沥青路面内部裂缝无线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沥青路面内部裂缝无线监测系统及裂缝宽度、位置确定方法，该系统包括多个沥青基无线压电智能骨料与无线信号接收器；其中，沥青基无线压电智能骨料埋设在沥青面层底部，无线信号接收器置于路表。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。本发明专利技术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。

Wireless Monitoring System for Internal Cracks of Asphalt Pavement and Method for Determining the Width and Location of Cracks

The invention discloses a wireless monitoring system for internal cracks of asphalt pavement and a method for determining crack width and location, which comprises a plurality of wireless piezoelectric intelligent aggregates based on asphalt and wireless signal receivers, in which the wireless piezoelectric intelligent aggregate based on asphalt is embedded at the bottom of the asphalt surface layer and the wireless signal receivers are placed on the road surface. The width of cracks in pavement is determined by the change of output signal amplitude before and after loading, and the specific location of cracks is determined based on the system. The method of the invention can reduce the cost of pavement 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】
沥青路面内部裂缝无线监测系统及裂缝宽度、位置确定方法
本专利技术属于沥青路面健康监测
，具体涉及沥青路面内部裂缝无线监测系统及其裂缝宽度、位置确定方法。
技术介绍
高速公路的发展带给人们方便的同时，也带来了新的问题：公路养护与管理。沥青路面作为交通运输工程中主要的基础设施之一，其使用性能对行车舒适及安全性有直接影响。然而，环境因素与行车荷载的循环作用下，路面会出现裂缝、坑槽等病害，这些病害给交通安全带来了隐患，因此，及时并且有效的路面破损检测成为公路养护中的重要问题，路面裂缝监测就是其中的关键部分。现有路面裂缝监测主要为外部检测技术，包括弯沉、声发射、地探雷达、超声、红外热像与图像技术等，但外部检测技术缺乏自发性且具有滞后性，需要配套的人力、设备资源较大，且检测位置多位于表面，对于自下而上的隐蔽裂缝检测较为困难。随着智能材料的出现，采用智能监测系统对基础设置实施健康监测已成为世界范围内土木领域的前沿研究方向。在众多的智能材料中，压电陶瓷(简称为PZT)由于具有较好的力学性能和稳定的压电性能，为路面裂缝监测提供了一条新的思路。根据这一原理，本专利技术提出了一种可实现沥青路面裂缝的诊断与健康监测方法和系统。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供了一种沥青路面内部裂缝无线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沥青基无线压电智能骨料，包括沥青基压电材料、导电材料、压电换能器和无线信号发射器；其中，沥青基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器电连接，无线信号发射器与压电换能器电连接；沥青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份沥青，总质量份数为100份。具体的，所述的无线压电智能骨料的外部还包裹有防水层和封装层，防水层涂覆在所述的核心的外部，封装层设置在最外层。具体的，所述的封装层材料包括以下质量份数的原料：15～35份沥青、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。本专利技术还公开沥青路面内部裂缝无线监测系统，该系统包括权利要求1至4任一项所述的沥青基无线压电智能骨料、无线信号接收器；其中，沥青基无线压电智能骨料埋设在沥青面层底部，沥青压电智能骨料与无线信号接收器之间可以传播无线电信号。本专利技术还公开沥青路面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个无线智能骨料检测的其周围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；Cf为压电换能器反馈电容，单位为pF；为第i个智能骨料第t次输出信号时候路面载荷距离第i个智能骨料的距离，单位为m；Sp为沥青基压电材料的厚度，单位为mm；d33为沥青基压电材料的压电常数，单位为pC/N；C为沥青基压电材料的弹性刚度，N/m2；表示路面未经加载前，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV，t＝1,2,...,n，n表示第i个智能骨料发出的信号的个数；表示路面经过加载后，第i个智能骨料的第t次无线输出信号幅值，单位为mV。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沥青路面底部，两相邻骨料之间间隔为0.7～1.2m，每个智能骨料能够检测到其周围1.2m范围内的裂缝；步骤2：在路面未经加载前，获取第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值步骤3：在路面经过多次加载后，获取第i个智能骨料发出的n个不同的信号幅值步骤4：利用公式(1)计算第i个智能骨料周围的裂缝宽度wi。本专利技术还公开了沥青路面内部裂缝位置确定方法，待监测路面上设置有本专利技术所述的监测系统，该确定方法具体包括：待判断路面出现裂缝后，对路面施加载荷，使载荷沿着行车方向以匀速移动经过第i个智能骨料的正上方，通过路面下方的无线信号发射器发射第i个骨料的产生的电压信号Vi，并通过无线信号接收器接收电信号，绘制Vi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，本专利技术的有益效果是：本专利技术将制备成无线自供电压电智能骨料埋置于沥青路面内部，利用其压电效应发射与接收信号，利用压电换能器可将机械能转换为电能提供长期监测的条件，无线传感技术让监测更为的方便快捷，根据接收的信号来诊断沥青路面内部隐蔽裂缝的位置及尺寸，对降低路面监测成本、推动智能交通建设具有重要意义；本专利技术的方法可靠，简便快速，适合大规模推广应用。附图说明图1是沥青路面内部裂纹监测示意图。图2是无线智能骨料示意图。图3是沥青路面现场钻芯取样图。图4是实施例中裂缝测试到的无线接收信号。图5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”的方式埋置于沥青路面内部，压电传感器在行车荷载作用下与路面产生协同变形，其核心材料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)。路面结构损伤会引起传感器产生的电压信号发生改变，因此通过解析电压信号随路面裂缝尺寸及位置的变化规律，就能实现对路面结构损伤的监测与智能诊断。在专利技术通过在压电材料两端连接压电换能器获取电能，可为压电智能骨料实时充电；将无线系统连接，可实现无线传输电信号，高效快速的定位并量测裂缝。本专利技术公开了一种沥青基无线压电智能骨料，该智能骨料包括沥青基压电材料、导电材料与压电换能器，并通过防水层和封装层将压电模块包裹在内，防水层涂覆在核心的外部，封装层设置在最外层。在使用过程中，通过无线信号接收器接受无线信号发射器发射的电信号，其中，无线信号发射器与无线信号接收器组成无线传感模块。沥青基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器通过导线连接在核心表面的两侧，无线信号发射器与压电换能器电连接。沥青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份沥青，总质量份数为100份。优选的，陶瓷微粉为55份，环氧树脂30份，沥青15份。沥青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，因此本专利技术优选铜材料。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：15～35份沥青、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，沥青30份、环氧树脂35份、固化剂15份、石英20份。基于智能骨料的性能，本专利技术公开了一种沥青路面内部裂缝监测系统，该系统中包括多个本专利技术公开的沥青基无线压电智能骨料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.沥青基无线压电智能骨料，其特征在于，包括沥青基压电材料、导电材料、压电换能器和无线信号发射器；其中，沥青基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器电连接，无线信号发射器与压电换能器电连接；沥青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份沥青，总质量份数为100份。

【技术特征摘要】
1.沥青基无线压电智能骨料，其特征在于，包括沥青基压电材料、导电材料、压电换能器和无线信号发射器；其中，沥青基压电材料与导电材料粘结混合形成核心，核心与压电换能器电连接，无线信号发射器与压电换能器电连接；沥青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份沥青，总质量份数为100份。2.如权利要求1所述的沥青基无线压电智能骨料，其特征在于，所述的无线压电智能骨料的外部还包裹有防水层和封装层，防水层涂覆在所述的核心的外部，封装层设置在最外层。3.如权利要求2所述的沥青基无线压电智能骨料，其特征在于，所述的封装层材料包括以下质量份数的原料：15～35份沥青、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。4.如权利要求2所述的沥青基无线压电智能骨料，其特征在于，所述的防水层材质为硅胶或聚氨酯树胶。5.沥青路面内部裂缝无线监测系统，其特征在于，该系统包括权利要求1至4任一项所述的沥青基无线压电智能骨料、无线信号接收器；其中，沥青基无线压电智能骨料埋设在沥青面层底部，沥青压电智能骨料与无线信号接收器之间可以传播无线电信号。6.沥青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所述的无线监测系统，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个无线智能骨料检测的其周围路面内部的裂缝宽度，单位为mm，i＝1,2,...,m，m为待监...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯月琴，韩波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61