一种沥青路面用自供电多功能压电智能骨料及其制备方法与流程

本发明涉及沥青路面健康监测技术领域，尤其涉及一种沥青路面用自供电多功能压电智能骨料及其制备方法。

背景技术：

作为公路及城市道路的主要铺面型式，沥青路面的质量及性能水平是保障交通快速、舒适及安全的基础。在长期行车荷载及环境因素的循环耦合作用下，沥青路面逐渐出现微裂缝、界面脱离等损伤问题；当损伤积累到一定程度时，沥青路面的使用性能加剧衰减，导致沥青路面出现裂缝等病害、服务水平难以满足要求。在初期阶段，沥青路面损伤的几何尺寸为微米级甚至更小，在应力集中及水分等因素的不断作用下，使得本来互相独立的损伤逐渐扩展贯通并形成宏观病害。国内外研究表明，沥青路面使用性能的衰减存在“拐点”，若在拐点之前实施预防性养护，效益费用比是矫正性或应急性养护的6～10倍。因此，监测沥青路面损伤，发出预防性养护预警，及时采取措施消弭微损伤，就能延迟路面宏观病害的出现，这对提高路面使用性能、延长使用寿命、减小养护工程具有重要意义。

沥青路面的健康监测与损伤诊断已经成为研究热点，由此出现了许多路面无损检测方法，如声发射技术、地探雷达法、超声检测法和红外热像法等。但上述方法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；同时无法监测路面微损伤及发展过程并触发预防性养护预警，因而无法实现真正意义上的路面健康监测与损伤诊断。

智能材料，如压电陶瓷(ptz)的出现为沥青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。然而，现有的压电智能骨料损伤检测技术多为混凝土结构服务，适用于沥青路面的压电智能骨料鲜有研究。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种沥青路面用自供电多功能压电智能骨料及其制备方法。本发明提供的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料与沥青路面内部环境相适应，且不影响路面的使用性能，能够对沥青路面的结构健康情况进行实时监测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，包括路面用压电器、封装容器与屏蔽导线，所述封装容器由包括环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉的原料制备得到，所述路面用压电器包括铜箔基板和负载在所述铜箔基板单面的路面用压电材料，所述路面用压电材料包括压电陶瓷pzt5-x与环氧树脂。

优选地，所述封装容器中环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉的质量比为(3～4)：(1～2)：(1.5～2.5)。

优选地，所述封装容器为直径10～25mm、高度为10～20mm的圆柱体。

优选地，所述路面用压电材料中压电陶瓷pzt5-x的质量分数为35～45％，环氧树脂的质量分数为55～65％。

优选地，所述路面用压电材料在铜箔基板上的负载量为2～20g/cm²。

优选地，所述铜箔基板的直径为15～30mm，厚度为1～3mm。

优选地，所述屏蔽导线的条数为2条。

本发明还提供了上述技术方案所述沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的制备方法，包括以下步骤：

将压电陶瓷pzt5-x与环氧树脂依次经混合、热压和极化成型，得到路面用压电材料；

用导电胶将所述路面用压电材料粘接在铜箔基板单面，得到路面用压电器；

在所述路面用压电器上焊接屏蔽导线；

将环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉混合后得到封装材料，将部分所述封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入剩余封装材料直至与硅胶模具齐平；

在常温下静置固化成型，脱去硅胶模具，得到所述沥青路面用自供电多功能压电智能骨料。

优选地，所述热压的条件为：温度100～200℃、压力10～20mpa、时间2～5min。

优选地，所述极化成型的条件为：极化电场强度3～5kv/mm、极化温度100～150℃、极化时间10～20min。

本发明提供了一种沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，包括路面用压电器、封装容器与屏蔽导线，所述封装容器由包括环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉的原料制备得到，所述路面用压电器包括铜箔基板和负载在所述铜箔基板单面的路面用压电材料，所述路面用压电材料包括压电陶瓷pzt5-x与环氧树脂。本发明中，环氧树脂固化之后的模量与沥青路面大致相当，经过环氧树脂6200a封装的压电智能骨料具有一定的强度和耐久性，与路面的耦合性能好，可以在沥青路面中长期使用，且对路面的路用性能不影响，可以在沥青路面中进行微裂缝损伤监测，并且环氧树脂6200a、固化剂6200b与石英粉共同制得封装容器，封装容器表面硬度高、耐腐蚀、耐老化、耐冷热冲击，封装保护能够削弱或消除温度、湿度等因素对信号测量结果的影响，有效克服了外界环境对驱动信号和传感信号的干扰，使测量结果更加准确，同时本发明成本低廉、构造简单、性能稳定，可在沥青路面中广泛使用。实施例的数据表明，本发明提供的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料抗压强度高，驱动性能与传感性能优异。

附图说明

图1为实施例1制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的驱动性能曲线；

图2为实施例1制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的传感性能曲线；

图3为实施例1制备的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的力-位移曲线图；

图4为实施例2制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的驱动性能曲线；

图5为实施例2制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的传感性能曲线；

图6为实施例2制备的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的力-位移曲线图；

图7为实施例3制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的驱动性能曲线；

图8为实施例3制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的传感性能曲线；

图9为实施例3制备的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的力-位移曲线图；

图10为实施例4制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的驱动性能曲线；

图11为实施例4制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的传感性能曲线；

图12为实施例4制备的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的力-位移曲线图；

图13为实施例5制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的驱动性能曲线；

图14为实施例5制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的传感性能曲线；

图15为实施例5制备的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的力-位移曲线图；

图16为实施例6制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的驱动性能曲线；

图17为实施例7制备沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的传感性能曲线；

图18为实施例8制备的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的力-位移曲线图；

图19为本发明提供的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的结构示意图，图中1为路用压电材料，2为铜箔基板，3为屏蔽导线，4为封装材料容器。

具体实施方式

本发明提供了一种沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，包括路面用压电器、封装容器与屏蔽导线，所述封装容器由包括环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉的原料制备得到，所述路面用压电器包括铜箔基板和负载在所述铜箔基板单面的路面用压电材料，所述路面用压电材料包括压电陶瓷pzt5-x与环氧树脂。

在本发明中，所述封装容器中环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉的质量比优选为(3～4)：(1～2)：(1.5～2.5)。本发明对所述环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

在本发明中，所述封装容器优选为直径10～25mm、高度10～20mm的圆柱体。

在本发明中，所述路面用压电材料中压电陶瓷pzt5-x的质量分数优选为35～45％，环氧树脂的质量分数优选为55～65％。在本发明中，所述路面用压电材料的直径优选为10～25mm，厚度优选为2～5mm，直径更优选为15～22mm，厚度优选为2～4mm。本发明对所述压电陶瓷pzt5-x的和环氧树脂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

在本发明中，所述路面用压电材料在铜箔基板上的负载量优选为2～20g/cm²，更优选为5～15g/cm²，最优选为8～10g/cm²。在本发明中，所述路面用压电材料的直径优选小于铜箔基板的直径。在本发明中，所述路面用压电材料与铜箔基板的中心优选重合。

在本发明中，所述铜箔基板的直径优选为15～30mm，厚度优选为1～3mm，直径更优选为22mm，厚度更优选为3mm。

在本发明中，所述屏蔽导线的条数优选为2条。在本发明中，所述屏蔽导线的正极优选焊接于路用压电材料，所述屏蔽导线的负极优选焊接于铜箔基板。在本发明中，所述屏蔽导线优选穿过封装容器延伸至外部。本发明对所述屏蔽导线的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案即可。

本发明还提供了上述技术方案所述沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的制备方法，包括以下步骤：

将压电陶瓷pzt5-x与环氧树脂依次经混合、热压和极化成型，得到路面用压电材料；

用导电胶将所述路面用压电材料粘接在铜箔基板单面，得到路面用压电器；

在所述路面用压电器上焊接屏蔽导线；

将环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉混合后得到封装材料，将所述封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平；

在常温下静置固化成型，脱去硅胶模具，得到所述沥青路面用自供电多功能压电智能骨料。

本发明将压电陶瓷pzt5-x与环氧树脂依次经混合、热压和极化成型，得到路面用压电材料。

在本发明中，所述热压的条件优选为：温度100～200℃、压力10～20mpa、时间2～5min，更优选为：温度100～200℃、压力13mpa、时间2～5min。

在本发明中，所述极化成型的条件优选为：极化电场强度3～5kv/mm、极化温度100～150℃、极化时间10～20min，更优选为：极化电场强度3～5kv/mm、极化温度130℃、极化时间15min。

极化成型后，本发明优选用丙酮擦拭除极化成型产物表面的油污，然后干燥，得到所述路面用压电材料。

本发明用导电胶将所述路面用压电材料粘接在铜箔基板单面，得到路面用压电器。本发明对所述导电胶的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方案即可。

在本发明中，所述铜箔基板优选经过砂纸打磨。本发明对所述砂纸打磨的具体方式没有特殊的限定，能够使所述铜箔基板表面光滑平整即可。

本发明在所述路面用压电器上焊接屏蔽导线。本发明对所述焊接方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的焊接方式即可。在本发明中，所述屏蔽导线的正极优选焊接于路用压电材料，所述屏蔽导线的负极优选焊接于铜箔基板。

本发明将环氧树脂6200a、固化剂6200b和石英粉混合后得到封装材料，将所述封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平，在常温下静置固化成型，脱去硅胶模具，得到所述沥青路面用自供电多功能压电智能骨料。在本发明中，所述静置固化成型的时间优选为24h。

本发明对所述混合方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可。

图19为本发明提供的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料的结构示意图，图中1为路用压电材料，2为铜箔基板，3为屏蔽导线，4为封装材料容器。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

路用压电材料由35wt％pzt5-x与65wt％的环氧树脂组成，通过热压、极化形成直径20mm、厚度2mm的圆柱体；热压条件如下：温度100℃、压力13mpa、时间2min；极化条件为：极化电场强度3kv/mm，极化温度130℃，极化时间15min；该路用压电圆柱体与直径22mm、厚度3mm的黄铜基板通过导电胶粘结为一体，形成路用压电器；以环氧树脂本胶6200a、固化剂6200b和石英粉以3：1：1.5的质量份数比拌合形成封装材料，将封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平，在常温下静置24h固化成型，脱去硅胶模具，制备出直径25mm、厚度10mm的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，编号为sa-1，然后测试其25℃抗压强度、180℃抗压强度、驱动性能与传感性能，测得25℃抗压强度为80mpa，180℃抗压强度为36mpa，驱动性能、传感性能与力-位移曲线分别如图1～3所示。

实施例2

路用压电材料由45wt％pzt5-x与55wt％的环氧树脂组成，通过热压、极化形成直径20mm、厚度2mm的圆柱体；热压条件如下：温度100℃、压力13mpa、时间2min；极化条件为：极化电场强度3kv/mm，极化温度130℃，极化时间15min；该路用压电圆柱体与直径22mm、厚度3mm的黄铜基板通过导电胶粘结为一体，形成路用压电器；以环氧树脂本胶6200a、固化剂6200b和石英粉以3：1：1.5的质量份数比拌合形成封装材料，将封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平，在常温下静置24h固化成型，脱去硅胶模具，制备出直径25mm、厚度10mm的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，编号为sa-1，然后测试其25℃抗压强度、180℃抗压强度、驱动性能与传感性能，测得25℃抗压强度为80mpa，180℃抗压强度为36mpa，驱动性能、传感性能与力-位移曲线分别如图4～6所示。

实施例3

路用压电材料由35wt％pzt5-x与65wt％的环氧树脂组成，通过热压、极化形成直径15mm、厚度2mm的圆柱体；热压条件如下：温度100℃、压力13mpa、时间2min；极化条件为：极化电场强度3kv/mm，极化温度130℃，极化时间15min；该路用压电圆柱体与直径22mm、厚度3mm的黄铜基板通过导电胶粘结为一体，形成路用压电器；以环氧树脂本胶6200a、固化剂6200b和石英粉以3：1：1.5的质量份数比拌合形成封装材料，将封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平，在常温下静置24h固化成型，脱去硅胶模具，制备出直径25mm、厚度10mm的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，编号为sa-1，然后测试其25℃抗压强度、180℃抗压强度、驱动性能与传感性能，测得25℃抗压强度为80mpa，180℃抗压强度为36mpa，驱动性能、传感性能与力-位移曲线分别如图7～9所示。

实施例4

路用压电材料由35wt％pzt5-x与65wt％的环氧树脂组成，通过热压、极化形成直径20mm、厚度4mm的圆柱体；热压条件如下：温度100℃、压力13mpa、时间2min；极化条件为：极化电场强度3kv/mm，极化温度130℃，极化时间15min；该路用压电圆柱体与直径22mm、厚度3mm的黄铜基板通过导电胶粘结为一体，形成路用压电器；以环氧树脂本胶6200a、固化剂6200b和石英粉以3：1：1.5的质量份数比拌合形成封装材料，将封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平，在常温下静置24h固化成型，脱去硅胶模具，制备出直径25mm、厚度10mm的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，编号为sa-1，然后测试其25℃抗压强度、180℃抗压强度、驱动性能与传感性能，测得25℃抗压强度为80mpa，180℃抗压强度为36mpa，驱动性能、传感性能与力-位移曲线分别如图10～12所示。

实施例5

路用压电材料由35wt％pzt5-x与65wt％的环氧树脂组成，通过热压、极化形成直径20mm、厚度2mm的圆柱体；热压条件如下：温度100℃、压力13mpa、时间2min；极化条件为：极化电场强度3kv/mm，极化温度130℃，极化时间15min；该路用压电圆柱体与直径22mm、厚度3mm的黄铜基板通过导电胶粘结为一体，形成路用压电器；以环氧树脂本胶6200a、固化剂6200b和石英粉以3：1：1.5的质量份数比拌合形成封装材料，将封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平，在常温下静置24h固化成型，脱去硅胶模具，制备出直径30mm、厚度10mm的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，编号为sa-1，然后测试其25℃抗压强度、180℃抗压强度、驱动性能与传感性能，测得25℃抗压强度为80mpa，180℃抗压强度为36mpa，驱动性能、传感性能与力-位移曲线分别如图13～15所示。

实施例6

路用压电材料由35wt％pzt5-x与65wt％的环氧树脂组成，通过热压、极化形成直径20mm、厚度2mm的圆柱体；热压条件如下：温度100℃、压力13mpa、时间2min；极化条件为：极化电场强度3kv/mm，极化温度130℃，极化时间15min；该路用压电圆柱体与直径22mm、厚度3mm的黄铜基板通过导电胶粘结为一体，形成路用压电器；以环氧树脂本胶6200a、固化剂6200b和石英粉以3：1：1.5的质量份数比拌合形成封装材料，将封装材料放置在硅胶模具中，然后将焊接有屏蔽导线的路面用压电器放入，再放入所述封装材料直至与硅胶模具齐平，在常温下静置24h固化成型，脱去硅胶模具，制备出直径25mm、厚度20mm的沥青路面用自供电多功能压电智能骨料，编号为sa-1，然后测试其25℃抗压强度、180℃抗压强度、驱动性能与传感性能，测得25℃抗压强度为80mpa，180℃抗压强度为36mpa，驱动性能、传感性能与力-位移曲线分别如图16～18所示。

通过对比实施例1～6以及图1～18，可看出，压电智能骨料的驱动性能随着封装直径与厚度的减小而提高，随着路用压电材料中pzt5-x的质量分数增大而提高，与路用压电材料的直径与厚度无关；传感性能随着封装直径与厚度的减小而提高，随着路用压电材料中pzt5-x的质量分数增大而提高，随着路用压电材料直径的减小而提高，随着路用压电材料厚度的增大而提高；力学性能随着封装直径与厚度的增大而下降，与路用压电材料的质量组成、直径与厚度无关；压电智能骨料力学性能满足使用及施工要求。

综上，在满足使用要求情况下，推荐使用路用压电材料直径偏小、厚度略大、封装直径及厚度较小及pzt5-x质量分数偏大制备的压电智能骨料，以提高其力学性能、驱动及传感性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。