CN109696115B - 水泥路面内部裂缝无线监测系统及裂缝宽度、位置确定方法 - Google Patents

水泥路面内部裂缝无线监测系统及裂缝宽度、位置确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水泥路面内部裂缝无线监测系统及裂缝宽度、位置确定方法，该系统包括多个水泥基无线压电智能骨料与无线信号接收器；其中，水泥基无线压电智能骨料埋设在水泥面层底部，无线信号接收器置于路表。利用路面加载前后输出信号幅值的变化确定路面内部的裂缝宽度，并基于该系统确定裂缝的具体位置。本发明的方法可以降低路面监测成本，可靠，简便快速，适合大规模推广应用；而且获得的裂缝尺寸和位置准确性高。

Description

水泥路面内部裂缝无线监测系统及裂缝宽度、位置确定方法
技术领域
本发明属于水泥路面健康监测技术领域，具体涉及水泥路面内部裂缝无线监测系统及其裂缝宽度、位置确定方法。
背景技术
高速公路的发展带给人们方便的同时，也带来了新的问题：公路养护与管理。水泥路面作为交通运输工程中主要的基础设施之一，其使用性能对行车舒适及安全性有直接影响。然而，环境因素与行车荷载的循环作用下，路面会出现裂缝、坑槽等病害，这些病害给交通安全带来了隐患，因此，及时并且有效的路面破损检测成为公路养护中的重要问题，路面裂缝监测就是其中的关键部分。
现有路面裂缝监测主要为外部检测技术，包括弯沉、声发射、地探雷达、超声、红外热像与图像技术等，但外部检测技术缺乏自发性且具有滞后性，需要配套的人力、设备资源较大，且检测位置多位于表面，对于自下而上的隐蔽裂缝检测较为困难。
随着智能材料的出现，采用智能监测系统对基础设置实施健康监测已成为世界范围内土木领域的前沿研究方向。在众多的智能材料中，压电陶瓷(简称为PZT)由于具有较好的力学性能和稳定的压电性能，为路面裂缝监测提供了一条新的思路。根据这一原理，本发明提出了一种可实现水泥路面裂缝的诊断与健康监测方法和系统。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种水泥路面内部裂缝无线监测系统及其裂缝宽度、位置确定方法，解决现有的监测方法缺乏自主性和滞后性、且无法监测路面内部微损伤的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
本发明公开了一种水泥基无线压电智能骨料，包括水泥基压电材料、导电材料、压电换能器和无线信号发射器；其中，水泥基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器电连接，无线信号发射器与压电换能器电连接；
水泥基压电材料包括以下质量份数的原料：50～60份陶瓷微粉、25～35份环氧树脂和15～25份水泥，总质量份数为100份。
具体的，所述的无线压电智能骨料的外部还包裹有防水层和封装层，防水层涂覆在所述的核心的外部，封装层设置在最外层。
具体的，所述的封装层材料包括以下质量份数的原料：15～35份水泥、30～40份环氧树脂、10～20份集料和15～25份矿粉，总质量份数为100份。
具体的，所述的防水层材质为硅胶或聚氨酯树胶。
本发明还公开水泥路面内部裂缝无线监测系统，该系统包括权利要求1至4任一项所述的水泥基无线压电智能骨料、无线信号接收器；其中，水泥基无线压电智能骨料埋设在水泥面层底部，水泥压电智能骨料与无线信号接收器之间可以传播无线电信号。
本发明还公开水泥路面内部裂缝宽度确定方法，在待监测道路上设置有本发明所述的监测系统，该道路的裂缝宽度通过式(1)来确定，
Figure BDA0001952893620000031
式中，wi表示待监测道路上第i个无线智能骨料检测的其周围路面内部的裂缝宽度，单位为mm，i＝1,2,...,m，m为待监测道路上的智能骨料的个数；
Cf为压电换能器反馈电容，单位为pF；
Figure BDA0001952893620000032
为第i个智能骨料第t次输出信号时候路面载荷距离第i个智能骨料的距离，单位为m；
Sp为水泥基压电材料的厚度，单位为mm；
d33为水泥基压电材料的压电常数，单位为pC/N；
C为水泥基压电材料的弹性刚度，N/m2；
Figure BDA0001952893620000033
表示路面未经加载前，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV，t＝1,2,...,n，n表示第i个智能骨料发出的信号的个数；
Figure BDA0001952893620000034
表示路面经过加载后，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV。
具体的，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：将智能骨料等间距均匀埋置在水泥路面底部，两相邻骨料之间间隔为0.7～1.2m，每个智能骨料能够检测到其周围1.2m范围内的裂缝；
步骤2：在路面未经加载前，获取第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值
Figure BDA0001952893620000035
步骤3：在路面经过多次加载后，获取第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值
Figure BDA0001952893620000036
步骤4：利用公式(1)计算第i个智能骨料周围的裂缝宽度wi。
本发明还公开了水泥路面内部裂缝位置确定方法，待监测路面上设置有本发明所述的监测系统，该确定方法具体包括：
待判断路面出现裂缝后，对路面施加载荷，使载荷沿着行车方向以匀速移动经过第i个智能骨料的正上方，通过路面下方的无线信号发射器发射第i个骨料的产生的电压信号Vi，并通过无线信号接收器接收电信号，绘制Vi随载荷移动距离S的变化曲线，曲线出现突变处即为裂缝位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将制备成无线智能骨料埋置于水泥路面内部，利用其压电效应发射与接收信号；同时本发明利用压电换能器可将机械能转换为电能提供长期监测的条件，无线传感技术让监测更为的方便快捷，根据接收的信号来诊断水泥路面内部隐蔽裂缝的位置及尺寸，对降低路面监测成本、推动智能交通建设具有重要意义；本发明的方法可靠，简便快速，适合大规模推广应用。
附图说明
图1是水泥路面内部裂纹监测示意图。
图2是无线智能骨料示意图。
图3是水泥路面现场钻芯取样图。
图4是实施例中裂缝测试到的无线接收信号。
图5是完整路面与损伤路面推进距离与信号幅值的变化曲线。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明将压电陶瓷(PZT)以“智能骨料”的方式埋置于水泥路面内部，压电传感器在行车荷载作用下与路面产生协同变形，其核心材料内部的正负电荷中心发生相对位移出现异号极化电荷，进而产生电势差(电压)。路面结构损伤会引起传感器产生的电压信号发生改变，因此通过解析电压信号随路面裂缝尺寸及位置的变化规律，就能实现对路面结构损伤的监测与智能诊断。在发明通过在压电材料两端连接压电换能器获取电能，可为压电智能骨料实时充电；将无线系统连接，可实现无线传输电信号，高效快速的定位并量测裂缝。
本发明公开了一种水泥基无线压电智能骨料，该智能骨料包括水泥基压电材料、导电材料与压电换能器，并通过防水层和封装层将压电模块包裹在内，防水层涂覆在核心的外部，封装层设置在最外层。
在使用过程中，通过无线信号接收器接受无线信号发射器发射的电信号，其中，无线信号发射器、无线信号接收器组成无线传感模块。
水泥基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器通过导线连接在核心表面的两侧，无线信号发射器与压电换能器电连接。
水泥基压电材料包括以下质量份数的原料：50～60份陶瓷微粉、25～35份环氧树脂和15～25份水泥，总质量份数为100份。优选的，陶瓷微粉为55份，环氧树脂30份，水泥15份。水泥基压电材料制备的热压条件如下：温度120～140℃、压力13～15MPa、时间1.5～2min；极化条件为：极化电场强度2～3kV/mm，极化温度110～130℃，极化时间15～17min。
导电材料可选铜、铁或铝等金属材料，实验发现铁板的导电性能较差，铝板对信号的干扰较大，因此本发明优选铜材料。
为了防止外部环境对该核心的影响，一般在该核心的外部包裹有防水层和封装层，用于保护内部材料，有效防止路面载荷对智能骨料的损伤。其中，防水层材质为硅胶或聚氨酯树胶，优选硅胶防水层。封装层中包括以下质量份数的原料：15～35份水泥、30～40份环氧树脂、10～20份集料和15～25份矿粉，总质量份数为100份；优选的，水泥200份、环氧树脂40份、集料20份、矿粉20份。
基于智能骨料的性能，本发明公开了一种水泥路面内部裂缝监测系统，该系统中包括多个本发明公开的水泥基无线压电智能骨料无线信号接收器；其中，水泥基无线压电智能骨料埋设在水泥面层底部，水泥压电智能骨料与无线信号接收器之间可以传播无线电信号；如图1所示。
一般，如图2所示，将水泥基压电材料压制成直径为5～15mm、高度为2～5mm的圆柱体。导电材料优选为铜板，将铜板粘结在水泥基压电材料的圆柱面上，铜板尺寸为直径5～15mm，厚度1～3mm。在粘结材料上下表面分别导线压电换能器，压电换能器与无线信号发射器导线连接。
如图3所示，用封装材料对内部进行封装固化，制备成直径10～20mm、高度8～15mm的水泥基无线压电智能骨料。
基于上述监测系统，本发明的还提供了水泥路面内部裂缝宽度确定方法，待监测道路上设置有本发明的监测系统，具体的确定方法包括以下步骤：
步骤1：将智能骨料等间距均匀埋置在水泥路面底部，两相邻骨料之间间隔为0.7～1.2；每个智能骨料能够检测到其周围1.2m范围内的裂缝；
步骤2：在路面未经加载前，将特定载重(如100kg)的推车匀速沿着行车方向以一定速度推行经过第i个智能骨料的正上方，在推车作用下，第i个智能骨料会产生压电效应，采用无线信号发射器发射第i个骨料的信号幅值，并采用无线信号接收器接收电信号，得到第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值
Figure BDA0001952893620000061
步骤3：在路面经过多次加载后，按照步骤2，将特定载重(100kg)的推车匀速沿着行车方向以一定速度推行经过智能骨料的正上方，采用无线信号发射器发射第i个骨料的信号幅值，并采用无线信号接收器接收电信号，得到第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值
Figure BDA0001952893620000071
步骤4：利用公式(1)计算两个相邻智能骨料之间的裂缝宽度wi，
Figure BDA0001952893620000072
式中，wi表示待监测道路上第i个无线智能骨料检测的其周围路面内部的裂缝宽度，单位为mm，i＝1,2,...,m，m为待监测道路上的智能骨料的个数；
Cf为压电换能器反馈电容，单位为pF；
Figure BDA0001952893620000073
为第i个智能骨料第t次输出信号时路面载荷距离第i个智能骨料的距离，单位为m；
Sp为水泥基压电材料的厚度，单位为mm；
d33为水泥基压电材料的压电常数，单位为pC/N；
C为水泥基压电材料的弹性刚度，N/m2；
Figure BDA0001952893620000074
表示路面未经加载前，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV，t＝1,2,...,n，n表示第i个智能骨料发出的信号的个数；
Figure BDA0001952893620000075
表示路面经过加载后，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV。
如果一个智能骨料的周围同时存在两条及以上裂缝的话，公式(1)计算的就是两条裂缝的宽度和，由于相邻智能骨料之间的距离比较小，因此该裂缝宽度值是可以表征道路情况的。
本发明还公开了水泥路面内部裂缝位置确定方法，待监测路面上设置有本发明所述的监测系统，该确定方法具体为：
待判断路面出现裂缝后，使用特定载重的手推车来对路面施加载荷，将手推车匀速沿着行车方向以一定速度推行经过第i智能骨料的正上方，采用无线信号接收器接收第i个智能骨料产生的信号Vi，绘制Vi随载荷移动距离S的变化曲线，曲线出现突变处即为裂缝位置。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
将55份陶瓷微粉、30份环氧树脂和15份水泥基混合，通过热压形成直径10mm、厚度2mm的圆柱体，即制备成水泥基压电材料。其中，热压条件如下：温度130℃、压力14MPa、时间2min；极化条件为：极化电场强度2.5kV/mm，极化温度120℃，极化时间15min；该水泥基压电材料与直径15mm、厚度3mm的铜板通过导电胶粘结为一体，上下表面分别用两根导线连接压电换能器，换能器与无线信号发射器导线连接；外边涂抹硅胶防水层。
将20份水泥、40份环氧树脂、20份集料、20份矿粉合而成封装液。在防水层外部涂抹封装液将其封装固化为直径20mm、厚度10mm的压电智能骨料。
实施例2
本实施例公开了一种水泥路面内部裂缝的监测系统，该监测系统包括实施例1的无线压电智能骨料与无线信号接收器。将水泥基无线智能骨料以0.7～1.2米的间隔均匀埋设在水泥面层底部，如图1所示。水泥压电智能骨料与无线信号接收器之间可以传播无线电信号。
实施例3
使用实施例2的监测系统对路面裂缝进行监测：
(1)未通车时信号测量
未通车时，将特定载重(100kg)的推车匀速沿着行车方向以一定速度推行经过智能骨料的正上方，在推车作用下，第i个智能骨料会产生压电效应，采用无线传感模块接收第i个骨料的信号幅值Vi，结果如表1所示。
表1：未通车时输出信号幅值
Figure BDA0001952893620000091
(2)通车1年信号测量
通车1年后(年平均日交通量为4000辆/日)，将特定载重(100kg)的推车匀速沿着行车方向以一定速度推行经过智能骨料的正上方，在推车作用下，第i个智能骨料会产生压电效应，采用无线传感模块接收第i个骨料的信号幅值Vi，结果如表2所示。
表2：通车1年后输出信号幅值
Figure BDA0001952893620000092
Figure BDA0001952893620000101
采用式(1)计算路面内部裂缝宽度w＝1.83mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为1.76mm。与计算结果相比，绝对误差为0.07mm，相对误差为4.0％。
并通过本发明的裂缝位置确定方法确定该裂缝的位置，通车后的Vi随推行距离S的变化曲线，如图5所示。并在前期未通车时绘制未通车时的Vi随推行距离S的变化曲线，实时记录智能骨料信号幅值，在裂缝处信号幅值发生突变，与完整路面输出信号曲线转折处即为裂缝处。
(3)通车1.5年信号测量
通车1.5年后(年平均日交通量为4000辆/日)，将特定载重(100kg)的推车匀速沿着行车方向以一定速度推行经过智能骨料的正上方，在推车作用下，第i个智能骨料会产生压电效应，采用无线传感模块接收第i个骨料的信号幅值Vi，结果如表3所示。
表3：通车1.5年输出信号幅值
Figure BDA0001952893620000102
采用式(1)计算路面内部裂缝宽度w＝2.48mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为2.37mm。与计算结果相比，绝对误差为0.11mm，相对误差为4.6％。
(4)通车2年信号测量
通车2年后(年平均日交通量为4000辆/日)，将特定载重(100kg)的推车匀速沿着行车方向以一定速度推行经过智能骨料的正上方，在推车作用下，第i个智能骨料会产生压电效应，采用无线传感模块接收第i个骨料的信号幅值Vi，结果如表4所示。
表4：通车2年输出信号幅值
Figure BDA0001952893620000111
采用式(1)计算路面内部裂缝宽度w＝3.0mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为2.87mm。与计算结果相比，绝对误差为0.13mm，相对误差为4.5％。
一般相对误差值在10％以内说明该指标具有较好的准确性和稳定性，说明此方法在计算裂缝尺寸有可信度，相对误差越小越准确。从上述误差结果可以看出，本发明方法的相对误差值均在5％以内，而目前的裂缝检测方法的相对误差在10％以内，说明本发明的方法测定裂缝宽度具有较高的准确度。

Claims (9)

1.水泥路面内部裂缝宽度确定方法，其特征在于，在待监测道路上设置有无线监测系统，所述的无线监测系统包括水泥基无线压电智能骨料与无线信号接收器；其中，水泥基无线压电智能骨料埋设在水泥面层底部，水泥基无线压电智能骨料与无线信号接收器之间传播无线电信号；
所述的水泥基无线压电智能骨料包括水泥基压电材料、导电材料、压电换能器和无线信号发射器；其中，水泥基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器电连接，无线信号发射器与压电换能器电连接；
水泥基压电材料包括以下质量份数的原料：50～60份陶瓷微粉、25～35份环氧树脂和15～25份水泥，总质量份数为100份；
该道路的裂缝宽度通过式(1)来确定，
Figure FDA0002411440030000011
式中，wi表示待监测道路上第i个无线智能骨料检测的其周围路面内部的裂缝宽度，单位为mm，i＝1,2,...,m，m为待监测道路上的无线智能骨料的个数；
Cf为压电换能器反馈电容，单位为pF；
Figure FDA0002411440030000012
为第i个智能骨料第t次输出信号时路面载荷距离第i个智能骨料的距离，单位为m；
Sp为水泥基压电材料的厚度，单位为mm；
d33为水泥基压电材料的压电常数，单位为pC/N；
C为水泥基压电材料的弹性刚度，N/m2；
Figure FDA0002411440030000021
表示路面未经加载前，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV，t＝1,2,...,n，n表示第i个智能骨料发出的信号的个数；
Figure FDA0002411440030000022
表示路面经过加载后，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV。
2.如权利要求1所述的水泥路面内部裂缝宽度确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：将智能骨料等间距均匀埋置在水泥路面底部，两相邻骨料之间间隔为0.7～1.2m，每个智能骨料能够检测到其周围1.2m范围内的裂缝；
步骤2：在路面未经加载前，获取第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值
Figure FDA0002411440030000023
步骤3：在路面经过多次加载后，获取第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值
Figure FDA0002411440030000024
步骤4：利用公式(1)计算第i个智能骨料周围的裂缝宽度wi。
3.如权利要求1所述的水泥路面内部裂缝宽度确定方法，其特征在于，所述的无线压电智能骨料的外部还包裹有防水层和封装层，防水层涂覆在所述的核心的外部，封装层设置在最外层。
4.如权利要求3所述的水泥路面内部裂缝宽度确定方法，其特征在于，所述的封装层材料包括以下质量份数的原料：10～30份水泥、30～40份环氧树脂、10～20份集料和15～25份矿粉，总质量份数为100份。
5.如权利要求3所述的水泥路面内部裂缝宽度确定方法，其特征在于，所述的防水层材质为硅胶或聚氨酯树胶。
6.水泥路面内部裂缝位置确定方法，其特征在于，待监测路面上设置有无线监测系统，所述的无线监测系统包括水泥基无线压电智能骨料与无线信号接收器；其中，水泥基无线压电智能骨料埋设在水泥面层底部，水泥基无线压电智能骨料与无线信号接收器之间传播无线电信号；
所述的水泥基无线压电智能骨料包括水泥基压电材料、导电材料、压电换能器和无线信号发射器；其中，水泥基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器电连接，无线信号发射器与压电换能器电连接；
水泥基压电材料包括以下质量份数的原料：50～60份陶瓷微粉、25～35份环氧树脂和15～25份水泥，总质量份数为100份；
该确定方法具体包括：
待判断路面出现裂缝后，对路面施加载荷，使载荷沿着行车方向以匀速移动经过第i个智能骨料的正上方，通过路面下方的无线信号发射器发射第i个骨料的产生的电压信号Vi，并通过无线信号接收器接收电信号，绘制Vi随载荷移动距离S的变化曲线，曲线出现突变处即为裂缝位置。
7.如权利要求6所述的水泥路面内部裂缝位置确定方法，其特征在于，所述的无线压电智能骨料的外部还包裹有防水层和封装层，防水层涂覆在所述的核心的外部，封装层设置在最外层。
8.如权利要求7所述的水泥路面内部裂缝宽度确定方法，其特征在于，所述的封装层材料包括以下质量份数的原料：10～30份水泥、30～40份环氧树脂、10～20份集料和15～25份矿粉，总质量份数为100份。
9.如权利要求7所述的水泥路面内部裂缝宽度确定方法，其特征在于，所述的防水层材质为硅胶或聚氨酯树胶。
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