一种传感型塑料土工格栅的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种传感型塑料土工格栅的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)选用高密度聚乙烯为基材，以添加超导电炭黑的导电母粒为填料，制作导电复合材料；步骤(2)在室内进行导电复合材料的拉伸试验，测定复合材料的变形与电阻变化间的关系；步骤(3)利用导电复合材料的制备传感型格栅；步骤(4)确定传感型格栅的网型，即在传感型格栅平行的主筋列上添加规则的六边形辅筋。该类型土工格栅利用导电塑料的拉敏特性，通过测试格栅本身的电阻来获得其自身的变形信息，无需在土体内部埋入传感器，避免了因为外部传感器的植入而引起的变形测试精度下降以及传感器耐久性不满足要求的现象。
【专利说明】一种传感型塑料土工格栅的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提出了一种添加超导电炭黑的传感型塑料土工格栅的制备方法，属于土木工程领域。
【背景技术】
[0002]加筋土结构系列产品以其经济、美观、抗震、耐久和易于施工等优点，在道路工程、水利工程、矿山工程中得到广泛应用，土工合成材料的开发与使用已有几十年的历史，高性能的原料赋予土工产品高的强度与耐用性，同时研究表明，在工程中使用土工合成材料约需要增加原投资的1%?2%，而在同等设计标准下，可降低20%?40%的工程造价，经济效益十分显著，土工格栅是加筋土结构系列产品的典型代表。然而，目前的土工格栅产品只是起到单一的加筋效果，无法对加固体的变形信息进行检测，如若检测则需另采用其他设备，增加了检测的难度和成本。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术存在的问题，本发明基于机敏导电塑料的拉敏效应，提出一种添加超导电炭黑的传感型塑料土工格栅的制备方法。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]一种传感型塑料土工格栅的制备方法，包括以下步骤:
[0006]步骤⑴选用高密度聚乙烯为基材，以添加超导电炭黑的导电母粒为填料，制作导电复合材料；
[0007]步骤(2)在室内进行导电复合材料的拉伸试验，测定复合材料的变形与电阻变化间的关系；
[0008]步骤(3)利用步骤(I)得到导电复合材料的制备传感型格栅；其中在机头的模具在进行编网时，中筒不旋转，内筒绕其定位轴旋转180度，外筒按照与内轴旋转方向相反的方向绕其定位轴也旋转180度，按照此规律内筒外筒不断往复运动；
[0009]步骤(4)确定传感型格栅的网型，即在传感型格栅平行的主筋列上添加规则的六边形辅筋。
[0010]所述的步骤(I)中导电复合材料的制备过程如下:
[0011]选用高密度聚乙烯为基材，以添加超导电炭黑的导电母粒为填料，以导电母粒占混合料质量分数为40%?60%的范围内将二者熔融混合，经多次混合塑化挤出后冷却造粒，得到导电复合材料。
[0012]所述的步骤(2)中复合材料的变形与电阻变化间的关系如下:
[0013]在室内进行导电复合材料的拉伸试验，测定复合材料的变形与电阻变化间的关系，可以得出二者间的函数关系:Ω/Ω。= F( ε )，其中Ω/Ω。叫做归一化电阻率，ε为应变值。
[0014]所述的步骤(3)制备传感型格栅的工艺过程如下:
[0015](3-1)将高密度聚乙烯和导电母粒按所定的配比搅拌混合均匀，倒入料斗中。
[0016](3-2)通过吸料机将混合料吸入注塑机中，经过熔融加热后，将熔融态的混合结合料注入机头的模具中，进行编网。
[0017](3-3)将生产出的格栅送入冷却池中冷却，定型，通过牵引设备牵引成卷。
[0018]本发明的有益效果如下:
[0019]首先，本发明提出的传感型塑料土工格栅的制备方法，该类型土工格栅利用导电塑料的拉敏特性，通过测试格栅本身的电阻来获得其自身的变形信息，无需在土体内部埋入传感器，避免了因为外部传感器的植入而引起的变形测试精度下降以及传感器耐久性不满足要求的现象，特别适用于全寿命周期内土工结构的变形监测与安全预警。
[0020]其次，现有格栅生产技术中，格栅网型会因辅筋的形状不规则而导致整个网型不齐整，影响格栅使用性能，因此需要改进编网定型工艺，提高格栅性能。现将工厂中模具的编网工艺加以改进:将常规格栅的内外筒反向圆周旋转编网方式改进为内外筒反向定位旋转，如图3所示。改进工艺后制备出的格栅较之常规生产出的格栅网型齐整，规律，使得格栅的传感性能更为精确。
[0021]另外，在现有格栅网型中，格栅网型会因辅筋的形状不规则而导致整个网型不齐整，影响格栅使用性能，如采用常规的单向、双向土工格栅经拉伸后定网则会使复合材料的原有变形-电阻关系函数产生变化，无法准确标定二者关系，因此没有合适的网型。为解决这个问题，根据蜂巢仿生学原理经优化设计，拟采用一种新型网型，即在平行的主筋列上添加规则的六边形辅筋，由于将作为蜂巢基本单元的六边形引入网格设计中，使得格栅的抗变形能力和自身稳定性大大增强。通过之前提到的模具工艺改进，可使这种新型网型的传感性能更高。新型网型如图4所示。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1导电聚合物渗滤现象示意图；
[0023]图2格栅制备流程图；
[0024]图3(1)模具编网的常规工艺；
[0025]图3 (2)模具编网的改进工艺；
[0026]图4网型结构图；
[0027]图5归一化电阻率与应变关系；
[0028]图6归一化电阻率与应变关系；
[0029]图中:I外筒，2中筒，3内筒，4内筒定位轴，5外筒定位轴，6辅筋，7主筋。
【具体实施方式】
[0030]本发明的制作原理如下:
[0031](I)导电高分子材料目前已在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和器件，以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术等领域得到了广泛应用，填充复合型导电高分子材料是应用最广泛的导电复合材料，它是在基体聚合物中加入炭黑、碳纤维、石墨、碳纳米管等导电填料复合而成。导电复合材料的导电行为一般呈现典型的渗滤现象，如图1所示。当填料含量增加到某一阈值时，在某一区域内复合材料电阻率急剧下降，这一区域被称为渗滤区域。机敏材料具有感知和驱动功能，某些导电高分子复合材料也具有机敏性，经过特殊设计后表现出一些特殊效应，如拉敏效应。拉敏效应是在外部拉力作用下导电性发生转变的过程(低阻一高阻)。拉敏效应的出现是由于当复合材料变形超过某临界值时，导电通路被部分破坏而成高阻态。
[0032](2)在实际应用中可通过电阻率的变化来确定材料的各性能指标的变化规律，当以添加超导电炭黑的导电聚合物为原料制备的传感型土工格栅受到外力作用时，受力处的电阻率发生显著变化，通过选取电阻率变化最明显时的导电聚合物原料(即特定的最佳填料含量原料)，进行传感型塑料土工格栅的制备。
[0033]本发明的传感型塑料土工格栅的制备方法，步骤如下:
[0034](I)超导电炭黑填量的确定
[0035]为得到所需的复合材料，在室内以试验的方式进行复合材料的研制，选用高密度聚乙烯为基材，以添加超导电炭黑的导电母粒为填料，以导电母粒占混合料质量分数为40%?60%的范围内将二者熔融混合,经塑化挤出后冷却造粒,得到导电复合材料,为保证复合材料的均匀性，将其进行多次混合塑化挤出、造粒，得到所需复合材料后进行使用。
[0036](2)机敏聚合物变形-电阻关系标定
[0037]在室内进行导电复合材料的拉伸试验，测定复合材料的变形与电阻变化间的关系，可以得出二者间的函数关系4/^0 = ?“)，其中Ω/Ω0叫做归一化电阻率，ε为应变值。
[0038](3)传感型格栅的制备方法
[0039]以导电高密度聚乙烯复合材料(超导电炭黑为导电填料)为原料，选择质量分数为40%?60%导电母粒填料含量的复合材料进行格栅制备。在土工格栅生产工厂利用土工格栅生产设备经塑化挤出、编网定型等工艺进行批量生产，具体生产流程如图2。现有格栅生产技术中，格栅网型会因辅筋的形状不规则而导致整个网型不齐整，影响格栅使用性能，因此需要改进编网定型工艺，提高格栅性能。现将工厂中模具的编网工艺加以改进:将常规格栅的内外筒反向圆周旋转编网方式改进为内筒、外筒反向定位旋转，如图3所示，机头模具包括内筒3、中筒2和外筒1，工作时，所述的中筒2不旋转，内筒3绕内筒定位轴4旋转180度，外筒I按照与内轴旋转方向相反的方向绕外筒定位轴5也旋转180度，如此往复。改进工艺后制备出的格栅较之常规生产出的格栅网型齐整，规律，使得格栅的传感性能更为精确。
[0040](4)确定网型
[0041]在现有格栅网型中，格栅网型会因辅筋的形状不规则而导致整个网型不齐整，影响格栅使用性能，如采用常规的单向、双向土工格栅经拉伸后定网则会使复合材料的原有变形-电阻关系函数产生变化，无法准确标定二者关系，因此没有合适的网型。为解决这个问题，根据蜂巢仿生学原理经优化设计，拟采用一种新型网型，即在平行的主筋7列上添加规则的六边形辅筋6，由于将作为蜂巢基本单元的六边形引入网格设计中，使得格栅的抗变形能力和自身稳定性大大增强。通过之前提到的模具工艺改进，可使这种新型网型的传感性能更高。新型网型如图4所示。
[0042]本发明的具体应用如下；
[0043]在需要加筋结构的工程中均可使用该类型智能塑料土工格栅，如修建公路、铁路以及江河湖海岸边的加筋挡土墙、堤坝、桥面、陡坡、矿山工程等防护工程。
[0044]实例一:道路用传感型塑料土工格栅的制备
[0045]道路工程中，土工格栅主要用于加固土体、防止沉降，为制备适用于道路的传感型塑料土工格栅，选取填料比例为45%的导电复合材料(其归一化电阻率与应变关系式为
= °.098^ + 1.024如图5所示)，该比例复合材料的制作过程如下:按质量比例将基材
HDPE和超导电炭黑母粒配好、混合；将二者的混合物经挤出机熔融挤出，冷却后造粒，得到高密度聚乙烯复合材料，为保证复合材料中炭黑的均匀性，将造好的复合材料颗粒重新熔融再造粒，再造粒过程重复2次，即可得到均匀性良好的复合材料。将以炭黑为填料的高密度聚乙烯复合材料利用土工格栅生产设备经塑化挤出、编网定型等工艺生产制成传感型土工格栅。将该类型传感型塑料土工格栅铺设在路基中，不仅可以通过格栅网孔与土体之间的咬合和互锁作用，构成一个高效的应力传递机构，使局部载荷能迅速有效地扩散到大面积的土体中去，降低局部破坏应力，还能通过受力变形后的阻值变化进行定位检测，为预养护和加固提供科学依据，既保证了工程安全，又减少了全寿命周期的工程成本。
[0046]实例二:矿山用传感型塑料土工格栅的制备
[0047]在矿山生产作业时，巷道的稳定坚固是安全生产的保证，为加固巷道，通常采用埋挂土工格栅的方法，这样不仅提高了巷道的坚固性，也能降低施工成本。但即便如此，由于围压等因素的作用，依然会使巷道壁变形破坏，甚至垮塌，造成生命财产损失，若采用专用设备定期检测，则耗时费力，且操作不便。现可采用铺设传感型土工格栅的方式解决以上问题。选用填料质量比例为48%的复合导电高密度聚乙烯复合材料(炭黑为导电填料)为
Ω _￡' + 0.096
原料(其归一化电阻率与应变关系式为Ω() — 0.153+ 2.316U+ 0.096)-0,188("+ 0.096)2.如图6所示)，复合材料的制作过程及要求同实例一。将该类型智能土工格栅挂设在巷道中，不仅可以加固巷道，有效防止岩块或煤块的掉落，还能通过传感型土工格栅受力变形后的阻值变化进行定位检测，从而为预测矿压并制定相应的加固措施提供第一手资料，可以防止工程事故发生，减少生命财广损失。
【权利要求】
1.一种传感型塑料土工格栅的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤(I)选用高密度聚乙烯为基材，以添加超导电炭黑的导电母粒为填料，制作导电复合材料； 步骤(2)在室内进行导电复合材料的拉伸试验，测定复合材料的变形与电阻变化间的关系; 步骤(3)利用步骤(I)得到导电复合材料的制备传感型格栅；其中在机头的模具在进行编网时，中筒不旋转，内筒绕其定位轴旋转180度，外筒按照与内轴旋转方向相反的方向绕其定位轴也旋转180度，按照此规律内筒外筒不断往复运动； 步骤(4)确定传感型格栅的网型，即在传感型格栅平行的主筋列上添加规则的六边形辅筋。
2.如权利要求1所述的传感型塑料土工格栅的制备方法，其特征在于:所述的步骤(I)中导电复合材料的制备过程如下: 选用高密度聚乙烯为基材，以添加超导电炭黑的导电母粒为填料，以导电母粒占混合料质量分数为40%?60%的范围内将二者熔融混合，经多次混合塑化挤出后冷却造粒，得到导电复合材料。
3.如权利要求1所述的传感型塑料土工格栅的制备方法，其特征在于:所述的步骤(2)中复合材料的变形与电阻变化间的关系如下: 在室内进行导电复合材料的拉伸试验，测定复合材料的变形与电阻变化间的关系，得出二者间的函数关系= F( ε )，其中Ω/Ω，^做归一化电阻率，ε为应变值。
4.如权利要求1所述的传感型塑料土工格栅的制备方法，其特征在于:所述的步骤(3)制备传感型格栅的工艺过程如下: (3-1)将步骤I得到的导电复合材料，倒入料斗中； (3-2)通过吸料机将混合料吸入注塑机中，经过熔融加热后,将熔融态的混合结合料注入机头的模具中，进行编网； (3-3)将生产出的格栅送入冷却池中冷却，定型，通过牵引设备牵引成卷。
【文档编号】E02D1/00GK104139541SQ201410294416
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】崔新壮, 隋伟, 张炯, 汤潍泽, 楼俊杰, 高智珺 申请人:山东大学