半刚性基层内部裂缝监测系统及裂缝宽度、位置确定方法技术方案

本发明专利技术公开了半刚性基层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水泥面层底部，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。利用基层加载前后输出信号幅值的变化确定基层内部的裂缝宽度，并基于该系统确定裂缝的具体位置。本发明专利技术的方法可以降低基层监测成本，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。

Crack monitoring system for semi-rigid base course and determination method of crack width and location

The invention discloses a crack monitoring system for semi-rigid base course and a method for determining crack width and location, which comprises a plurality of semi-rigid base course piezoelectric smart aggregates, signal generators, charge amplifiers and oscilloscopes, in which the semi-rigid base course piezoelectric smart aggregate is embedded at the bottom of the cement surface layer, and each two adjacent semi-rigid base course piezoelectric smart aggregates are separately connected with signal generators and oscilloscopes. The charge amplifier is electrically connected, and the oscilloscope is connected with the charge amplifier. Signal waves can be transmitted between two adjacent semi-rigid base piezoelectric smart aggregates. The crack width in the base course is determined by the change of output signal amplitude before and after loading, and the specific location of the crack is determined based on the system. The method of the present invention can reduce the cost of basic level monitoring, is reliable, simple and fast, and is suitable for large-scale popularization and application, and has high accuracy of crack size and location.

【技术实现步骤摘要】
半刚性基层内部裂缝监测系统及裂缝宽度、位置确定方法
本专利技术属于半刚性基层健康监测
，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。
技术介绍
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，本专利技术基于该思路提出了一种新的基层内部裂缝确定的方法。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案予以实现：本专利技术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。本专利技术还公开半刚性基层内部裂缝监测系统，该系统包括本专利技术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。本专利技术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专利技术所述的监测系统，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。本专利技术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专利技术所述的监测系统，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，本专利技术的有益效果是：本专利技术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；本专利技术的方法可靠，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专利技术做具体说明。具体实施方式本专利技术将压电陶瓷(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。本专利技术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，因此本专利技术优选铜材料。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，本专利技术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专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.半刚性基层压电智能骨料，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.半刚性基层压电智能骨料，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的半刚性基层压电智能骨料，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的半刚性基层压电智能骨料，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，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。4.如权利要求3所述的半刚性基层压电智能骨料，其特征在于，封装层中包括以下质量份数的原料：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。5.如权利要求3所述的半刚性基层压电智能骨料，其特征在于，所述的防水层材质为硅胶或聚氨酯树胶。6.半刚性基层内部裂缝监测系统，其特征在于，该系统包括多个权利要求1至5任一项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。7.半刚性基层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6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...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪小平，陈云，蒋应军，王朝辉，肖剑，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61