半刚性基层内部裂缝监测系统及裂缝宽度、位置确定方法与流程

本发明属于半刚性基层健康监测技术领域，具体涉及半刚性基层内部裂缝监测系统及其裂缝宽度、位置确定方法。

背景技术：

半刚性基层是重要的交通基础设施之一。在环境与荷载的耦合作用下，半刚性基层首先会出现微裂缝等隐蔽性损伤，并逐渐发展为开裂等宏观病害，进而影响基层的使用性能与服役寿命。通过定量的监测道路上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。因此，有效及时地监测半刚性基层的隐蔽性损伤，对科学采取养护措施维持基层使用性能极为重要。

现有基层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。外部评价技术用于基层应力、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，且无法监测基层微损伤及发展过程。

智能材料的出现为半刚性基层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，为半刚性基层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基层内部裂缝确定的方法。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种半刚性基层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、且无法监测基层内部微损伤的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

本发明公开了一种半刚性基层压电智能骨料，包括半刚性基层压电材料和导电材料；其中，半刚性基层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，所述的陶瓷微粉为55份，环氧树脂30份，水泥15份，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，半刚性基层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：15～35份水泥、30～40份环氧树脂、10～20份固化剂和15～25份石英粉，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。

本发明还公开半刚性基层内部裂缝监测系统，该系统包括本发明所述的半刚性基层压电智能骨料、信号发生器、电荷放大器和示波器；其中，半刚性基层压电智能骨料埋设在半刚性基层底部，每两个相邻半刚性基层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，每两个相邻的半刚性基层压电智能骨料之间可以传播信号波。

本发明还公开半刚性基层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，wi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基层内部的裂缝宽度，单位为mm，i＝1,2,...,m，m为待监测道路上的智能骨料的个数；

表示基层未经加载前，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；表示基层经过加载后，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，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半刚性基层底部，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：在基层未经加载前，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：在基层经过多次加载后，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wi。

本发明还公开了半刚性基层内部裂缝位置确定方法，待监测基层上设置有本发明所述的监测系统，该确定方法具体为：

待判断基层出现裂缝后，在半刚性基层上方施加载荷，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匀速移动，获得第i个智能骨料产生的vi，绘制vi随推行距离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：

本发明将半刚性基层压电智能骨料埋置于半刚性基层内部，利用其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半刚性基层的隐蔽裂缝，可以降低基层监测成本；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是半刚性基层内部裂纹监测示意图。

图2是半刚性基层智能骨料示意图。

图3是半刚性基层现场钻芯取样图。

图4是实施例中裂缝测试到的输出信号。

图5裂缝定位示意图。

图6是完整基层与损伤基层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”的方式埋置于半刚性基层内部，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，基层结构损伤会引起基层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，就能实现基层结构损伤的监测与智能诊断。

本发明公开了一种半刚性基层用的半刚性基层压电智能骨料，该智能骨料包括半刚性基层压电材料和导电材料；其中，半刚性基层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。半刚性基层压电材料制备的热压条件如下：温度110～130℃、压力12～16mpa、时间1.5～2.5min；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。

半刚性基层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，有效防止基层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份固化剂和15～25份石英粉，总质量份数为100份；优选的，水泥30份、环氧树脂35份、固化剂15份、石英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。

基于智能骨料的性能，本发明公开了一种半刚性基层内部裂缝监测系统，该系统中包括多个本发明公开的半刚性基层压电智能骨料、信号发生器、电荷放大器和示波器，其中，半刚性基层压电智能骨料等间距均匀埋设在半刚性基层底部，每两个相邻半刚性基层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，每两个相邻的半刚性基层压电智能骨料之间可以传播信号波，如图1所示。

一般，如图2所示，将半刚性基层压电材料压制成直径为6～16mm、高度为2.5～5.5mm的圆柱体。导电材料优选为铜板，将铜板粘结在半刚性基层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，本发明的还提供了半刚性基层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状埋置在半刚性基层底部，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：在基层未经加载(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：在基层经过多次加载(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wi，

式中，wi表示待监测道路上第i个智能骨料和与之相邻的第i+1个智能骨料之间基层内部的裂缝宽度，单位为mm，i＝1,2,...,m，m为待监测道路上的智能骨料的个数；

表示基层未经加载前，向第i个智能骨料发射第t个信号时，第i+1个智能骨料的输出信号幅值，mv；表示基层经过加载后，向第i个智能骨料发射第t个信号时，第i+1个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，为1～1.5m左右，因此该裂缝宽度值是可以表征道路情况的。

本发明还公开了半刚性基层内部裂缝位置确定方法，该确定方法具体为：

首先在待监测基层上设置有上述监测系统；

待判断基层出现裂缝后，将特定载重的手推车首先推到第i个智能骨料的正上方，然后沿着行车方向以一定速度匀速推离，在推车作用下，第i个智能骨料会产生压电效应可读取电压vi，绘制vi随推行距离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、环氧树脂和水泥按照质量份数分别为55份、30份、15份混合，通过热压形成直径10mm、厚度2mm的圆柱体，即制备成半刚性基层压电材料。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；该半刚性基层压电材料与直径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30份水泥、35份环氧树脂、15份固化剂、20份石英拌合而成封装液。在防水层外部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制备的半刚性压电智能骨料以1～1.5米的间隔均匀埋设在半刚性基层的底部，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，利用信号发生器对半刚性基层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)，利用信号发生器对半刚性基层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(2)计算基层内部裂缝宽度w＝1.35mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为1.29mm。与计算结果相比，绝对误差为0.04mm，相对误差为3.1％。

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，与完整基层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)，利用信号发生器对半刚性基层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，该处的基层内部的裂缝宽度w＝2.49mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为2.61mm。与计算结果相比，绝对误差为-0.12mm，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)，利用信号发生器对半刚性基层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4所示。

表4：通车2年输出信号幅值

采用式(1)计算该处的基层内部裂缝宽度w＝3.90mm。现场钻芯，测试得到内部裂缝宽度为4.02mm。与计算结果相比，绝对误差为-0.12mm，相对误差为3.0％。

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。