv (2.24)
Na osnovi tega diagrama je možno določiti ojačitev samo za tiste konstrukcije, ki imajo v
nevezani nosilni plasti vgrajeno zmes kamnitih zrn, odporno proti zmrzovanju. Najmanjša
debelina plasti za ojačitev je 4 cm.
32
Slika 2.10: Diagram za določitev potrebne debeline ojačitve
Določitev na osnovi ocene stanja je mogoče opraviti z upoštevanjem potrebne voziščne
konstrukcije 𝐷po in uporabnosti obstoječe voziščne konstrukcije 𝐷ob ali načrtovanih
prometnih obremenitev 𝑇po in že prevzete prometne obremenitve 𝑇ob.
Potrebno debelino za prevzem v prihodnje načrtovane obremenitve je treba določiti po
postopku za novogradnje. Pri tem je treba upoštevati nosilnost obstoječe voziščne
konstrukcije z vrednostjo CBR, ki znaša 15 %. Potemtakem znaša potrebni debelinski indeks
ojačitve:
𝐷oj1 = 𝐷po − 𝐷ob [cm] (2.25)
Ko debelina nevezane nosilne plasti ustrezne zmesi kamnitih zrn v obstoječi voziščni
konstrukciji ℎsnob glede na nosilnost podlage ne ustrezna povečani prometni obremenitvi
𝑇po, je treba večjo debelino nevezane nosilne plasti ℎsnpo upoštevati z dodatnim
debelinskim indeksom:
𝐷oj2 = 0,14 ∙ (ℎsnpo − ℎsnob) [cm] (2.26)
Za v celoti potreben debelinski indeks je treba upoštevati naslednje:
𝐷oj = 𝐷oj1 + 𝐷oj2 [cm] (2.27)
Nadalje je treba za ojačitev obstoječe asfaltne voziščne konstrukcij določiti debelino
dodatne krovne plasti po enačbi:
𝐷oj = 𝑎o ∙ ℎo + 𝑎zv ∙ ℎzv (2.28)
33
Energijska cesta (ang. Energy road) je cesta, ki ob funkciji prometa služi tudi za izkoriščanje
energije, proizvedene na površini ceste.
Znano je, da cesta v stiku z vozilom proizvaja energijo. Del energije, ki ga povzroča
prometna obremenitev, se razdeli na nižje plasti voziščne konstrukcije. Na koncu ta del
energije prevzame temeljna tla. Druga oblika energije, ki nastane na cestah, je toplota. To
je posledica trenja med pnevmatiko in asfaltom. Poleg omenjenega vzroka lahko visoke
temperature zraka povzročijo tudi visoke temperature asfalta. To se večinoma dogaja v
poletnem obdobju. Vpliv sončne energije na cesto ni omejen samo na toploto. Cesta je
večinoma zgrajena na odprtem prostoru pod stalnim vplivom atmosferskih razmer. Ta vpliv
je najizrazitejši na vrhnji plasti voziščne konstrukcije. Vrhnja plast je podvržena dežju, snegu
in vetru. Prav tako je izpostavljena neposrednemu stiku s sončno energijo, to je
intenzivnostjo svetlobe. Vsa ta dejstva jasno kažejo na možnost uporabe te energije.
Količina prometa na obstoječih cestah raste iz leta v leto. S povečanjem prometa se
povečuje obremenitev voziščne konstrukcije. Upoštevajoč navedena dejstva je zelo
enostavno prepoznati povečan potencial za porabo energije, ki ga proizvaja vozilo pri
prevozu po cesti. Ta dejstva so podprta s statističnimi podatki, prikazanimi na naslednjem
grafu (Graf 3.1).
Graf 3.1: Grafični prikaz povprečnega letnega dnevnega prometa Slovenije [18]
6.500.000
7.000.000
7.500.000
8.000.000
8.500.000
9.000.000
9.500.000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
PLDP Slovenije
3 ENERGIJSKE CESTE
34
Rast prometa, prikazanega na Grafu 3.1, se vsako leto beleži z izjemo manjšega padca na
enem delu, ki ga lahko pripisujemo gospodarski krizi. Poleg naraščanja prometa, kot smo
že omenili, vpliva na potencial za izkoriščanje energije tudi temperatura. Povprečne poletne
temperature zraka in trajanje sončnega obsevanja od maja do avgusta so merjeni na merilni
postaji Kredarici in Dobraču. Z grafa (Graf 3.2) je razvidno, da se v zadnjih treh desetletjih
povečujejo povprečne poletne temperature in tudi trajanje sončnega obsevanja v obdobju
od maja do avgusta. [21]
Graf 3.2: Povprečne poletne temperature zraka in trajanje sončnega obsevanja v zadnjem
stoletju [21]
Iz priloženih podatkov je mogoče prebrati rast možnosti za izkoriščanje energije,
proizvedene na cestnih površinah. Seveda se te možnosti bolj ali manj omejijo na teorijo,
saj je zelo težko najti pravo načelo doseganja največjih možnosti, ki jih ponuja vsaka od
metod. Razlogov za to je več, dva sta denimo nerazvita tehnologija takšne gradnje in
premalo kakovostnih materialov. Nekatere od metod so že bile izvedene, druge pa so še
vedno v teoretični fazi.
Trenutno obstaja več metod za izkoriščanje energije, ki se formira v voziščni konstrukciji,
najzanimivejše in teoretično dobro podprte pa so tri metode:
– termoelektrične voziščne konstrukcije;
– solarne voziščne konstrukcije in
– piezoelektrične voziščne konstrukcije.
35
3.1 Termoelektrične voziščne konstrukcije
Izraz termoelektrične voziščne konstrukcije temelji na tako imenovanem termoelektričnem
ali Seebeckovem učinku. Pri slednjem gre za nastanek električne napetosti v električnem
vezju, ki ga sestavljata dva različna vodnika, kadar so njuni priključki pri različnih
temperaturah. Omenjeni učinek omogoča neposredno pretvorbo temperaturne razlike v
električni tok. Ta pojav je leta 1821 odkril nemški fizik Thomas Johann Seebeck. [22]
Termoelektrični učinek se izračuna z enačbo [22]:
𝑉 = 𝑎 ∙ (𝑇h − 𝑇c) [V], (3.1)
kjer so:
𝑉 – napetostna razlika med dvema različnima kovinama ali polprevodniki
[V];
𝑎 – Seebeckov koeficient in
(𝑇h − 𝑇c) – temperaturna razlika med vročimi in hladnimi vozlišči.
Kot je razvidno iz enačbe, termoelektrični učinek proizvaja večjo količino električne
energije, če so razlike v temperaturi med vročimi in hladnimi vozlišči večje. Shematski
diagram, ki prikazuje načelo proizvajanja termoelektrične energije, je prikazan na spodnji
sliki (Slika 3.1).
Za izboljšanje učinkovitosti modula termoelektrične voziščne konstrukcije je ključnega
pomena ustvariti visokotemperaturno vrzel med spojkami modula. Pri izvedbi
termoelektrične konstrukcije so ti podatki izhodišče za nadaljnje načrtovanje. V ta namen
se lahko trenutne termoelektrične tehnologije razdelijo na dve kategoriji. Prva temelji na
cevnem sistemu, vgrajenem v voziščno konstrukcijo, kar ustvarja temperaturno razliko med
ogrevano in hladno vodo. Druga tehnologija pa se izvaja tako, da se termoelektrične celice
namestijo v voziščno konstrukcijo. Termoelektrične celice imajo temperaturno razliko,
ustvarjeno med aluminijasto ploščo in površino voziščne konstrukcije. [22]
36
Slika 3.1: Shematski diagram termoelektričnega učinka [22]
3.1.1 Cevni sistem
Ideja o cevnem sistemu, ki zbira sončno energijo in jo je ustvaril Američan Wendel, se je
začela razvijati po letu 1979. Večina raziskav je bila osredotočena na materialne značilnosti
cevi, velikost in obliko cevi ter na matematične modele. Vse te študije so bile usmerjene na
dve pomembne stvari: na ublažitev toplotnega otočnega učinka in taljenje ledu na vrhnji
plasti voziščne konstrukcije. Pozneje, natančneje leta 2006, je skupina avtorjev [23] objavila
članek z opisom potenciala za zbiranje električne energije iz cevnega sistema.
Študija uvaja nov način izgradnje celotnega sistema, ki mu pravimo tudi sistem PP-TEG (ang.
pipe pavement – thermoelectric generator system) oziroma cevno termoelektrični
generatorski sistem. Poleg cevi je v sistem nameščen termoelektrični generator, ki se
nahaja med dvema cevema toplotnega izmenjevalnika. Vroča voda je ogrevana v toplotnih
ceveh s sončnim sevanjem iz vrhnje plasti voziščne konstrukcije. Hladna voda je bila črpana
iz bližnje reke. Električna energija je bila nato proizvedena s temperaturno razliko med
vročimi in hladnimi cevi. Laboratorijski testi so pokazali linearno razmerje med vročo vodo
in proizvedeno električno energijo. Poleg tega je ta sistem uspešno proizvedel zadostno
električno energijo za obratovanje črpalke za kroženje celotnega tekočega sistema, kar
pomeni, da se lahko proizvedena električna energija dodatno uporablja za druge naprave.
Sistem je shematsko prikazan na spodnji sliki (Slika 3.2). [23]
37
Slika 3.2: Sistem PP-TEG [22]
Seveda ima sistem tudi nekaj pomanjkljivosti, ki pridejo v ospredje ob vprašanjih, kako rešiti
problem morebitne poškodbe cevi med veliko obremenitvijo voziščne konstrukcije, kako
popraviti sistem, če pride do poškodbe, ter kako izolirati sistem od zmrzovanja v zimskem
času. Večina študij temelji na zadnjem problemu, tj. odpornosti proti zmrzovanju, kar je na
splošno problem voziščnih konstrukcij. Toda nihče ni še popolnoma pristopil k cevnem
sistemu, da bi poskušal najti pravo rešitev za proizvodnjo električne energije. [22]
V istem viru [22] so prikazani rezultati pridobljene električne energije sistema. Ta sistem
lahko proizvaja približno 4 W električne moči na površini voziščne konstrukcije 1 m². To
pomeni, da se približno 14,8 W energije lahko ustvari z enosmerne ceste (dolžine 1 m in
širine 3,7 m). S temi podatki smo izračunali, koliko energije lahko pridobimo na enosmerni
cesti enake širine in z dolžino odseka 1 km (Tabela 3.1).
Tabela 3.1: Izračun električne energije za odsek dolžine 1 km (cevni sistem)
Dolžina odseka (L) 1 km
Električna moč (P) 14.800 W
Povprečni čas trajanja (t) 8 h/dan
Električna energija (E = P * t) 118,4 kWh/dan
38
V izračunu smo uporabili vse razpoložljive podatke. Dnevni povprečni čas trajanja smo
določili okvirno, saj nismo imeli na voljo nobenih podatkov. Upoštevali smo, da je čas
trajanja daljši v poletnem času, pozimi pa krajši.
Prav tako je treba analizirati vpliv vgradnje elementov sistema v konstrukcijo na
dimenzioniranje. Dimenzioniranje te vrste voziščne konstrukcije ne more biti enako kot pri
običajnih cestah. Cevni sistemi zahtevajo zadostno razliko med vročimi in hladnimi
površinami, kar pomeni, da se povečuje globina voziščne konstrukcije. Cevi so vgrajene pod
obrabno plast. Trdnost asfalta mora biti večja od navadne, da se cevi zaščitijo pred
morebitnimi poškodbami. To pomeni, da kakovost in debelino asfaltne plasti spremljata
vpliv prometa in tudi možnost izboljšanja materiala zaradi zaščite cevnega sistema. Drugi
parametri dimenzioniranja ostanejo zaradi sistema PP-TEG enaki v obsegu spremenjene
globine.
3.1.2 Termoelektrični modul
Drugi način izgradnje termoelektrične tehnologije je termoelektrični modul. Ta tehnologija
je zgrajena tako, da se namesto cevi v voziščno konstrukcijo vgradi termoelektrični modul,
kot je prikazano na spodnji sliki (Slika 3.3). Termoelektrični modul je del raziskave dveh
avtorjev. [24]
Slika 3.3: Termoelektrični modul [24]
39
Kot je razvidno s slike, sta aluminijasta plošča in aluminijasta palica vstavljeni v luknjo v
vzorec asfaltne zmesi. Na aluminijasto ploščo je pritrjen en termoelektrični modul s
toplotno prevodno epoksi smolo. Celotna konstrukcija je bila postavljena na podlago iz
zmesi zrn. Ko je bila vklopljena svetilka, je temperatura zgornje površine termoelektričnega
modula dosegla 70 °C. Temperatura izmed modula in aluminijaste plošče je bila povišana
na 50 °C. Ta temperaturna razlika (20 °C) je omogočila, da termoelektrični modul proizvede
električno napetost 300 mV. [22]
Druga študija kaže še boljše rezultate. Uporabljena je bila aluminijasta cev s premerom 10
mm. Razdalja med cevmi je 200 mm, globina cevi pa 70 mm. En termoelektrični generator
je sestavljen iz 19 termoelementov in dveh cevi za prenos toplote. Temperatura površine
voziščne konstrukcije je nastavljena na 62,8 °C. Rezultat je ustvarjena električna moč 3,5 W
za eno cev pri pretoku 0,7 l/min, in sicer pod temperaturno razliko med vročo in hladno
vodo od 26 °C. [24]
Te podatke smo vzeli in poskušali ugotoviti, koliko energije je pridobljeno v odseku dolžine
1 km. Na podlagi podatkov o razdalji med cevi ter premeru ene cevi smo pridobili tudi
informacijo, da je na odseku dolžine 1 km potrebno 9.090 elementov. V Tabeli 3.2 je
prikazan nadaljnji postopek izračuna.
Tabela 3.2: Izračun električne energije za odsek dolžine 1 km (termoelektrični modul)
Dolžina odseka (L) 1 km
Električna moč (P) 3,5 W/element
Število elementov 9.090 elementov
Skupna električna moč (Psk) 31.815 W
Povprečni čas trajanja (t) 8 h
Električna energija (E = Psk * t) 254,52 kWh/dan
Vpliv na dimenzioniranje je enak kot v cevnem sistemu. Termoelektrične module je treba
zaščititi, kar pomeni večjo trdnost asfalta, medtem ko globina voziščne konstrukcije vpliva
na večjo temperaturno razliko.
3.2 Sončne voziščne konstrukcije
Sončne plošče, ki uporabljajo sončno sevanje in intenzivnost svetlobe kot vir električne
energije, se že več let razvijajo. Danes imamo v Sloveniji že več sončnih elektrarn. Po drugi
strani pa ljudje tako v svetu kot tudi v Sloveniji uporabljajo sončne plošče za osebne
potrebe. Ta trend se vsako leto povečuje. Eden od razlogov za to je donosnost. Poleg tega
je sončna energija ekološko zelo sprejemljiva, kar velja zlasti v sodobnem svetu, kjer prihaja
ekološka zavest vedno bolj v ospredje in se vlaga v razvoj ekološko prijaznih virov energije
mnogo več kot kadar koli prej.
40
Zaradi tega so mnogi videli priložnost v ustvarjanju sončnih plošč, ki bodo zgrajene na
velikih cestnih površinah kot del voziščne konstrukcije in vgrajene namesto vrhnje asfaltne
plasti. Doslej je bilo v svetu ustanovljenih več podjetij, ki se ukvarjajo z razvojem sončnih
voziščnih konstrukcij, med katerimi so:
– Solar Roadways iz ZDA;
– COLAS (Wattway) iz Francije in
– TNA iz Nizozemske.
Vsa podjetja so se srečala z enakimi težavami in izzivi, ki jih nudi tehnologija sončnih
voziščnih konstrukcij. Te se nanašajo na splošno zasnovo ter strukturno in elektronsko
zasnovo sončne plošče.
3.2.1 Splošna zasnova sončne plošče
Zasnova sončne plošče, namenjene uporabi v voziščni konstrukciji, je prikazana na naslednji
sliki (Slika 3.4). Sončna plošča je sestavljena iz treh plasti. Zgornja površina je narejena iz
teksturiranega stekla, na katerem vozijo vozila. Spodaj je optični sloj, ki služi prenosu
obremenitve okoli sončnih celic. Potem sledi podlaga za nadaljnje oddajanje obremenitve
v spodnje nosilne sloje. [25]
Največja težava pri izdelavi panelov je v tem, da ima vsaka plast lastne zahteve glede
kakovosti. Za uspešno delovanje celotnega sistema je treba izpolnjevati vse zahteve, ki jih
ima vsaka plast. Po drugi strani pa je prednost tega pristopa, da fotonapetostne celice, ki
so sestavni del plošče, neposredno pretvarjajo sončno energijo v električno.
Slika 3.4: Konceptualna zasnova sončne plošče [25]
41
3.2.2 Strukturne plasti
Prvi izziv pri oblikovanju strukturne plasti je izbrati materiale, ki lahko prenesejo visoke
prometne obremenitve. Najboljši materiali za uporabo v strukturnih plasti so jeklo, aluminij
in fiberglas. Aluminijske konstrukcije so sposobne prenesti kritične statične in dinamične
obremenitve pnevmatik, ampak zaradi materialnih lastnosti je znano, da jeklo bolje prenaša
obremenitev s pnevmatik vozil po nižjih cenah kot aluminij. Nazadnje je bilo ugotovljeno,
da so večplastne fiberglas plošče sposobne prenesti ponavljajoče obremenitve na slabih
podlagah. Optimalna izbira materiala temelji na več faktorjih, med katerimi so
najpomembnejši vrsta in obseg prometa na izbrani cesti, pa tudi hitrost vožnje. Iz tega
izhodišča se upoštevajo tudi drugi vidiki načrtovanja. Pri uporabi fiberglasa je zelo
pomembna debelina, zato se v raziskavah uporabljajo štiri plasti, ki so med seboj lepljene.
[25]
Fiberglas je kot osnovni material najprej stroškovno učinkovita izbira. Za sprejem solarnih
celic znotraj optične plasti je treba fiberglas izrezati na več slojev, da bi lahko svetloba
dosegla celice, ki so vgrajene v strukturo. (Slika 3.5).
Slika 3.5: Kvadratne celice v strukturni plasti [25]
Zadnja težava, ki jo je treba rešiti, je povezava med celicami. Geometrijske značilnosti
optične plasti so odvisne od te električne komponente. Cilj usmerjanja je zagotoviti dovolj
prostora za medsebojno povezavo žic. Vsak dodaten prostor razen tega bi poslabšal
strukturno celovitost plošče brez dodatnih koristi. Ugotovljeno je bilo, da bi morali biti
izrezki v središču celičnih sten. [25]
42
3.2.3 Prozorna plast
Prozorna plast je pravzaprav krovna plast sončne voziščne konstrukcije. Debelina stekla, ki
se zahteva na površini, je ključni parameter pri oblikovanju prozorne plasti. Eden od glavnih
elementov oblikovanja je večslojnost plošč, pri čemer je cilj doseči, če ena plošča popusti,
da ostale še vedno opravljajo funkcijo prenosa obremenitve v spodnje plasti. Tabela 3.3
kaže maksimalno upogibno napetost v prozorni plasti kot funkcijo debeline steklene plošče.
Tabela 3.3: Razmerje med debelino plošče in maksimalno upogibno napetostjo [25]
Debelina (mm) 6,35 9,53 12,7 15,9 19
Maksimalna upogibna napetost (MPa)
67,13 29,83 16,78 10,74 7,459
Maksimalna deformacija (mm) 1,6 0,4842 0,203 0,102 0,0508
V Tabeli 3.3 so prikazane standardne debeline stekla. Razvidno je, da bo vsaka posamezna
steklena plošča z debelino 9,53 mm lahko podpirala obremenitev, ki jo nosi pnevmatika s
480 kPa. Pri obremenitvi bo prišlo do minimalnega odklona stekla. Ti izračuni potrjujejo, da
se steklene plošče lahko uporabijo kot vrhnja plast voziščne konstrukcije.
3.2.4 Električni sistem
Električni sistem je glavni gonilnik sončnih cest, saj vsebuje sončne celice, ki proizvajajo
električno energijo. Pri načrtovanju sistema sta najpomembnejši izbira in oblika
fotovoltaičnih celic. Obstajajo številni materiali, med katere sodijo: monokristalne (Slika
3.6) in polikristalne silicijske celice; celice, občutljive na barvilo; organske tanke dilmske
sončne celice in tanek film.
Slika 3.6: Monokristalna silicijska celica [25]
43
Sončne celice se povezujejo skupaj tako, da sestavite ploščo. Običajno so nizi sončnih celic
serijsko povezani. Potem sta plošči povezani serijsko ali vzporedno, da bi povečali napetost.
Skladno z zahtevami mora biti dioda za zaščito sončnih celic nameščena pred škodljivim
obratnim tokom. [25]
3.2.5 Količina proizvedene električne energije
Iz vira [19] smo prevzeli podatke o količini energije, ki jo podaja francosko podjetje Colas. Z
njihovim izračunom lahko ena solarna plošča velikosti 8,7 m² proizvede naslednjo količino
električne energije:
– Dunkerque: 882 kWh/leto;
– Magny-les-Hameaux: 907 kWh/leto;
– Chambery: 1041 kWh/leto;
– Nice: 1220 kWh/leto in
– Saint-Denis de la Reunion: 1396 kWh/leto.
Iz teh podatkov smo izračunali količino letne proizvedene električne energije na en
kilometrski del enosmerne ceste širine 3,7 m. Na podlagi velikosti ene plošče smo
izračunali, da potrebujemo na cesti, dolgi 1 km, skupno 425 plošč.
Tabela 3.4: Izračun električne energije za odsek dolžine 1 km (sončne plošče)
Dolžina odseka (L) 1 km
Število elementov 425 kos
Skupna električna energija:
Dunkerque 374.850 kWh/leto
Magny-les-Hameaux 385.475 kWh/leto
Chambery 442.425 kWh/leto
Nice 518.500 kWh/leto
Saint-Denis de la Reunion 593.300 kWh/leto
3.2.6 Zahteve za dimenzioniranje
Paneli sončne voziščne konstrukcije so izdelani iz kaljenega stekla. Kaljeno steklo je 4- do 5-
krat močnejše od navadnega stekla. Tudi za primerjavo, kaljeno steklo je tud močnejše od
asfalta, kar pomeni, da pri zahtevah za dimenzioniranje veljajo enaka pravila kot pri
običajnih cestah. Še vedno je treba analizirati povezavo med sloji. Vprašanje je, kako se
obnaša povezava med sončnimi ploščami in spodnjimi plasti. [20]
44
Nadaljnja testiranja so pokazala, da je površina ceste iz sončnih panelov manj spolzka od
običajne ceste. Dež ali snežna voda lahko odteka od ceste skozi rešetke do filtrata. Voda se
lahko izprazni v obstoječi drenažni sistem.
Prav tako niso znane vozne lastnosti in materialno obnašanje ob ciklični obremenitvi, kar je
še en izziv za nadaljnje raziskave.
3.3 Piezoelektrične voziščne konstrukcije
Vsako vozilo na cesti ustvari določeno obremenitev na voziščno konstrukcijo. Velikost
obremenitve je odvisna od teže vozila, števila osi, širine kolesa in hitrosti vožnje. Prav tako
je zelo pomembno vedeti, katera je kategorija ceste in kakšen je PLDP na tej cesti, saj se te
začetne nastavitve uporabljajo za dimenzioniranje voziščne konstrukcije.
Piezoelektrične voziščne konstrukcije so vrste konstrukcij, v katerem je piezoelektrični
material nameščen v asfaltni plasti ali neposredno pod njo. Kot je prikazano v primeru
termoelektričnih konstrukcij, ki uporabljajo razliko v temperaturi, da ustvarijo električni
naboj, se piezoelektrični material pod obremenitvijo pnevmatika deformira in ustvari
trenutni električni naboj. Električni naboj v piezoelektričnem materialu je možno doseči
tudi z vibracijami. Znano je, da vozila povzročajo določeno intenzivnost vibracij na cesti, kar
je še dodaten faktor pri takšni konstrukciji.
Kot je prikazano v tretjem poglavju, se obseg prometa vsako leto povečuje. Zato je treba
iskati alternativne rešitve za gradnjo kakovostnejših cest in iskati načine za izkoriščanje
ogromne energije, ki je nepovratno izgubljena pri prehodu vozila skozi voziščno
konstrukcijo.
Prve predpostavke o obstoju piezoelektričnega učinka je določil Coulomb leta 1815.
Njegova predpostavka je bila, da je mogoče ustvariti elektriko z deformacijo trdnega telesa.
Nekaj let kasneje, natančneje leta 1820, je francoski fizik Antoine Henri Becquerel predlagal
poskuse z mineralnimi kristali v tem smislu. Te poskuse sta brata Pierre in Jacques Curie
izvedla šele leta 1880 in tako postala odkritelja piezoelektričnega učinka. [26]
Piezoelektrični učinek (grško piezo, kar pomeni potisniti) je pojav električnega naboja na
površini nekaterih materialov (večinoma kristalov) med njihovo mehansko deformacijo. To
ime je leta 1881 predlagal nemški fizik Wilhelm Gottlieb Hankel. Teoretične osnove je
določil angleški fizik William Thomson Kelvin leta 1893. Eno leto kasneje je nemški fizik
Woldemar Voigt razvil tenzijske enačbe, ki opisujejo linearno povezavo med deformacijo in
električnim poljem v piezoelektričnih kristalih. Šele v prvi svetovni vojni se je začel
piezoelektrični material uporabljati v vojaške namene kot del prve sonarne naprave za
odkrivanje podmornic. Po teh letih so odkrili nove piezoelektrične materiale, izboljšali
45
teoretično razumevanje in s tem so postali piezoelektrični materiali zelo uporabni v
elektroniki. [26]
Obstajata dve skupini piezoelektričnih materialov – prva je izdelana iz naravnih materialov,
druga pa je umetno ustvarjena. Naravni materiali, ki imajo piezoelektričnost zaradi
razporeditve kristalov v svoji strukturi, so [27]:
– kremen (𝑆𝑖𝑂2);
– topaz;
– minerali skupine tourmaline;
– nekatere organske snovi, kot so svila, les, emajl, dentin, kost, lasje, gume.
Umetno ustvarjeni materiali so večinoma kristali, kot so: kvarčni analogi, keramika,
polimeri in kompoziti. Umetni materiali imajo v večini primerov prednost pred naravnimi,
ker je njihova proizvodnja cenejša. Po drugi strani pa so v proizvodnji izboljšane lastnosti
takega materiala in je njihova uporaba enostavnejša. [27]
Električni naboj v piezoelektričnem materialu nastaja z uporabo mehanske napetosti. Na ta
način se kristali deformirajo v določenih smereh. Drugače povedano – oni se polarizirajo,
kar pomeni, da se ena stran ploščice nabije pozitivno, druga pa negativno. Ta pojav se
imenuje neposredni piezoelektrični učinek. Deformacija nekaterih kristalov je možna tudi
pod vplivom električnega polja. V tem primeru govorimo o obratnem piezoelektričnem
učinku. Neposredni in obratni piezoelektrični učinek sta prikazana na sliki (Slika 3.7). [26]
Pretvorba mehanske obremenitve v električni naboj je pogosto izražena z naslednjima
enačbama [22]:
𝑆 = 𝑠𝐸𝑇 + 𝑑𝐸 (3.2)
𝐷 = 𝑑𝑇 + 𝜀𝑇𝐸, (3.3)
kjer so:
𝑇 – napetost;
𝑆 – deformacija;
𝐸 – električno polje;
𝐷 – električni premik;
𝑠𝐸 – elastična skladnost za konstantno električno polje E;
𝑑 – neposredni ali obratni piezoelektrični učinek in
𝜀𝑇 – dielektrična prožnost za konstantno obremenitev.
46
Slika 3.7: Neposredni in obratni piezoelektrični učinek [22]
Piezoelektrični element je anizotropen. To pomeni, da se njegove lastnosti v določenih
smereh razlikujejo. Med deformacijo je material polariziran oziroma deljen s pozitivnimi in
negativnimi naboji. To velja samo za dielektrične in feroelektrične materiale ter materiale
z vzdržljivim dipolom. [28]
Slika 3.8: Obnašanje materiala med polarizacijo [27]
Na Sliki 3.8 je prikazan preprost polarizacijski model. Obnašanje materiala je odvisno od
njegovih lastnosti. Zato razlikujemo klasične materiale in feroelektrične materiale. Ko je
47
klasični piezoelektrični material postavljen pod mehansko obremenitev, se spreminja
geometrija atomske strukture kristalov, tako da so ioni v strukturi ločeni in nastane dipolni
moment. Potem ko se piezoelektrični material električno napolni, se pojavijo električni
dipoli, nastane dipolni moment in to povzroči deformacijo. Polarizacija je v tem primeru
linearna. Po drugi strani pa feroelektrični materiali vsebujejo spontano polarizacijo in
električne dipole v strukturi tudi med odsotnostjo električnega polja. Piezoelektrični učinek
je v tem primeru močno odvisen od njegove atomske strukture. Napetost lahko poveča ali
zmanjša polarizacijo. Na primer piezoelektrične lastnosti tradicionalne piezoelektrične
keramike lahko najdemo pri temperaturi pod točko Curie. Curieva temperatura je najvišja
temperatura, pri kateri material razvije piezoelektrični učinek. Temperatura nad to točko
spremeni kristalno strukturo materiala in onemogoča nastanek polarizacije. [27]
Kot smo že omenili, je piezoelektričnost kombinacija električnega obnašanja materiala in
Hookovega zakona. Za matematični model se uporabljata enačbi neposrednega in
obratnega piezoelektričnega učinka ter piezoelektrični koeficient, izražen kot [28]:
𝑑ij,k =𝜕𝑆ij
𝜕𝐸k (3.4)
Odvisnost med napetostjo in deformacijo je izražena v matrični obliki [28]:
[
𝑆11 𝑆12 𝑆13
𝑆21 𝑆22 𝑆23
𝑆31 𝑆32 𝑆33
] = 𝑠𝛼𝛽𝛾𝜒𝐸 [
𝑇11 𝑇12 𝑇13
𝑇21 𝑇22 𝑇23
𝑇31 𝑇32 𝑇33
] (3.5)
Iz tega izhaja:
𝑆αβ = ∑ ∑ 𝑠Eαβγχ𝑇γχ3𝛾=1
3𝜒=1 , (3.6)
kjer sta:
𝑆αβ – deformacija β normale v α smeri;
𝑇γχ – napetostno dejanje v γ smeri na ravnini z χ normalno.
Električni premik je odvisen od električnega polja v treh glavnih smereh in lastnosti
materiala, tj. njegove dopustnosti. Sledi matrični zapis v obliki [28]:
[𝐷1
𝐷2
𝐷3
] = [𝜀11 0 00 𝜀22 00 0 𝜀33
] [𝐸1
𝐸2
𝐸3
] (3.7)
Smer polarizacije običajno sovpada z osjo z. To nam kaže tridimenzionalni polarizacijski
model, prikazan na spodnji sliki (Slika 3.9).
48
Slika 3.9: Tridimenzionalni model [28]
Ob predpostavki, da so napetosti in deformacije na piezoelektričnem telesu simetrični
tenzorji, uporabljamo tako imenovano Voigtovo notacijo (11 – 1; 22 – 2; 33 – 3; 23 – 4; 13
– 5, 12 – 6). Pišemo naslednjo matrično obliko [28]:
[ 𝑆1
𝑆2
𝑆3
𝑆4
𝑆5
𝑆6]
=
[ 𝑠11
𝐸
𝑠21𝐸
𝑠31𝐸
000
𝑠12𝐸
𝑠22𝐸
𝑠32𝐸
000
𝑠13𝐸
𝑠23𝐸
𝑠33𝐸
000
000
𝑠44𝐸
00
0000
𝑠55𝐸
0
00000
𝑠66𝐸 = 2(𝑠11
𝐸 − 𝑠12𝐸 )]
[ 𝑇1
𝑇2
𝑇3
𝑇4
𝑇5
𝑇6]
+
[
0000
𝑑15
0
000
𝑑24
00
𝑑31
𝑑32
𝑑33
000 ]
[𝐸1
𝐸2
𝐸3
] (3.8)
Na enak način dobimo matrični zapis električnega pomika [28]:
[𝐷1
𝐷2
𝐷3
] = [00
𝑑31
00
𝑑32
00
𝑑33
0𝑑24
0
𝑑15
00
000]
[ 𝑇1
𝑇2
𝑇3
𝑇4
𝑇5
𝑇6]
+ [𝜀11
00
0𝜀22
0
00
𝜀33
] [𝐸1
𝐸2
𝐸3
] (3.9)
Razvoj polarizacije skozi električno polje piezoelektričnega materiala se lahko prikaže tudi
s histerezno krivuljo (Slika 3.10).
49
Slika 3.10: Histerezna krivulja polarizacije piezoelektričnega materiala [27]
Histerezna krivulja nastane z uporabo električnega polja na piezoelektričnem keramičnem
elementu, dokler ni dosežena maksimalna polarizacija 𝑃sat. Zmanjšanje polja na nič določi
remanentna polarizacija 𝑃r, preusmeritev polja potem doseže negativno maksimalno
polarizacijo in negativno remanentno polarizacijo. Ponovno preusmerjanje polja obnavlja
pozitivno remanentno polarizacijo. Ko je električno polje prisilno polje 𝐸c, zaradi vzajemne
kompenzacije polarizacije različnih domen ni neto polarizacije. [27]
Piezoelektrične naprave se po večini uporabljajo v obliki senzorjev in aktuatorjev. S to
glavno delitvijo se v tehniki uporabljajo tudi kombinacije, kot so ultrazvočni pretvorniki.
Senzorji pretvarjajo pospešek ali pritisk na električni signal. Ti fizikalni parametri lahko
delujejo neposredno na piezoelektrični element ali tako, da zvočni signal ustvarja vibracije
v elementu, ki piezoelektrični material pretvori v električni signal. Aktuatorji se uporabljajo
za hidravlične ventile. Električni signal pretvorijo v natančen premik, s čimer natančno
prilagajajo vsa potrebna orodja. Te naprave lahko povzročijo premik v debelini, dolžini in
širini. Dejansko jih je mogoče za ustvarjanje električne energije raztegniti ali stisniti.
Natančnost meritve je odvisna od števila plasti. Ultrazvočni pretvornik ali natančneje
piezoelektrični pretvornik je naprava, ki pretvarja energijo v ultrazvok. Ta naprava pretežno
pretvarja električno energijo v vibracijsko mehansko energijo, med katero je pogosto tudi
zvok oziroma – kot pove že samo ime – ultrazvok. [26]
Piezoelektrične naprave delujejo na podlagi pridobljenih vibracij. Te naprave vibrirajo na
zelo visokih frekvencah, ki so nad obsegom človeškega sluha, ki jim omogoča, da so zelo
50
občutljive na mikrofizične funkcije. Za pridobivanje energije so frekvence vibracij običajno
nižje od tistih, ki so potrebne za ultrazvočno uporabo. Na primer človeška hoja je
nizkofrekvenčni dogodek, ki ga lahko ujamemo v obliki napetosti na piezoelektrični plošči.
Vsak korak ustvarja napetost. Oseba, ki hodi po piezoelektrični plošči, lahko opravi en korak
ali dva na sekundo. To pomeni, da človeška hoja ustvari približno eno do dve vibraciji na
sekundo in ta vibracijska energija korakov se lahko pobere. Vibracije na sekundo so merilo
frekvence, ki je pogosto navedena v hertzih (Hz). To nam lahko pove, da človeška hoja v
sekundi ustvari frekvenco velikosti 1–2 Hz. Na ta način senzorji ustvarjajo frekvenco
velikosti od 60 Hz do 100.000 Hz in še veliko več. Piezoelektrični materiali, pomembni za
zbiranje električne energije iz hoje, so zasnova za nizkofrekvenčne vibracije v območju od
100 do 120 Hz. [29]
Da bi ugotovili, koliko energije lahko proizvedemo s piezoelektrično napravo, je treba
poznati velikosti, ki določajo količino električne energije. Prva velikost je električna moč.
Moč je izražena v vatih (W), ki veljajo kot enota energije na sekundo. Moč je znak, kako
hitro je mogoče dostaviti energijo. Druga velikost je energija, ki se jo izraža v več enotah. V
standardih je energija navedena v joulih (J), vendar za elektriko je najbolj smotrno določiti
energijo v smislu vatnih urah (Wh) oziroma kolikšna količina vatov je proizvedena v eni uri.
Pri energetskih sistemih je koristno govoriti o tem, koliko moči ali energije lahko dosežemo
v določenem območju ali na določeni prostornini. [29]
Te velikosti so zanimive, ko se uporabljajo za piezoelektriko. Za primer lahko vzamemo
piezoelektrično ploščo za človeško hojo. Dimenzije proizvodne plošče so približno 90 x 150
cm. Ta plošča bo ustvarila 17,5 W na korak. Človeška hoja ima, kot smo že omenili,
frekvenco 2 Hz. Upoštevamo pa, da izhodna moč ni neprekinjena, ker se energija ustvari
samo, ko je človeški korak na plošči. Gostota moči plošče je 17,5 W na 1,35 m2 ali približno
13 W/m2. V najboljšem primeru je na plošči skoraj neprekinjen promet, kar povzroči 17,5
Wh vsako uro ali gostoto energije 13 W/m2. To pomeni, da je 17,5 W največja moč, ki jo
plošča ustvari, sicer pa bo manjša, kadar je manjši nihajni promet. Gostota energije je
linearno sorazmerna s stopalnim prometom (Graf 3.3).
51
Graf 3.3: Gostota energija na piezoelektrični plošči [29]
Graf 3.3 zelo enostavno kaže, da je večja energija pridobljena pri večji frekvenci oziroma pri
večji gostoti prometa. Ta parameter velja tudi za model cestnih razmer. To pomeni, da bo
sistem za pridobivanje energije učinkovitejši, če bo večji obseg prometa na cestah. Seveda
je s tem parametrom treba upoštevati tudi vpliv povprečne hitrosti vozila in težo vozila na
cesti.
Faktor zmogljivosti kaže delež časa, v katerem naprava proizvaja energijo. Ta parameter je
zelo pomemben za upoštevanje izhodne moči za sistem zbiranja energije na cestišču. Faktor
je odvisen od časa, v katerem naprava dejansko proizvaja energijo. Na primer vetrna
turbina ima zmogljivost 1,5 MW. To je največja možna moč, pridobljena iz turbine na uro,
ampak v dejanskih razmerah imajo na turbino velik vpliv atmosferske razmere. To pomeni,
da če se vetrna turbina vrti okoli 30 odstotkov časa, ko so pogoji vetra ugodni, turbina
proizvede okoli 0,5 MWh/h. Prav tako je na cesti. Učinkovitosti nekaterih piezoelektričnih
materialov se lahko gibljejo od 20 do 30 odstotkov, nizkokakovostne naprave pa 10 do 15
odstotkov. Mimogrede, faktor je odvisen od frekvence, dimenzij koles, dolžine celotnega
sistema za zbiranje energije in gostote prometa. [29]
Teža vozila močno vpliva na električno moč. Naboj v materialu nastane pri določeni količini
obremenitve. Ta naboj je trenuten, zato je treba material sprostiti, da ponovno ustvari
naboj. Faktorji, ki vplivajo na proizvedeno količino energije, so število osi in razdalja osi na
vozilu, hitrost gibanja in dimenzije piezoelektrične ploščice ter dimenzije kolesa.
Znano je, da je frekvenca tesno povezana s hitrostjo. Raziskave so pokazale, da vozila, ki
vozijo okoli 60 km/h, proizvajajo več energije od tistih, ki vozijo okoli 40 km/h. Pri tem je
treba poudariti, da dajejo manjša vozila boljše rezultate zaradi manjših dimenzij koles in
manjše teže, kar je posledica drugačnega faktorja zmogljivosti.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 0,5 1 1,5 2
Go
sto
ta e
ner
gije
Frekvenca koraka (Hz)
Gostota energije (Wh/m2)
52
4.1 Način vgradnje v voziščno konstrukcijo
Ker je piezoelektrični material še vedno v fazi raziskovanja, trenutno ni posebnega načina
vgradnje materiala v voziščno konstrukcijo. Uporabljeni postopki vgradnje so omejeni na
izvedene terenske in laboratorijske preiskave. Ti postopki temeljijo na izkušnjah in
teoretičnem poznavanju cest. Zatorej bomo načine vgradnje razdelili na tri dele, in sicer na:
– terenski način vgradnje;
– laboratorijski način vgradnje ter
– modele piezoelektričnega materiala.
4.1.1 Terenski način vgradnje
Z logičnim zaporedjem misli je enostavno sklepati, da mora biti sloj piezoelektričnega
materiala blizu vrhnje plasti voziščne konstrukcije. Obremenitev vozila je najintenzivnejša
na vrhu in se nato razprostira na spodnje plasti ceste. Tako večina opravljenih
eksperimentov vključuje piezoelektrični material pod vrhnjo plast.
Tak način med drugim preprečuje neposreden stik materiala z vozilom in ga varuje pred
atmosferskimi vplivi. To je seveda zelo pomembno za žice in električno napeljavo, ki lahko
močno ograža okolje. Slika 4.1 prikazuje en tak model. Pod 5 cm debelim slojem asfalta so
enote piezoelektrike, ki jih povezuje lepilo. Žice, ki povezujejo plošče in so potrebne za
ustvarjanje električne energije, niso prikazane, vendar jih je treba z dodatno izolacijo
zakopati v posteljico. Piezoelektrične plošče morajo biti veliko večje kot v teoriji. Razlog je
zelo preprost: večje morajo biti predvsem zaradi obsežnih napetosti na cesti in nato zaradi
večje absorpcije energije, ki bi bila sicer izpuščena v spodnjih plasteh. Posledica tega so višji
stroški materiala, gradnje in vzdrževanja. [29]
4 PIEZOELEKTRIČNE VOZIŠČNE KONSTRUKCIJE
53
Slika 4.1: Model izvajanja piezoelektrične plasti [29]
Po cesti se energija lahko zbira tudi prek železnice. Vlaki so množično prevozno sredstvo, ki
pri prehodu skozi tirnice obremenjuje konstrukcijo z velikimi napetostmi. Železniška
aplikacija pomeni uporabo tanjšega sloja piezoelektričnega materiala, saj je zaradi manjših
neelastičnih sil potrebnih manj plošč za izkoristek koristne enerije. S tem se znižujejo
kapitalski stroški. Piezoelektrična enota se lahko namesti med tirnično vezjo in jekleno
tirnico in ne zahteva izkopa, kar zmanjša potrebno delovno silo. Poleg tega je tirnica toga,
kar pomeni, da je manj elastična od cestišča in zato daje večjo silo na enoto površine
piezoelektričnega materiala, kar izboljša učinkovitost. Prevoženi železniški vozički dajejo
večjo energijo piezoelektričnim enotam in posledično manjšo odvisnost od hitrosti. Model
namestitve piezoelektričnega materiala na tirnico je prikazan na spodnji sliki (Slika 4.2). [29]
Vsekakor je treba omeniti še pomanjkljivosti. S Slike 4.6 je razvidno, da so piezoelektrične
enote izpostavljene neposrednemu stiku z atmosferskimi vplivi. Zato je zelo pomembno
pozornost nameniti visokokakovostni izolaciji vsake posamezne enote, ki lahko drastično
vpliva na celotno kakovost izvedbe in stroške gradnje. Poleg tega so železniške proge zelo
dolge in promet na njih je veliko redkejši kot na cestah. Zato je treba zaradi končnih
optimalnih rezultatov oceniti količino proizvedne energije s stroški gradnje in vzdrževanja.
54
Slika 4.2: Piezoelektrična naprava za železnice [29]
Pri gradnji ceste, namenjene vgradnji piezoelektričnega materiala, je treba pozornost
posvetiti vsaki plasti nad in pod tem slojem. En primer je prikazan na spodnji sliki (Slika 4.3).
Po zelo natančnem zbijanju gramoza debeline 6 cm so v vezano nosilno plast vgrajene
piezoelektrične enote, povezane z redkim betonom. Nato je bitumenski trak nameščen nad
piezoelektričnimi enotami, ki služi kot izolacija in zaščita pred možnimi poškodbami pri
asfaltiranju končne plasti.
55
Slika 4.3: Tehnologija gradnje PZT-materiala [30]
Raziskovalni rezultati so zelo raznoliki. Oni so odvisni od uporabljenega materiala, principa
izgradnje sistema in načina pridobivanja meritev. V Tabeli 4.1 so prikazani najpomembnejši
rezultati terenskih preiskav, v katere so materiali vgrajeni na zgoraj prikazan način.
Tabela 4.1: Primerjava rezultatov [29]
Parameter Genziko ODOT Innowattech Berkeley in Virginia
Tech
El. moč po km (en trak)
13–51 MW
486 kW 100–200 kW 0,0018–0,5 kW
Vozila na uro (en trak)
600–2250 600 600 600
56
4.1.2 Laboratorijski način vgradnje
Laboratorijski testi so osredotočeni na obremenitev vzorca piezoelektričnega materiala
(večinoma piezoelektrične ploščice), vgrajenega v majhen košček asfalta. V teh testih so bili
določeni vsi parametri, glavni interes pa je bila dobljena električna energija.
Ena od študij [30] testira material v analizatorju asfaltne konstrukcije, ki simulira dejanske
cestne pogoje pod tlakom. V tej študiji je testiran piezoelektrični izdelek pod obremenitvijo
od 45 kilogramov z različnimi vrednosti frekvence (1, 10, 30 in 60 Hz). Vrednosti frekvence
so poimenovane kot pogostost sile, ki se uporablja za vzorce. Kontaktna površina je velika
38,70 cm2. Globina piezoelektričnega elementa je 5 cm od vrha. Velikost vzorca je 15 cm
premera in 7,62 cm debeline (Slika 4.4).
Slika 4.4: Shematična predstavitev preizkusa [30]
V spodnjih tabeli (Tabela 4.2) so prikazani rezultati preizkusa. Iz tabel je razvidno, da
povečanje frekvence tudi poveča električni naboj, kot je razloženo v tezi.
Tabela 4.2: Rezultati preizkusa (odvisnost frekvence in električne napetosti) [30]
Frekvenca (Hz)
1 10 30 60
Obtežitev (kg)
Električna napetost (mV)
45 10,77 23,03 43,02 116,58
Frekvenca, ki najbolj simulira promet v realnem času, je 60 Hz. Treba je opozoriti, da je to
simulacija 600 vozil na uro, ki imajo hitrost približno 45 km/h.
57
4.1.3 Modeli piezoelektričnega materiala
Obstajajo štirje predlagani modeli piezoelektričnega materiala: piezoelektrična činela
(ploščica), piezoelektrični pilot, piezolektrični kup in piezoelektrična konzola, kot je
prikazano na spodnji sliki (Slika 4.5).
Slika 4.5: Štirje modeli PZT [27]
58
5.1 Opis problema
V prejšnjem poglavju smo prikazali rezultate laboratorijskih in terenskih testov. S
primerjavo obeh testov ugotavljamo, da so rezultati zelo različni. Seveda je to posledica
različnih pogojev, ki jim je material izpostavljen. Poleg tega se material, uporabljen na
cestnih nivojih, razlikuje od materiala v laboratoriju tako po dimenzijah kot po kakovosti.
Kot smo videli pri laboratorijskih raziskavah, je piezoelektrični material izpostavljen
obremenitvam, ki simulirajo realne razseženosti cest. V preizkusu je bila uporabljena ena
enota materiala oziroma en element. Material se obnaša skladno s pričakovanji – pod
obremenitvijo se deformira in nato generira električno napetost. Ko je material neposredno
pritrjen na merilnik napetosti, kaže izjemno visoke rezultate električne napetosti. Toda to
niso realni rezultati, ker želimo shraniti to energijo za kasnejšo uporabo. Zatorej je potrebno
celotno vezje, sestavljeno iz virov, vodnikov in baterij ali kondenzatorjev. Poleg tega v
realnih pogojih celoten sklop ni sestavljen iz samo enega dela materiala, temveč jih je več,
ki so razporejeni na določeni površini in medsebojno povezani. V tem primeru je del
ustvarjene energije izgubljen zaradi upora, končni izid pa se razlikuje od energije,
pridobljene iz samo ene ploščice.
Količina pridobljene energije je odvisna tudi od položaja materiala v voziščni konstrukciji.
Piezoelektrični material je večinoma vgrajen pod zgornjo plast asfalta, ki je približno 5 cm
oddaljeno od površine ceste. Z laboratorijskimi raziskavami je mogoče najti razliko med
pridobljenimi količinami energije, če je ta sloj materiala vgrajen na različne globine asfalta.
Naše nastavitve so naslednje:
– vzorec materiala, ki ga uporabljamo, je deset piezoelektričnih ploščic, ki so
vzporedno povezane in na koncu povezane s kondenzatorjem;
– material se preizkusi pod pogoji, ki nam bodo pokazali optimalne in realne
rezultate;
5 LABORATORIJSKA ANALIZA PIEZOELEKTRIČNE
KONSTRUKCIJE
59
– material je vgrajen na različnih globinah v asfaltu, pri čemer primerjamo razliko v
dobljeni energiji;
– material je vgrajen v beton na enake položaje kot pri asfaltu, pri čemer
primerjamo razliko;
– material je obremenjen z različnimi utežmi.
Med testom smo uporabili dve metodi:
– obremenitev vzorca z uporabo naprave »wheel tracker« in
– obremenitev vzorca z utežmi.
5.2 Opis opreme
V testu smo uporabili skupaj štiri vzorce (dva betonska in dva asfaltna). Vzorci so veliki 30
cm x 30 cm x 5 cm. V vsakem vzorcu je vgrajen bitumenski trak, kot je prikazano na spodnji
sliki (Slika 5.1).
Slika 5.1: Piezoelektrične ploščice (prvi del elektronske komponente), zlepljene na
bitumenski trak
60
Na zgornjo stran bitumenskega traku je zlepljenih deset piezoelektričnih ploščic. Vsaka
ploščica je sestavljena iz dveh materialov. Zunanji material je baker, ki je premera 2,7 cm.
Notarnji material je piezoelektrična keramika, ki je premera 1,7 cm. Na ploščicah sta varjeni
dve žici. Rdeča ima pozitivni električni naboj in je varjena na piezoelektrično keramiko. Črna
ima negativni električni naboj in je varjena na baker. Ploščice so zaradi boljšega oprijema
zlepljene z bitumnom. Žice so izolirane z visokotemperaturnim izolirnim trakom. Ploščice
se nahajajo v središču območja obremenitve kolesa. Na vsaki strani je razdalja od roba traku
1,5 cm zaradi lažjega povezovanja ploščic. Žice so priključene na vzporedno povezavo.
Deset žic s pozitivnim električnim nabojem je povezanih na eno žično spojko. Prav tako je
deset žic z negativnim električnim nabojem povezanih na drugo žično spojko. Izhod iz
spojke je sestavljen iz dveh žic (pozitiven naboj in negativen naboj). Nato se priključijo na
štiri diode, povezane z Gretzovim vezjem. Na koncu vezja je priključen kondenzator in na
kondenzator je priključen multimeter.
Uporabili smo naslednji material (en vzorec):
– piezoelektrične ploščice z dimenzijo φ 2,7 cm. Sredi ploščic je piezoelektrična
keramika dimenzij φ 1,7 cm (10 kosov);
– bitumenska traka, velika 30 x 30 cm, debela 0,2 cm (1 kos);
– dve žici, varjeni na vsaki ploščici, ena je rdeča s pozitivnim električnim nabojem (10
kosov), druga pa črna z negativnim električnim nabojem (10 kosov);
– dve žični spojki;
– izolacijski trak;
– štiri diode, povezane z Gretzovim vezjem (1N4148 dioda SI 100 V, 150 mA);
– kondenzator (Elko 220 μF, 50V, 10 x 12,5 mm);
– spajkalnik in tenol;
– multimeter in
– asfalt z dimenzijami: 30 x 30 x 4,8 cm (0,00432 m³) ali beton, ki je enakih dimenzij.
5.3 Postopek analize
Pred analiznim postopkom je bilo treba sestaviti vzorec. Postopek je potekal po naslednjem
zaporedju:
– sestavljanje elektronskih komponent;
– betoniranje vzorca;
– asfaltiranje vzorca;
– preizkušanje z napravo »wheel tracker«;
– preizkus z utežmi.
61
5.3.1 Sestavljanje elektronskih komponent
Elektronske komponente so najpomembnejši del celotnega vzorca. Desec ploščic je
priključenih na vzporedno povezavo. Zaradi pridobitve enega izhoda smo jih priključili na
spojko. Z uporabo diod smo dobili Gretzovo spojino. Njen namen je popraviti izmenično
napetost in tok prenesti v samo eno smer. Na vsakem vrhu Gretzove spojine smo priključili
žice. Na koncu smo priključili kondenzator, ki ohranja pridobljeno energijo (Slika 5.2).
Slika 5.2: Drugi del elektronske komponente
5.3.2 Betoniranje vzorca
Ena od glavnih lastnosti betona je visoka tlačna trdnost. Ker z obremenitvijo dejansko
potiskamo vzorec, to pomeni, da bo slabo deformiran. V skladu s to predpostavko je vzorec
betoniran z zelo šibkim betonom. Največji premer zrna agregata je 𝐷max = 2 mm. Izdelali
smo lesen kalup. Prvi vzorec smo postavili na dno kalupa, nato pa svež beton. Drugi vzorec
smo betonirali na način, da smo prvič napolnili kalup z betonom do višine treh centimetrov,
potem smo vanj postavili električno komponento in nato preostali kalup izbetonirali na
želeno višino (Slika 5.3).
62
Slika 5.3: Betoniranje vzorca
5.3.3 Asfaltiranje vzorca
Vzorec smo asfaltirali z asfaltom za obrabno plast (AC11SURF). Maso mrzlega asfalta smo
štiri ure segrevali v peči pri 180 °C, dokler ni dosegla približno 150 °C. Medtem je bila
elektronska komponenta nameščena v jekleni kalup. Zaradi zaščite pred visoko
temperaturo asfalta žico ščitimo z izolacijo, ki lahko vzdrži temperature do 250 °C (Slika
5.4).
Po asfaltiranju je bilo treba vzorec kompaktirati zaradi neenakosti v asfaltu in morebitnih
votlin. Za ta namen smo uporabljali napravo za kompaktiranje. Vzorec je bil kompaktiran v
tri faze, vsaka faza pa je potekala v treh ciklusih. Prva faza zbijanja je potekala pod tlakom
1 bara, druga pri tlaku 2 barov in tretja pri tlaku 3 barov (Slika 5.5).
Drugi vzorec smo asfaltirali na enak način kot prvi. Edina razlika je v tem, da smo
elektronsko komponento postavili na tri centimetre debel sloj asfalta, preden smo kalup do
vrha napolnili z asfaltom.
Po zbijanju se je asfalt v kalupu ohladil na zahtevano temperaturo, torej približno 20 °C.
63
Slika 5.4: Asfaltiranje vzorca
Slika 5.5: Kompaktiranje vzorca
5.3.4 Obremenitev vzorca z napravo »wheel tracker«
Naprava »wheel tracker« (slo. kolesna sled) se uporablja za testiranje tvorjenja kolesnic.
Preizkušanec je velikosti 30 x 30 x 5 cm in je obremenjen s kolesom, širokim 5 cm. Postopek
standardnega preizkusa poteka v pogojih, kjer je temperatura povišana na 60 °C. Vertikalna
obremenitev standardne preiskave je 700 N. Vertikalna obremenitev se aplicira prek uteži.
64
V testnem postopku je kolo statično, jeklena podlaga pa se premika s frekvenco 1 Hz (Slika
5.6).
Za naše testiranje nismo uporabili standardnega postopka. Edina sprememba v procesu je
bila temperatura asfalta, ki smo jo zmanjšali na približno 20 °C.
Slika 5.6: Drugi vzorec v napravi »wheel tracker«
Vzorec smo nastavili tako, da kolo pritisne vgrajeno elektronsko komponento. To je zelo
pomembno, saj lahko dobimo veljavne rezultate samo z neposrednim pritiskom. Vzorce
smo vzorčili v desetih ciklih prevoza kolesa prek asfaltne površine. Preizkus je potekal po
naslednjem zaporedju:
– prvi vzorec – asfalt (elektronska komponenta na 2 cm globine od površja);
– drugi vzorec – asfalt (elektronska komponenta na površju);
– tretji vzorec – asfalt (elektronska komponenta na dnu);
– četrti vzorec – beton (elektronska komponenta na 2 cm globine od površja) –
ostalih vzorcev betona ni bilo smisleno testirati, saj rezultatov ni bilo mogoče
prebrati;
– peti vzorec – elektronska komponenta je izpostavljena neposredni obremenitvi
brez lepljenja na beton ali asfalt (zaščitena je le z bitumenskim trakom).
En vzorec smo dvakrat testirali. Vzorec je bil prvič obrnjen na pravo stran, drugič pa smo ga
obrnili na nasprotno stran. Tako smo dobili dve različni globini, na katerih se nahaja
elektronska komponenta.
65
5.3.5 Obremenitev vzorca z utežema
Druga vrsta analize, ki smo jo naredili, je bila obremenitev vzorca z utežema. Vzorce smo
obremenili tako, da smo spustili dve različno težki uteži (6 kg in 10 kg) s treh različnih višin
(10 cm, 20 cm in 50 cm). Načelo je bilo zelo preprosto. Uteži sta pod vplivom sile teže padli
navpično na površino vzorca. Učinek je najbolje opisati z načelom prostega padca telesa.
Če so znani masa telesa, višina padca in težni pospešek, je zelo enostavno izračunati hitrost
padca na točki dotika s površino vzorca, kinetično energijo in udarno silo (Slika 5.7).
Slika 5.7: Obremenitev vzorca z utežema
Ta preizkus je bil potreben, da bi videli, kako se energija spreminja, ko se obremenitve
povečujejo. Z utežema, spuščenima z različnih višin, smo pridobili večjo silo in nato večje
napetosti v primerjavi s prvo analizo, pri kateri je bila teža kolesa konstantna. Vendar je
treba poudariti, da je prva analiza realnejša, ker se kolo premika na površini vzorca tako kot
v realnem položaju. Z drugo analizo smo dobili približno razmerje med povečanjem sile
udara in dobljenim rezultatom.
Vrstni red preizkusa je enak kot pri prvi analizi. Vsak vzorec smo vzorčili v petih ciklusih, kjer
so bili rezultati v vsakem ciklu nekoliko drugačni. To je mogoče opisati z rahlim odstopanjem
v vsakem ciklu, ker utež ni vsakič padla na isto mesto. Ta odstopanja so zelo majhna in ne
vplivajo na skupni rezultat.
66
5.4 Analiza pridobljenih rezultatov
Ker smo analizirali piezoelektrični material z uporabo dveh popolnoma različnih metod,
bomo morali razvrstiti tudi dobljene rezultate. Energija, pridobljena s postopkom »wheel
tracker«, je precej manjša kot v primeru z utežmi. Najprej je razlika v uporabljeni
obremenitvi in nato še v načinu, kako ta obremenitev vpliva na material.
5.4.1 Analiza pridobljenih rezultatov preizkusa z »wheel trackerjem«
Pridobljeni rezultati so prikazani v naslednji tabeli (Tabela 5.1). Kot smo že omenili, smo
vsak vzorec testirali za deset ciklov. Ker so obremenitve in frekvence konstantne in
nespremenjene, so rezultati vsakega cikla enaki.
Tabela 5.1: Rezultati analize z »wheel trackerjem« [J]=[Ws]
Vrsta materiala
Vzorec
Globina elektronske komponente
Napetost (V)
Zmogljivost kondenzatorja
(C)
Energija (E)
[cm] [V] [F] [J]=[Ws]
Asfalt 1. 2 0,0032 0,00022 1,1264E-09
Asfalt 2. 0 0,0045 0,00022 2,2275E-09
Asfalt 3. 5 0,0002 0,00022 4,4E-12
Beton 4. 2 0,0006 0,00022 3,96E-11
Bitumen 5. 0 0,05 0,00022 2,75E-07
Zmogljivost kondenzatorja je določena in nespremenljiva vrednost, odvisna od vrste
uporabljenega kondenzatorja, kar je v tem primeru 220 μF. Električna napetost je vrednost,
pridobljena z branjem multimeterja, priključenega na kondenzator. Energija je podatek, ki
nas zanima. V tem primeru je zelo majhna. Do nje pridemo s formulo za izračun energije:
𝐸 =1
2𝐶𝑉2 [J]=[Ws] (5.1)
V tabeli (Tabela 5.1) je razvidno, da je najboljši rezultat pokazal vzorec bitumna, ki je bil
izpostavljen neposredni obremenitvi kolesa To je tudi logično, ker so ploščice izpostavljene
čistim obremenitvam, kar je v njih povzročilo največjo deformacijo. Zanimivo je opaziti, da
so rezultati betonskega vzorca veliko manjši od rezultatov asfaltnega vzorca. To je vnaprej
predvideno zaradi vpliva samih lastnosti materiala in njegovega obnašanja pri obremenitvi.
Pri branju rezultatov je treba upoštevati dejstvo, da so rezultati prikazani za deset
piezoelektričnih elementov.
67
5.4.2 Analiza pridobljenih rezultatov preizkusa z utežmi
V preizkusu z utežmi velja vsa zakonitost prostega padca telesa. Tabela (Tabela 5.2)
prikazuje izračun za vsako težo posebej.
Tabela 5.2: Izračun hitrosti in kinetične energije uteži
Višina padca (h)
Masa (m)
Hitrost (v) Kinetična energija
(Ek)
[m] [kg] [m/s] [J]
0,1 6,879 1,400714104 6,748299 0,1 10,011 1,400714104 9,820791 0,2 6,879 1,980908882 13,496598 0,2 10,011 1,980908882 19,641582 0,5 6,879 3,132091953 33,741495 0,5 10,011 3,132091953 49,103955
Dve različno težki uteži smo spustili s treh različnih višin. Pod vplivom sile teže pa sta začeli
padati na vzorec. Uteži različnih mas sta padli z določene višine na en konec vzorca, nato
pa smo ju dvignili in spustili na drugi konec. Tako smo zajemali celotno dolžino vzorca in
aktivirali vse piezoelektrične elemente z razmikom v zelo kratkem časovnem intervalu, s
čimer se je ohranila vsa možna energija. Manjša utež je imela premer 15 cm, kar pomeni,
da je pokrivala območje okrog 225 cm2. Večja utež je imela premer 20 cm in pokrivala
površino 400 cm2.
Osnove fizike nam povedo, da je vsota energije na začetku enaka vsoti energije na koncu.
To pomeni, da je vsota potencialne in kinetične energije na določeni višini pred začetkom
prostega padca telesa enaka vsoti potencialne in kinetične energije na točki udarca v
vzorec. Iz te enakosti ugotovimo, da je hitrost uteži v trenutku udarca v vzorec enaka:
𝑣 = √2𝑔ℎ , (5.2)
kjer so:
𝑣 – hitrost [m/s];
𝑔 – sila teža [m/s2] in
ℎ – višina [m].
Potencialna energija v trenutku udara je enaka nič. Kinetično energijo dobimo s pomočjo
formule:
𝐸k =𝑣2𝑚
2 [J] (5.3)
68
Na koncu je sila zelo enostavna za izračun. V trenutku udara telesa v vzorec je enaka:
𝐹 =𝑚𝑔ℎ
𝑠 [N], (5.4)
kjer je:
s – zaustavna razdalja [m].
Sile nismo računali, ker nismo imeli dovolj dobre opreme za izračun posedanja materiala
sredi udara uteži, namreč ta številka je zelo majhna. Glavna predpostavka je, da se sila giblje
od 1 kN za najmanjše obremenitve do 50 kN za največje obremenitve.
Rezultati analize z utežmi so prikazani v naslednji tabeli (Tabela 5.3). Rezultati so razvrščeni
glede na material vzorca, globino, na kateri se nahaja elektronska komponenta, uteži in
višino padca.
Razlike med rezultati na asfaltnih vzorcih in betonskih vzorcih so opazne. Asfaltni vzorci
dajejo opaznejše rezultate, kar je še en dokaz, da so piezoelektrični elementi učinkovitejši
pri asfaltu.
Če pogledamo vpliv globine na elektronsko komponento v asfaltnem vzorcu, postane jasno,
da so rezultati zelo podobni v dveh primerih: ko je elektronska komponenta na vrhu ali na
dnu vzorca. Medtem ko je elektronska komponenta na vrhu vzorca, sila deluje neposredno
na piezoelektrične elemente, deformacija elementov je večja in s tem je večja tudi energija.
Tukaj obstaja nevarnost zloma piezoelektričnega materiala, kar se je zgodilo v našem
primeru. Če pogledamo višino 0,5 m, lahko vidimo, da je večja energija pridobljena z lažjo
utežjo. Zaradi visoke udarne sile, predpostavljene v območju od 20 do 50 kN, zlahka
sklepamo, da so bile povezave v elektronski komponenti uničene.
Najvišji rezultati so bili ugotovljeni v vzorcu, kjer je bila elektronska komponenta na dnu.
Razlog za to je trdna podlaga pod vzorcem. Pod vplivom večje udarne sile na vzorec se v
podlagi pojavi večja reakcija, kar še bolj vpliva na elektronsko komponento, neposredno
povezano s podlago.
Prav tako lahko primerjamo rezultate med dvema različnima testnima metodama. Rezultati
so drastično drugačni. Razlog za to je bil, da smo v prvi metodi uporabili veliko manjšo silo,
podlaga pa je bila mobilna (Graf 5.1).
69
Graf 5.1: Razmerje obremenitve in pridobljene energije
Za primer smo vzeli najvišje vrednosti vsakega testa. Zelo enostavno je sklepati, da se z
povečanjem obremenitve povečuje pridobljena energija. Kljub temu ima piezoelektrični
material svoj maksimum, tako da je v eni točki na grafu energija prenehala rasti in ostala
nespremenjena z naslednjim povečanjem obremenitve.
0,07; 4,4E-12
1; 1,656E-07
10; 1,0138E-06
40; 1,3798E-06
0
0,0000002
0,0000004
0,0000006
0,0000008
0,000001
0,0000012
0,0000014
0,0000016
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Ener
gija
[W
s]
Obtežba [t]
Razmerje obremenitve in pridobljene energije
70
Tabela 5.3: Rezultati analize z utežema
Vrsta mate-riala
Vzorec Utež Višina
padca
Globina elektron.
komp.
Napetost (V)
Zmogljivost kondenz.
(C) Energija (E)
[kg] [m] [cm] [V] [F] [J]=[Ws]
Asfalt 1.
6,879 0,1
2 0,00052 0,00022 2,9744E-11
Asfalt 2. 5 0,0198 0,00022 4,3124E-08
Asfalt 3. 0 0,048 0,00022 2,5344E-07
Beton 4. 2 0 0,00022 0
Beton 5. 5 0,0001 0,00022 1,1E-12
Asfalt 1.
10,011 0,1
2 0,0022 0,00022 5,324E-10
Asfalt 2. 5 0,0388 0,00022 1,656E-07
Asfalt 3. 0 0,062 0,00022 4,2284E-07
Beton 4. 2 0 0,00022 0
Beton 5. 5 0,0002 0,00022 4,4E-12
Asfalt 1.
6,879 0,2
2 0,0058 0,00022 3,7004E-09
Asfalt 2. 5 0,0815 0,00022 7,3065E-07
Asfalt 3. 0 0,035 0,00022 1,3475E-07
Beton 4. 2 0,0018 0,00022 3,564E-10
Beton 5. 5 0,0028 0,00022 8,624E-10
Asfalt 1.
10,011 0,2
2 0,0093 0,00022 9,5139E-09
Asfalt 2. 5 0,096 0,00022 1,0138E-06
Asfalt 3. 0 0,045 0,00022 2,2275E-07
Beton 4. 2 0,0045 0,00022 2,2275E-09
Beton 5. 5 0,0037 0,00022 1,5059E-09
Asfalt 1.
6,879 0,5
2 0,0098 0,00022 1,0564E-08
Asfalt 2. 5 0,0911 0,00022 9,1291E-07
Asfalt 3. 0 0,057 0,00022 3,5739E-07
Beton 4. 2 0,0023 0,00022 5,819E-10
Beton 5. 5 0,0026 0,00022 7,436E-10
Asfalt 1.
10,011 0,5
2 0,0155 0,00022 2,6428E-08
Asfalt 2. 5 0,112 0,00022 1,3798E-06
Asfalt 3. 0 0,045 0,00022 2,2275E-07
Beton 4. 2 0,0055 0,00022 3,3275E-09
Beton 5. 5 0,028 0,00022 8,624E-08
5.5 Primerjava pridobljenih rezultatov
Naše rezultate lahko primerjamo z rezultati drugih laboratorijskih testov, če so parametri
raziskav enaki ali vsaj približno enaki. V naših preizkusih nismo mogli spremeniti frekvenc
71
obremenitve, kar je velika pomanjkljivost, ker se je energija, ki je bila pridobljena, močno
spreminjala s spreminjanjem frekvence. Kot je razvidno iz laboratorijskega preizkusa [30],
je jasno, da izhodna energija raste z večjo frekvenco. Ko frekvenca doseže 60 Hz, je energija
največja, kar ta frekvenca najbolj simulira promet v realnem položaju.
Tabela 5.4: Primerjava rezultatov laboratorijske analize
Vrsta analize Frekvenca
(Hz) Obtežitev
(kg) Napetost
(mV)
Wheel tracker 1 70 0,02
Uteži 0,5 / 11,2
Analizator asf. konst. [30]
1 45 10,77
V tabeli (Tabela 5.4) so predstavljeni rezultati za obe naše metodi, čeprav se parametri
razlikujejo. V okviru metode »wheel tracker« smo prenesli rezultate za vzorec, v katerem
je elektronska komponenta na globini 5 cm, ki je enaka globini, ki jo primerjamo [30]. Tudi
rezultat smo delili z deset, da bi dobili napetost enega elementa. Razlika v dobljeni energiji
je opazna. Naša elektronska komponenta je nekoliko drugačna, kar takoj zmanjšuje izhodno
energijo, in sicer predvsem zaradi upora pri vseh elementih vezja. Pri rezultatih analize z
utežmi nismo vključili informacij o obtežbi, ker nimamo veljavnih podatkov, vendar so v
velikosti med 10 in 50 kN, kar je v primerjavi s preostalima metodama precej več.
Ker nimamo analize na različnih frekvencah, ne moremo točno vedeti, kako se rezultati
premikajo v realnih razmerjih. Če upoštevamo rezultate eksperimenta [30], lahko
sklepamo, da se energija pri frekvenci prometa 60 Hz poveča za približno 100 mV, kar
pomeni, da gre za 1000-odstotno povečanje (Tabela 4.2). V našem primeru je potem
napetost velikosti 0,21 mV po piezoelektričnem elementu za analizo z »wheel trackerjem«.
Za analizo z utežmi je težje izračunati izhodno energijo. Empirično lahko dobimo podatek
frekvence 0,5 Hz, če potrebujemo dve sekundi za spuščanje uteži na prvem delu vzorca, ga
dvignemo in ponovno spustimo na drug del vzorca. To pomeni, da pri 1 Hz proizvede
napetost velikosti 22,4 mV. S skoraj 1000-odstotnim povečanjem energije pri frekvenci
prometa 60 Hz dobimo rezultat, ki iznaša 242,46 mV. To je veliko večji rezultat, vendar
moramo upoštevati morebitna odstopanja v empirično določeni frekvenci in veliko večjo
obtežbo, s katero smo delovali (Graf 5.1).
Seveda rezultati, prikazani na spodnjem grafu (Graf 5.1), niso povsem pravilni. Natančni so
samo v primeru frekvence 1 Hz. Za večjo frekvenco, ki jo bomo morali uporabiti pri oceni
upravičenosti, smo morali primerjati rezultate druge analize [30]. Uporabili smo njihovo
1000-odstotno povečanje napetosti, kar ni napaka, vendar obstaja možnost morebitnega
manjšega odstopanja od naših resničnih rezultatov za 60 Hz, ki jih zaradi pomanjkanja
opreme nismo merili.
72
Graf 5.2: Primerjava rezultatov pri različnih frekvencah
5.6 Ocena upravičenosti
Za oceno upravičenosti bomo uporabili rezultate terenskih testov, predstavljene v
prejšnjem podpoglavju (podpoglavje 4.1.1). Da bi dobili iste vrednosti kot tiste, ki so
prikazane v Tabeli 4.1, moramo podobno kot pri primerjavi laboratorijskih rezultatov
prevzeti iste parametre, ki so jih oni uporabili. V njihovem primeru so uporabljene
piezoelektrične plošče, medtem ko smo mi računali na osnovi majhnih piezoelektričnih
elementov, ki smo jih uporabili pri laboratorijskih testih. Za terenski test je bil uporabljen
en trak, dolg 1 km. Gostota vozila je znašala 600 vozil na uro. To so parametri, ki kažejo
frekvenco 60 Hz. Rezultate za to frekvenco smo dobili v prejšnjem poglavju, zato smo jih
uporabili pri izračunu. Tabela 4.1 prikazuje električno moč, pridobljeno po enem kilometru.
Z računalniškim programom Excel smo izvedli prometno simulacijo z gostoto prometa 600
vozil na uro v eni smeri. Nato smo uporabili obe metodi, pri čemer smo upoštevali
izračunane vrednosti za frekvenco 60 Hz. Vzeli smo del ceste z dolžino 1 km, kjer je bila
elektronska komponenta vgrajena v globino 5 cm, kot je bilo tudi v primeru terenskih
testov. Komponenta je širine povprečnega kolesa, tj. 24,5 cm. Če izračunamo površino
enega piezoelektričnega elementa, ki je 0,0005 m2, in površino pasu, ki znaša 490 m2,
pridobimo število piezoelektričnih elementov po eni smeri. Na ta način nam je znana
energija enega elementa. Potem izračunamo energijo celotnega odseka po preteku dveh
koles (Tabela 5.5).
Skupna energija dneva pri prometu 600 vozil na uro je:
1 60
Analizator asf. konst. 10,77 116,58
Wheel tracker 0,02 0,21649
Uteži 22,4 242,4691
0
50
100
150
200
250
300N
apet
ost
(m
V)
Razlika napetosti pri frekvencah 1 Hz in 60 Hz
73
– za vzorec »wheel tracker« E = 0,00000007 kWh;
– za vzorec z utežmi E = 0,0885 kWh.
Tabela 5.5: Izračun skupne energije za obe metodi
Metoda Wheel tracker
Uteži
Energija enega elementa po prehodu enega kolesa [Ws/kolo]
1,03109E-11
1,29341E-05
Površina enega elementa [m²] 0,000572265
Površina pasu (širina dva povprečna kolesa* 1 km dolžine)
[m²] 490
Število elementov [kos] 856246,6689
Energija (po preteku dve kolesi [Ws/2 kola]
2,06219E-11
2,58682E-05
Število vozil na dan (600 vozil na uro * 24 ur)
14 400 14 400
Skupna energija [kWh/dan] 7,06297E-
08 0,08859809
Dobljena energija po dnevu je zelo majhna. Naslednja tabela (Tabela 5.6) prikazuje razlike
med našimi metodami in metodami terenskih raziskav. Da bi električno moč iz Tabele 4.1
spremenili v električno energijo, smo domnevali, da je na cestnem odseku 24 ur na dan
stalna gostota 600 vozil na uro.
Tabela 5.6: Razlike med rezultati
Analiza Električna moč
[kW] Čas trajanja
[t] Energija
[kWh/dan]
Genziko 13000 24 312000
ODOT 486 24 11664
Innowattech 100 24 2400
B. in V. Tech 0,0018 24 0,0432
Uteži / 24 0,08859809
Wheel tracker
/ 24 7,06297E-08
Energija, proizvedena z metodo z utežmi, je približno enaka kot pri terenski preiskavi
Berkeley in Virginia Tech. Da bi ugotovili, ali se splača proizvajati to količino energije, smo
vzeli za primer eno ulično svetilko, ki ima po viru [31] električno moč 80 W. Povprečni čas
delovanja ulične svetilke je 12 ur. To pomeni, da ena ulična svetilka porabi energijo 0,96
kWh, kar je veliko več, kot piezoelektrični elementi proizvajajo na dan.
Že na podlagi tega vidimo, da proizvedene energije ne moremo uporabiti kot vira energije
za ulično razsvetljavo. Ob te, je treba upoštevati tudi dejstvo, da smo računali za eno ulično
74
svetilko na en kilometer dolgo piezoelektrično cesto. Da bi se malo približali vprašanju
namestitve tega gradiva, smo izdelali oceno stroškov, ki nam kaže še slabše rezultate.
V izračun smo vključili več parametrov. Proizvedeno energijo na dan smo izračunali v Tabeli
5.6. Ceno električne energije smo prevzeli od vira [32], dobo trajanja ceste pa iz vira [29].
Ceno namestitve smo vzeli okvirno in temelji na stroških desetih elementov, ki smo jih
naročili za laboratorijsko testiranje (Tabela 5.7).
Tabela 5.7: Stroški in dobiček
Metoda Wheel tracker Uteži B. In V.
Tech Innowattech
Energija na dan [kWh/dan] 7,06E-08 0,08859809 0,0432 2400
Cena energije [eur/kWh] 0,06137
Doba trajanja ceste [let] 10
Proizvedena energija po kilometru v 10 let [eur/km/10 let]
1,58E-05 19,8460165 9,6768216 537601,2
Cena vgradnje [eur/km] 100000
Razlika med stroški in proizvedeni energiji v 10 let
[eur] -1,00E+05 -99980,15398 -99990,323 437601,2
Če upoštevamo te rezultate, sklepamo, da se tak način pridobivanja energije ne splača. Če
je pridobljena energija na dan tako majhna, kot smo že povedali, so stroški gradnje in nato
vzdrževanja višji od samega dobička. V našem izračunu je maksimalen dobiček 20 evrov na
deset let, čeprav je cena vgradnje 100.000 evrov, kar pomeni, da smo skoraj toliko v minusu
na koncu dobe trajanja ceste. Seveda je treba upoštevati, da naše raziskave temeljijo na
laboratorijskem testiranju materialov in predpostavk, ki jih primerjamo z dejanskimi
rezultati drugih raziskav. Da bi dobili še realnejšo oceno je treba nadaljevati raziskave na
terenu v realnih pogojih in z večjim ter boljšim materialom.
75
V pričujočem delu smo obravnavali možnosti izkoriščanja energije, ki se formira v voziščni
konstrukciji s prehodi vozil in zaradi zunanjih vplivov – sevanja sonca. Osnovni namen naše
raziskave je bil analizirati možnosti izkoriščanja energije za proizvodnjo električne energije.
Podrobneje smo opisali tri najbolj znane vrste energijskih cest (voziščnih konstrukcij), ki
ustvarjajo električno energijo: termoelektrične, solarne in piezoelektrične.
Prikazali smo standardni postopki dimenzioniranja voziščne konstrukcije skozi uporabo
tehničnih specifikacij za ceste kot tudi postopek pridobitve vseh parametrov za
dimenzioniranje.
Pri termoelektrični voziščni konstrukciji se spremeni dimenzioniranje voziščne konstrukcije
zaradi zahtevane zadostne razlike med vročimi in hladnimi površinami, kar pomeni, da se
povečuje globina voziščne konstrukcije. Cevi so vgrajene pod obrabno plast. Trdnost asfalta
mora biti večja od navadne, da se cevi zaščitijo pred morebitnimi poškodbami. To pomeni,
da kakovost in debelino asfaltne plasti spremljata vpliv prometa in tudi možnost izboljšanja
materiala zaradi zaščite cevnega sistema.
Pri solarni voziščni konstrukciji ni znano obnašanje stika med sončno ploščo in spodnjimi
sloji, zato ni znan niti vpliv na dimenzioniranje. Nadaljnja testiranja so pokazala, da je
površina ceste iz sončnih panelov manj spolzka od običajne ceste. To pomeni, da ima taka
cesta boljše vozne lastnosti, vendar je treba za kakršne koli končne zaključke opraviti še
mnogo več analiz.
Dimenzioniranje in vozne lastnosti piezoelektrične voziščne konstrukcije pa predvidoma
ostanejo enake in ni sprememb v postopkih dimenzioniranja.
V magistrskem delu smo natančno predstavili analizo uporabe piezoelektrične voziščne
konstrukcije. Piezoelektrični material, vgrajen v voziščno konstrukcijo, omogoča pretvorbo
mehanske energije v električno.
Osnovni cilj pričujočega dela je bil dokazati ali zavrniti učinkovitost piezoelektričnega
materiala. S tem namenom smo izvedli laboratorijsko testiranje in analizo. Dobljena
energija mora biti dovolj velika, da lahko pokrije višje stroške izgradnje takšne ceste v
6 SKLEP
76
življenjski dobi ceste. Prav tako je pomembno upoštevati vpliv te posebne plasti na celotno
voziščno konstrukcijo.
Vstopamo v čas, ko se ljudje usmerjajo k alternativnim virom energije, ki znižujejo cene
energije in ponujajo vrsto ekoloških koristi. Piezoelektrične voziščne konstrukcije so eden
od primerov poskusov iskanja takšnih koristi, pri čemer uporabljajo zelo preprost model
pretvorbe mehanske energije v električno energijo. Teoretično je bil ta model podrobno
obdelan, toda v praksi so rezultati šibki, kar je posledica tega, da se piezoelektrični material
uporablja v elektroniki, ne na cesti. Piezoelektrični material uporablja večje frekvence dela
od tistih, ki se pojavljajo na cestah.
V delu smo na podlagi vseh teoretičnih podatkov in drugih laboratorijskih testov preizkušali
material.
Rezultati preizkusa so pokazali, da je bila proizvedena energija premajhna.
Piezoelektričnega materiala ni smotrno uporabljati na cestah, ker je razmerje med
proizvedeno energijo in vloženim denarjem preveliko.
V prihodnosti se lahko spremeni način razvijanja materialov, ki bo podpiral pogoje
proizvodnje energije na cesti, ki so trenutno nepovratno izgubljeni. To je zelo pomembna
sklepna ugotovitev, saj so koristi takšne oblike proizvodnje energije primerne za vse.
77
VIRI IN LITERATURA
Tabela 6.1: Seznam citiranih virov
Vrsta dela Citiranje
v tekstu
Seznam citiranih virov
knjiga – en
avtor
[1] [1] J. Žmavc, Voziščne konstrukcije, Fakulteta za gradbeništvo in
geodezijo, Univerza v Ljubljani in Družba za raziskave v cestni in
prometni stroki Slovenije, 2007
Tehnične
specifikacije
[2] [2] TSC 06.300/06.410:2009 Smernice in tehnični pogoji za graditev
asfaltnih plasti, Ministrstvo za promet, Republika Slovenija,
2009
Tehnične
specifikacije
[3] [3] TSC 06.200:2003 Nevezane nosilne in obrabne plasti,
Ministrstvo za promet, Republika Slovenija, 2003
Spletni
dokument
[4] [4] Tadej, Zgodovina cest, 19. 2. 2015, dostopno na:
http://www.asfalting.com/zgodiva-cest/ [dostop 2. 4. 2017]
Spletni
dokument
[5] [5] A. Conchon, Road construction in Eighteenth Century France,
dostopno na: http://www.arct.cam.ac.uk/Downloads/ichs/vol-
1-791-798-conchon.pdf [dostop 3. 4. 2017]
Spletni
dokument
[6] [6] Makadam, dostopno na:
https://sl.wikipedia.org/wiki/Makadam [dostop 4. 4. 2017]
Visokošolsko
delo
[7] [7] P. Glavica, Analiza asfaltnih zmesi na mestnih cestah, Fakulteta
za gradbeništvo in geodezijo, Univerza v Ljubljani, 2006
Spletni
dokument
[8] [8] DRC, Ceste na Slovenskem skozi čas, dostopno na:
http://www.drc.si/Portals/0/Novice/letak_internet.pdf
[dostop 4. 4. 2017]
Skripta
predavanj
[9] [9] B. Žlender, H. Vrecl Kojc, B. Dolinar, Osnove temeljenja, skripta
predavanj ter seminarskih in laboratorijskih vaj, Fakulteta za
gradbeništvo, Univerza v Mariboru, 2013
Spletni
dokument
[10] [10 The Constructor, Fineness Modulus od Coarse Aggregates and
its Calculation, dostopno na:
https://theconstructor.org/practical-guide/fineness-modulus-
of-coarse-aggregates-and-its-calculation/12472/ [dostop 28. 4.
2017]
Knjiga –
skupina
avtorjev
[11] [11] Skupina avtorjev, Asfalt, Združenje asfalterjev Slovenije,
Ljubljana, 2006
78
Spletni
dokument
[12] [12] Civil Engineering Notes, Standard Proctor test, dostopno na:
http://civilengineering-notes.weebly.com/compaction-test---
proctor-test.html [dostop 28. 4. 2017]
Tehnične
specifikacije
[13] [13] TSC 06.100:2003 Kamnita posteljica in povozni plato,
Ministrstvo za promet, Republika Slovenija, 2003
Tehnične
specifikacije
[14] [14] TSC 06.511:2009 Prometne obremenitve določitev in
razvrstitev, Ministrstvo za promet, Republika Slovenija, 2009
Tehnične
specifikacije
[15] [15] TSC 06.512:2003 Projektiranje klimatski in hidrološki pogoji,
Ministrstvo za promet, Republika Slovenija, 2003
Tehnične
specifikacije
[16] [16] TSC 06.520:2009 Projektiranje dimenzioniranje novih asfaltnih
voziščnih konstrukcij, Ministrstvo za promet, Republika
Slovenija, 2009
Tehnične
specifikacije
[17] [17] TSC 06.541:2009 Projektiranje dimenzioniranje ojačitev
obstoječih asfaltnih voziščnih konstrukcij, Ministrstvo za
promet, Republika Slovenija, 2009
Spletni
dokument
[18] [18] Republika Slovenija, Ministrstvo za infrastrukturo, Direkcija
Republike Slovenije za infrastrukturo, Podatki o prometu,
dostopno na: http://www.di.gov.si [dostop 21. 9. 2017]
Znanstveni
članek
[19] [19] J. Gauter, E. Coquelle, The Solar road, CAMPUSmag, The
magazine of the Colas group campus for science and
techniques, no.3 februar 2016
Spletni
dokument
[20] [20] K. Yotov, Y. Panayotova, P. Gergiev, Solar roadways, Sofia
University, Sofia 2015
Knjiga –
skupina
avtorjev
[21] [21] Skupina avtorjev, Spremenljivost podnebja v Sloveniji,
Ministrstvo za okolje in prostor, Agencija Republike Slovenije
za okolje, Vojkova cesta 1b, Ljubljana, 2010
Znanstveni
članek
[22] [22] Q. Lu, L. Guo, Potentials of piezoelectric and thermoelectric
technologies for harvesting energy from pavements, Elsevier,
15. januar 2017
Znanstveni
članek
[23] [23] M. Hasebe, Y. Kamikawa, S. Mitarashi, Thermoelectric
generators using solar thermal energy in heated road
pavement, In: Proceedings od the 25th international
conference on thermoelectrics, Vienna, Austria, 2006
Znanstveni
članek
[24] [24] G. Wu, X. Yu, Thermal energy harvesting system to harvest
thermal energy across pavement structure, Int J Pavement Res
Technol 2012;5:311–6
Knjiga – en
avtor
[25] [25] A. Northmore, Canadian solar road panel design: A structural
and enviromental analysis, University of Waterloo, Canada,
2014
79
Diplomsko
delo
[26] [26] A. Halavanja, Završni rad – Analiza piezoelektričnih pretvornika
velikih energija emitiranih impulsa, Sveučilište u Zagrebu,
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2010
Knjiga –
skupina
avtorjev
[27] [27] P. S. Dineva, D. Gross, R. Muller, T. Rangelov, Dynamic Fracture
of Piezoelectric Materials Solution of Time-Harmonic Problems,
BIEM, 2014
Članek [28] [28] P. Jurcevic, Piezoelectricity: Basics and applications, Friday
Morning Meeting, Technical Talk, 2010
Knjiga –
skupina
avtorjev
[29] [29] D. Hill, A. Agarwal, N. Tong, Assessment of piezoelectric
materials for roadway energy harvesting, DNV KEMA Energy &
Sustainability, Oakland, California, januar 2014
Članek [30] [30] K. Seonghoon, S. Junan, A. Mohammad, T. Zolly, Pizeoelectric
Energy Harvesting System Assessment for Highway
Sustainability, Georgia Technology Research Institute, Atlanta,
2016
Spletni
dokument
[31] [31] M. Avetisyan, Power Of a Street Lamp, dostopno na:
https://hypertextbook.com/facts/2004/MarinaAvetisyan.shtml
[dostop 27. 2. 2018]
Spletni
dokument
[32] [32] Cenik, dostopno na: https://www.pocenielektrika.si/za-
dom/cene-in-tarife/cenik/ [dostop 28. 2. 2018]
80
PRILOGE
6.1 Rezultati preizkusa z napravo »wheel tracker«
6.2 Rezultati preizkusa z utežema
6.3 Shema elektronske komponente
6.4 Načrt vzorca za analizo
81
6.1 Rezultati preizkusa z napravo »wheel tracker«
Prvi vzorec
Tabela 6.1: Asfalt (elektronska komponenta na globini 2 cm)
Napetost (V)
Zmogljivost kondenzatorja
(C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
0,0022 0,00022 5,324E-10
0,003 0,00022 9,9E-10
0,0032 0,00022 1,1264E-09
0,0032 0,00022 1,1264E-09
0,0032 0,00022 1,1264E-09
0,0032 0,00022 1,1264E-09
0,0032 0,00022 1,1264E-09
0,0032 0,00022 1,1264E-09
0,0032 0,00022 1,1264E-09
0,0032 0,00022 1,1264E-09
Drugi vzorec
Tabela 6.2: Asfalt (elektronska komponenta na površini)
Napetost (V)
Zmogljivost kondenzatorja
(C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
0,003 0,00022 9,9E-10
0,0035 0,00022 1,3475E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
82
Tretji vzorec
Tabela 6.3: Asfalt (elektronska komponenta na dnu)
Napetost (V)
Zmogljivost kondenzatorja
(C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
Četrti vzorec
Tabela 6.4: Beton (elektronska komponenta na globini 2 cm)
Napetost (V)
Zmogljivost kondenzatorja
(C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
0,0006 0,00022 3,96E-11
83
6.2 Rezultati preizkusa z utežema
Tabela 6.5: Osnovne vrednosti uteži
Vzorec Višina padca
(h) Masa (m)
Hitrost (v) Kinetična energija (Ek)
[m] [kg] [m/s] [J]
Vzorec 1 0,1 6,879 1,400714104 6,748299
Vzorec 2 0,1 10,011 1,400714104 9,820791
Vzorec 3 0,2 6,879 1,980908882 13,496598
Vzorec 4 0,2 10,011 1,980908882 19,641582
Vzorec 5 0,5 6,879 3,132091953 33,741495
Vzorec 6 0,5 10,011 3,132091953 49,103955
84
Prvi vzorec
Tabela 6.6: Asfalt (elektronska komponenta na globini 2 cm)
Vzorec Napetost (V) Zmogljivost
kondenzatorja (C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
Vzorec 1.1
0,00042 0,00022 1,9404E-11
0,00044 0,00022 2,1296E-11
0,00047 0,00022 2,4299E-11
0,00052 0,00022 2,9744E-11
0,00039 0,00022 1,6731E-11
Vzorec 1.2
0,0017 0,00022 3,179E-10
0,0015 0,00022 2,475E-10
0,002 0,00022 4,4E-10
0,0022 0,00022 5,324E-10
0,0018 0,00022 3,564E-10
Vzorec 1.3
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0058 0,00022 3,7004E-09
0,0052 0,00022 2,9744E-09
0,0047 0,00022 2,4299E-09
0,0053 0,00022 3,0899E-09
Vzorec 1.4
0,0082 0,00022 7,3964E-09
0,0085 0,00022 7,9475E-09
0,0093 0,00022 9,5139E-09
0,0078 0,00022 6,6924E-09
0,0082 0,00022 7,3964E-09
Vzorec 1.5
0,009 0,00022 8,91E-09
0,0094 0,00022 9,7196E-09
0,0098 0,00022 1,05644E-08
0,0095 0,00022 9,9275E-09
0,0087 0,00022 8,3259E-09
Vzorec 1.6
0,0148 0,00022 2,40944E-08
0,0152 0,00022 2,54144E-08
0,0144 0,00022 2,28096E-08
0,0155 0,00022 2,64275E-08
0,0143 0,00022 2,24939E-08
85
Drugi vzorec
Tabela 6.7: Asfalt (elektronska komponenta na dnu)
Vzorec Napetost (V) Zmogljivost
kondenzatorja (C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
Vzorec 2.1
0,0192 0,00022 4,05504E-08
0,0195 0,00022 4,18275E-08
0,0193 0,00022 4,09739E-08
0,019 0,00022 3,971E-08
0,0198 0,00022 4,31244E-08
Vzorec 2.2
0,0382 0,00022 1,60516E-07
0,0385 0,00022 1,63048E-07
0,0375 0,00022 1,54688E-07
0,038 0,00022 1,5884E-07
0,0388 0,00022 1,65598E-07
Vzorec 2.3
0,075 0,00022 6,1875E-07
0,08 0,00022 0,000000704
0,0813 0,00022 7,27066E-07
0,0789 0,00022 6,84773E-07
0,0815 0,00022 7,30648E-07
Vzorec 2.4
0,095 0,00022 9,9275E-07
0,098 0,00022 1,05644E-06
0,091 0,00022 9,1091E-07
0,088 0,00022 8,5184E-07
0,096 0,00022 1,01376E-06
Vzorec 2.5
0,0884 0,00022 8,59602E-07
0,0901 0,00022 8,92981E-07
0,0875 0,00022 8,42188E-07
0,0854 0,00022 8,02248E-07
0,0911 0,00022 9,12913E-07
Vzorec 2.6
0,109 0,00022 1,30691E-06
0,1 0,00022 0,0000011
0,112 0,00022 1,37984E-06
0,106 0,00022 1,23596E-06
0,097 0,00022 1,03499E-06
86
Tretji vzorec
Tabela 6.8: Asfalt (elektronska komponenta na površini)
Vzorec Napetost (V) Zmogljivost
kondenzatorja (C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
Vzorec 3.1
0,045 0,00022 2,2275E-07
0,048 0,00022 2,5344E-07
0,044 0,00022 2,1296E-07
0,038 0,00022 1,5884E-07
0,042 0,00022 1,9404E-07
Vzorec 3.2
0,062 0,00022 4,2284E-07
0,058 0,00022 3,7004E-07
0,045 0,00022 2,2275E-07
0,05 0,00022 0,000000275
0,055 0,00022 3,3275E-07
Vzorec 3.3
0,032 0,00022 1,1264E-07
0,035 0,00022 1,3475E-07
0,03 0,00022 0,000000099
0,028 0,00022 8,624E-08
0,025 0,00022 6,875E-08
Vzorec 3.4
0,036 0,00022 1,4256E-07
0,04 0,00022 0,000000176
0,045 0,00022 2,2275E-07
0,044 0,00022 2,1296E-07
0,032 0,00022 1,1264E-07
Vzorec 3.5
0,057 0,00022 3,5739E-07
0,053 0,00022 3,0899E-07
0,043 0,00022 2,0339E-07
0,044 0,00022 2,1296E-07
0,05 0,00022 0,000000275
Vzorec 3.6
0,045 0,00022 2,2275E-07
0,03 0,00022 0,000000099
0,034 0,00022 1,2716E-07
0,035 0,00022 1,3475E-07
0,038 0,00022 1,5884E-07
87
Četrti vzorec
Tabela 6.9: Beton (elektronska komponenta na globini 2 cm)
Vzorec Napetost (V) Zmogljivost
kondenzatorja (C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
Vzorec 4.1
0 0,00022 0
0 0,00022 0
0 0,00022 0
0 0,00022 0
0 0,00022 0
Vzorec 4.2
0 0,00022 0
0 0,00022 0
0 0,00022 0
0 0,00022 0
0 0,00022 0
Vzorec 4.3
0,0015 0,00022 2,475E-10
0,0012 0,00022 1,584E-10
0,0011 0,00022 1,331E-10
0,0018 0,00022 3,564E-10
0,0015 0,00022 2,475E-10
Vzorec 4.4
0,0043 0,00022 2,0339E-09
0,0045 0,00022 2,2275E-09
0,0038 0,00022 1,5884E-09
0,004 0,00022 1,76E-09
0,0035 0,00022 1,3475E-09
Vzorec 4.5
0,0018 0,00022 3,564E-10
0,0021 0,00022 4,851E-10
0,0023 0,00022 5,819E-10
0,0019 0,00022 3,971E-10
0,0022 0,00022 5,324E-10
Vzorec 4.6
0,0051 0,00022 2,8611E-09
0,0054 0,00022 3,2076E-09
0,0047 0,00022 2,4299E-09
0,0043 0,00022 2,0339E-09
0,0055 0,00022 3,3275E-09
88
Peti vzorec
Tabela 6.10: Beton (elektronska komponenta na dnu)
Vzorec Napetost (V) Zmogljivost
kondenzatorja (C) Energija (E)
[V] [F] [J] = [Ws]
Vzorec 5.1
0,0001 0,00022 1,1E-12
0,0001 0,00022 1,1E-12
0,0001 0,00022 1,1E-12
0,0001 0,00022 1,1E-12
0,0001 0,00022 1,1E-12
Vzorec 5.2
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
0,0002 0,00022 4,4E-12
Vzorec 5.3
0,0028 0,00022 8,624E-10
0,0024 0,00022 6,336E-10
0,0026 0,00022 7,436E-10
0,003 0,00022 9,9E-10
0,0021 0,00022 4,851E-10
Vzorec 5.4
0,0035 0,00022 1,3475E-09
0,0037 0,00022 1,5059E-09
0,0034 0,00022 1,2716E-09
0,0031 0,00022 1,0571E-09
0,0026 0,00022 7,436E-10
Vzorec 5.5
0,0022 0,00022 5,324E-10
0,0026 0,00022 7,436E-10
0,0018 0,00022 3,564E-10
0,0015 0,00022 2,475E-10
0,0024 0,00022 6,336E-10
Vzorec 5.6
0,024 0,00022 6,336E-08
0,026 0,00022 7,436E-08
0,021 0,00022 4,851E-08
0,025 0,00022 6,875E-08
0,028 0,00022 8,624E-08
