CN109696117A - 水泥路面内部裂缝监测系统及裂缝宽度、位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水泥路面内部裂缝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压电智能骨料、信号发生器、电荷放大器和示波器；其中，水泥基压电智能骨料埋设在水泥面层底部，每两个相邻水泥基压电智能骨料分别与信号发生器和电荷放大器电连接，示波器与电荷放大器连接，每两个相邻的水泥基压电智能骨料之间可以传播信号波。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监测系统及裂缝宽度、位置确定方法。

背景技术

水泥混凝土路面是我国主要的路面结构之一。在行车荷载，自然环境等因素的共同作用下，水泥混凝土路面会出现不同程度、不同类型的病害，某些病害检测困难，例如反射裂缝、板底脱空等，随着时间的推移，隐蔽病害日趋严重，一经发现则是需要大面积的养护与维修，影响路面的使用性能与服役寿命。因此，有效及时地监测水泥路面的隐蔽病害，对科学采取养护措施维持路面使用性能极为重要。通过定量的监测水泥道路内部裂缝条数和裂缝的宽度，可以为制定针对性的治理措施提供科学的依据，防止轻微损伤进一步发展。

现有路面结构损伤的监测方法主要采用外部评价技术和现场传感技术。外部评价技术用于路面应力、损害及表面功能等检测，包括弯沉、声发射、地探雷达、超声、红外热像与图像技术等。然而，外部评价技术缺乏自发性且具有滞后性，检测过程需要配套大量的人力、设备等，且无法监测路面微损伤及发展过程。

智能材料的出现为水泥路面等工程结构的健康监测及损伤诊断提供了一条有效的途径。在众多的智能材料中，压电陶瓷(简称为PZT)具有传感与驱动一体化的优越特性，为水泥路面健康监测与损伤诊断提供了全新思路。因此，本发明基于该思路提出了一种新的路面内部裂缝确定的方法。

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：

本发明公开的水泥基压电智能骨料，包括水泥基压电材料和导电材料；其中，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，该智能骨料还包括防水层、封装层和用于传输信号的导线；其中，水泥基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，防水层涂覆在该核心的外部，封装层设置在最外层；导线一端与该核心连接，另一端穿过防水层和封装层延伸在外面。

具体的，封装层中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。

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监测系统，该系统包括多个本发明所述的水泥基压电智能骨料、信号发生器、电荷放大器和示波器；其中，水泥基压电智能骨料埋设在水泥面层底部，每两个相邻水泥基压电智能骨料分别与信号发生器和电荷放大器电连接，示波器与电荷放大器连接，每两个相邻的水泥基压电智能骨料之间可以传播信号波。

本发明还公开了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，

式中，w_i表示待监测道路上第i个智能骨料和与之相邻的智能骨料之间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；

表示路面未经加载前，向第i个智能骨料发射第t个信号时，与之相邻的智能骨料的输出信号幅值，mV；表示路面经过加载后，向第i个智能骨料发射第t个信号时，与之相邻的智能骨料的输出信号幅值，mV；t＝1,2,...,n，n表示发射的信号的个数。

具体的，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1～1.5m，并将智能骨料的导线延伸至行车道或者路肩的外部，分别用于与信号发生器和电荷放大器连接；

步骤2：在路面未经加载前，将第i个智能骨料与信号发生器相连，与之相邻的第i+1个智能骨料与电荷放大器相连，通过信号发生器向第i个智能骨料依次发射n个不同幅值的信号，获得第i+1个智能骨料的输出信号幅值，分别为

步骤3：在路面经过多次加载后，将第i个智能骨料与信号发生器相连，与之相邻的第i+1个智能骨料与电荷放大器相连，通过信号发生器向第i个智能骨料依次发射n个不同幅值的信号，获得第i+1个智能骨料的输出信号幅值，分别为

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w_i。

本发明还公开了水泥路面内部裂缝位置确定方法，在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，对路面施加载荷，首先使载荷位于第i个智能骨料的正上方，然后以该位置为起点使载荷沿着行车方向以匀速移动，获得第i个智能骨料产生的电压V_i，绘制V_i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：

本发明将水泥基压电智能骨料埋置于水泥路面内部，利用该智能骨料的传感与驱动一体化的性能发射与接收信号，利用输入信号与输出信号的变化情况来诊断水泥路面的隐蔽裂缝，可以降低路面监测成本；本发明的方法可靠，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。

附图说明

图1是水泥路面内部裂纹监测示意图。

图2是水泥智能骨料示意图。

图3是水泥路面现场钻芯取样图。

图4是实施例中测试到的输出信号。

图5裂缝位置确定方法示意图。

图6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，PZT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)。同时，路面结构损伤会引起路面应变以及电压信号的改变，因此通过解析应变或电压信号随交通荷载的变化规律，根据这一原理，就能实现路面结构损伤的监测与智能诊断。

本发明公开了一种水泥路面用的水泥基压电智能骨料，该智能骨料包括水泥基压电材料和导电材料；其中，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60份，环氧树脂25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。

水泥基压电材料和导电材料形成智能骨料的核心，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，用于保护内部压电材料和导电材料，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：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；优选的，水泥20份、环氧树脂40份、集料20份、矿粉20份。

为了方便与信号发射器等监测设备连接，在该核心上事先连接上导线，导线一端与该核心连接，另一端穿过防水层和封装层延伸在外面。

本发明公开的水泥路面内部裂缝监测系统，包括多个水泥基压电智能骨料、信号发生器、电荷放大器和示波器，如图1所示。

其中，水泥基压电智能骨料呈阵列埋设在水泥面层底部，每两个相邻水泥基压电智能骨料分别与信号发生器和电荷放大器电连接，示波器与电荷放大器连接，每两个相邻的水泥基压电智能骨料之间可以传播信号波。

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，将铜板粘结在沥青基压电材料的圆柱面上，铜板尺寸为直径5～15mm，厚度1～3mm。

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1～1.5m，并将智能骨料的导线延伸至行车道或者路肩的外部，分别用于与信号发生器和电荷放大器连接；

步骤2：在路面未经加载(未通车)前，将第i个智能骨料与信号发生器相连，与之相邻的第i+1个智能骨料与电荷放大器相连，通过信号发生器向第i个智能骨料依次发射n个不同幅值的信号，获得第i+1个智能骨料的输出信号幅值，分别为

步骤3：在路面经过多次加载(一定交通次数)后，将第i个智能骨料与信号发生器相连，与之相邻的第i+1个智能骨料与电荷放大器相连，通过信号发生器向第i个智能骨料依次发射n个不同幅值的信号，获得第i+1个智能骨料的输出信号幅值，分别为

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w_i，

式中，w_i表示待监测道路上第i个智能骨料和与之相邻的智能骨料之间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；

A_t,0表示路面未经加载前，向第i个智能骨料发射第t个信号时，与之相邻的智能骨料的输出信号幅值，mV；A_t,1表示路面经过加载后，向第i个智能骨料发射第t个信号时，与之相邻的智能骨料的输出信号幅值，mV；t＝1,2,...,n，n表示发射的信号的个数。

如果两个相邻智能骨料之间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，一般为1～1.5m左右，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，该确定方法具体为：

首先在待监测路面上设置有上述监测系统；

待判断路面出现裂缝后，对路面施加载荷，一般使用特定载重的手推车来对路面施加载荷；首先使载荷位于第i个智能骨料的正上方，然后以该位置为起点使载荷沿着行车方向以匀速移动，获得第i个智能骨料产生的电压V_i，绘制V_i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

将陶瓷微粉、聚乙烯和水泥按照质量份数分别为60份、25份、15份混合，通过热压形成直径10mm、厚度2mm的圆柱体，该圆柱体即为沥青压电材料。其中，热压条件如下：温度130℃、压力14MPa、时间2min；然后对该沥青基压电材料进行极化处理，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，外边涂抹硅胶防水层。

将20份水泥、40份环氧树脂、20份集料和20份矿粉拌合而成封装液。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

将实施例1制备的压电智能骨料以1～1.5米的间隔均匀埋设在水泥面层底部，将智能骨料的导线延伸至行车道或者路肩的外部，如图1所示。每两个相邻电智能骨料分别与信号发生器和电荷放大器电连接，示波器与电荷放大器连接，形成路面内部裂缝的监测系统。

实施例3

(1)未通车时信号测量

未通车时，利用信号发生器对水泥基压电智能骨料发射不同幅值的正弦波信号，与之相邻的智能骨料与电荷放大器相连，传输信号至示波器，测试输出信号的幅值，结果如表1所示。

表1：未通车时输出信号幅值

(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)，利用信号发生器对水泥基压电智能骨料发射不同幅值的正弦波信号(与未通车时的一致)，与之相邻的智能骨料与电荷放大器相连，传输信号至示波器，测试输出信号的幅值，结果如表2所示。

表2：通车1年输出信号幅值

采用式(1)计算路面内部裂缝宽度w＝1.16mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为1.21mm。与计算结果相比，绝对误差为-0.05mm，相对误差为3.8％。

并通过本发明的裂缝位置确定方法确定该裂缝的位置，将特定载重的手推车退至智能骨料i正上方，沿行车方向以一定速度匀速在道路上移动，如图5所示，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)，利用信号发生器对水泥基压电智能骨料发射不同幅值的正弦波信号(与未通车时的一致)，与之相邻的智能骨料与电荷放大器相连，传输信号至示波器，测试输出信号的幅值，结果如表3所示。

表3：通车1.5年输出信号幅值

采用式(1)计算该处的路面内部裂缝宽度w＝2.36mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为2.44mm。与计算结果相比，绝对误差为-0.08mm，相对误差为3.2％。

(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)，利用信号发生器对水泥基压电智能骨料发射不同幅值的正弦波信号(与未通车时的一致)，与之相邻的智能骨料与电荷放大器相连，传输信号至示波器，测试输出信号的幅值，结果如表4所示。

表4：通车2年输出信号幅值

采用式(1)计算该处的路面内部裂缝宽度w＝3.58mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为3.71mm。与计算结果相比，绝对误差为-0.13mm，相对误差为3.5％。

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，说明本发明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 (8)

1.水泥基压电智能骨料，其特征在于，包括水泥基压电材料和导电材料；其中，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。

2.如权利要求1所述的水泥基压电智能骨料，其特征在于，该智能骨料还包括防水层、封装层和用于传输信号的导线；其中，水泥基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，防水层涂覆在该核心的外部，封装层设置在最外层；导线一端与该核心连接，另一端穿过防水层和封装层延伸在外面。

3.如权利要求2所述的水泥基压电智能骨料，其特征在于，封装层中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。

4.如权利要求2所述的水泥基压电智能骨料，其特征在于，所述的防水层材质为硅胶或聚氨酯树胶。

5.水泥路面内部裂缝监测系统，其特征在于，该系统包括权利要求1至4任一项所述的水泥基压电智能骨料、信号发生器、电荷放大器和示波器；其中，水泥基压电智能骨料埋设在水泥面层底部，每两个相邻水泥基压电智能骨料分别与信号发生器和电荷放大器电连接，示波器与电荷放大器连接，每两个相邻的水泥基压电智能骨料之间可以传播信号波。

6.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权利要求5所述的监测系统，该道路的裂缝宽度通过式(1)来确定，

式中，w_i表示待监测道路上第i个智能骨料和与之相邻的智能骨料之间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；

表示路面未经加载前，向第i个智能骨料发射第t个信号时，与之相邻的智能骨料的输出信号幅值，mV；表示路面经过加载后，向第i个智能骨料发射第t个信号时，与之相邻的智能骨料的输出信号幅值，mV；t＝1,2,...,n，n表示发射的信号的个数。

7.如权利要求6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1～1.5m，并将智能骨料的导线延伸至行车道或者路肩的外部，分别用于与信号发生器和电荷放大器连接；

步骤2：在路面未经加载前，将第i个智能骨料与信号发生器相连，与之相邻的第i+1个智能骨料与电荷放大器相连，通过信号发生器向第i个智能骨料依次发射n个不同幅值的信号，获得第i+1个智能骨料的输出信号幅值，分别为

步骤3：在路面经过多次加载后，将第i个智能骨料与信号发生器相连，与之相邻的第i+1个智能骨料与电荷放大器相连，通过信号发生器向第i个智能骨料依次发射n个不同幅值的信号，获得第i+1个智能骨料的输出信号幅值，分别为

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w_i。

8.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权利要求5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，对路面施加载荷，首先使载荷位于第i个智能骨料的正上方，然后以该位置为起点使载荷沿着行车方向以匀速移动，获得第i个智能骨料产生的电压V_i，绘制V_i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。