压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构

摘要

本发明涉及智能道路工程材料，特别是涉及压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构。压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构，其特征在于它包括：由沥青混凝土浇筑而成的沥青混凝土路面结构，浇筑时埋铺在沥青混凝土路面结构中的至少两个压电自诊断单元，以及与压电自诊断单元电连接的辅助诊断装置。该沥青混凝土路面结构能够通过压电效应，利用应力波传播的特征值变化自诊断沥青混凝土路面的结构损伤。

说明书

技术领域

本发明涉及智能道路工程材料，特别是涉及压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构。

背景技术

沥青混凝土路面具有无接缝、表面平整度好，行驶平稳，施工机械化程度高、进度快、 质量好、维护简单等优点，因此，沥青混凝土路面越来越受到重视，得到广泛应用。截止到2011 年底，我国公路通车里程达410.02万公里，其中高速公路里程达8.49万公里，居世界第二 位。由于交通量的迅速增长、载重车辆轴重的加大，致使沥青混凝土路面存在着严重的早期 破坏，增加养护成本。因此，在沥青路面使用期内，使路面保持在最佳使用状态，降低养护 成本是公路管理和施工单位的工作重点。

压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，某些电介质在沿一定方向上受到外力 的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。 当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改 变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会 发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，

利用压电效应，压电材料可以作为驱动器和传感器使用，将其与沥青混凝土路面相结合 可以实现路面的健康自诊断监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构，该沥青混凝土 路面结构能够通过压电效应，利用应力波传播的特征值变化自诊断沥青混凝土路面的结构损 伤。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路 面结构，其特征在于它包括：由沥青混凝土浇筑而成的沥青混凝土路面结构，浇筑时埋铺在 沥青混凝土路面结构中的至少两个压电自诊断单元，以及与压电自诊断单元电连接的辅助诊 断装置。

所述的沥青混凝土是由粗集料、细集料、沥青和矿粉复合而成，其路用性能达到沥青混 合料技术要求。

所述的粗集料、细集料均可采用玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩或石英岩。沥青可采 用重交石油沥青或以此为基质的改性沥青；矿粉为石灰岩矿粉。粗集料的粒径为大于4.75mm， 小于35mm；细集料的粒径为小于或等于4.75mm。

所述的压电自诊断单元是体积为4~12cm³的长方体；每个压电自诊断单元中采用叠堆式结 构，以压电陶瓷材料通过金属导电材料作为电极进行串联或者并联组合，具有良好的压电性 能。

所述的辅助诊断装置如图3所示，由信号激发设备（逆压电效应6）1和信号接收设备（正 压电效应8）2组成；信号激发设备由信号发射器和压电驱动信号放大器（是通过信号发射器 与压电驱动信号放大器产生激励信号，使压电自诊断单元利用压电效应产生应力波）组成， 信号发射器的输出与压电驱动信号放大器的输入相连，压电驱动信号放大器的输出与一个压 电自诊断单元3电连接；信号接收设备2为示波器，信号接收设备2与另一个压电自诊断单 元4电连接（利用应力波传播的特征值变化自诊断沥青混凝土路面的结构损伤）。

所述的沥青混凝土路面结构5分为上、中、下三个面层，其中上面层的厚度2.5cm~5cm， 中面层的厚度4cm~7cm，下面层的厚度5cm~9cm。压电自诊断单元埋铺不同的面层中间，彼此 距离可以不等，距离L0=1~50cm局部形成阵列。

上述压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构应用于高等级公路、隧道、桥面铺装或 飞机场跑道路面，以及市内公路和人行街道。

本发明的原理是：利用压电自诊断单元间的应力波传播特征值的变化对沥青混凝土路面 结构损伤进行诊断。在沥青混凝土路面结构中层中埋铺至少两个以上的压电自诊断单元，通 过外部信号激发装置（信号发生器）的激励，使一个压电自诊断单元产生应力波，该应力波 在沥青混凝土之中进行传播，当该波传递到另一个压电自诊断单元时，由于沥青混凝土内部 的结构损伤及空隙7的影响导致应力波的能量有一定的损耗，通过示波器观察电压输出的变 化。因此通过建立应力波传播的特征值与沥青混凝土结构损伤形式之间关系，使沥青混凝土 具备自诊断的功能。

本发明提供了一种全新利用压电效应诊断沥青混凝土路面损伤的模式，其涉及到我国交 通事业的可持续发展、新型无损检测开发与利用的问题。因此，具有以下主要优点：

1.本发明提供了一种新型的简单、快捷、清洁、环保无损检测的压电埋入式损伤自诊断 沥青混凝土路面结构，无需繁重的检测设备，为沥青混凝土路面管养提供高效的定量的决策 数据。该方法制备沥青混凝土路面结构能够通过压电效应，利用应力波传播的特征值变化自 诊断沥青混凝土路面的结构损伤。

2.本发明提供的压电自诊断单元，具有合理的尺寸与强度，对沥青混凝土结构性能没有 影响且满足沥青混凝土路面的使用，与普通矿料作用相同。

3.沥青混凝土的功能模块智能化，不仅仅作为路面材料来使用，而是作为一种新型智能 混凝土使用。

4.埋有压电自诊断单元的沥青混凝土路面具有良好的路用性能及抗疲劳性能，符合沥青 混合料技术要求，可广泛推广并逐步取代普通沥青混凝土路面。

附图说明

图1为压电效应原理示意图；（a）正压电效应，（b）逆压电效应。

图2为本发明叠堆型的压电自诊断单元的实物图。

图3为本发明压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构的示意图。

图4为本发明实施例3的实物图。

图5为本发明对沥青混凝土路面损伤检测的信号图。

图中标号：1-信号激发设备，2-信号接收设备，3-一个压电自诊断单元，4-另一个压电 自诊断单元，5-沥青混凝土路面结构，6-逆压电效应，7-损伤及空隙，8-正压电效应。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅 局限于下面的实施例。

下述实施例1-5中：

如图3所示，压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构，它包括：由沥青混凝土浇筑 而成的沥青混凝土路面结构5，浇筑时埋铺在沥青混凝土路面结构中的至少两个压电自诊断 单元（一个压电自诊断单元3和另一个压电自诊断单元4），以及与压电自诊断单元电连接的 辅助诊断装置。

依照《公路沥青施工技术规范》(JTG F40-2004)相关规定，选择符合要求的粗集料、细 集料、沥青及矿粉。将现有级配AC、SMA、Superpave等结构和级配设计理论充分结合，优化 和改良原有级配，找出最佳级配，使其组成满足可以埋铺压电自诊断单元要求的沥青混凝土， 且路用性能达到沥青混合料技术要求。

所述的沥青混凝土是由粗集料、细集料、沥青和矿粉复合而成，其路用性能达到沥青混 合料技术要求。

各配合比中筛孔的要求如下表所示。

所述的粗集料、细集料均可采用玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩或石英岩。沥青可采 用重交石油沥青或以此为基质的改性沥青；矿粉为石灰岩矿粉。粗集料的粒径为大于4.75mm， 小于35mm；细集料的粒径为小于或等于4.75mm。

路面结构层厚度是影响路面耐久性的因素之一，而其厚度与原材料参数有密切关系，依 据上述选用原材料，通过模拟计算沥青混凝土路面结构层厚度。所述的沥青混凝土路面结构 分为上、中、下三个面层，其中上面层的厚度2.5cm~5cm，中面层的厚度4cm~7cm，下面层的 厚度5cm~9cm。压电自诊断单元埋铺不同的面层中间，彼此距离可以不等，距离L=0~50cm局 部形成阵列。

上述压电自诊断单元是具有一定长L、宽W、厚T的长方体，其内部包含若干压电元件。 根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，把每一侧的双轮接触面积，换算为一个当 量圆，则称之为单圆荷载；把每一侧两个轮胎相应的接触面积，分别换算为两个当量圆，则 称之为双圆荷载。双圆荷载当量圆直径d和单圆荷载当量直径D：

$d=\sqrt{\frac{4P}{\mathrm{\pi P}}}$$\sqrt{\frac{8P}{\mathrm{\pi P}}}=\sqrt{2}d$

可根据不同的车流量、车辆类型、当量圆直径d或D等因素设计压电自诊断单元的长L、 宽W、厚T；式中P表示轮胎压力。

上述压电自诊断单元在具体参数确定后，施工时可先预置于埋铺位置，在沥青混凝土路 面施工时同步碾压成型。

上述若干压电自诊断单元埋铺时，可在行车道，超车道，路肩任意位置铺设，水平方向 两个压电自诊断单元的距离为L0（1-50cm），竖直方向压电自诊断单元埋铺在已施工好的面 层上。

所述的压电自诊断单元是体积为4~12cm³的长方体；每个压电自诊断单元中采用叠堆式结 构，以压电陶瓷材料通过金属导电材料作为电极进行串联或者并联组合，具有良好的压电性 能。

所述的辅助诊断装置如图3所示，由信号激发设备（逆压电效应6）1和信号接收设备（正 压电效应8）2组成；信号激发设备由信号发射器和压电驱动信号放大器（是通过信号发射器 与压电驱动信号放大器产生激励信号，使压电自诊断单元利用压电效应产生应力波）组成， 信号发射器的输出与压电驱动信号放大器的输入相连，压电驱动信号放大器的输出与一个压 电自诊断单元3电连接；信号接收设备2为示波器，信号接收设备2与另一个压电自诊断单 元4电连接（利用应力波传播的特征值变化自诊断沥青混凝土路面的结构损伤）。

综上所述，根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，采用下述原材料制备埋铺 有损伤自诊断单元的沥青混凝土：

a.集料（粗集料，细集料）：江苏镇江茅迪生产的玄武岩，最大粒径为13.2mm，分为 13.2mm~9.5mm；9.5mm~4.75mm(不含4.75mm)；4.75mm~2.36mm；和小于2.36mm四档。

b.沥青：湖北国创重交沥青AH-70；

c.矿粉：鄂州四达建材公司生产的石灰岩矿粉，亲水系数0.92，主要化学成分CaO(53.5%， SiO₂（1.56%）；

d.配合比：粗集料56%，细集料40%，矿粉4%(粗集料、细集料和矿粉的质量百分数之和 为100%)，油石比为4.8%（沥青的加入量为粗集料、细集料和矿粉质量的4.8%）；

e.压电陶瓷材料：山东淄博宇海电子陶瓷有限公司生产的压电陶瓷；金属导电材料为铜 片。压电陶瓷材料还可采用高性能的，会效果更好。

通过路面结构应力分析，轮胎接触面积分析，有限元模拟及具体试验，应用上述沥青混 凝土设计沥青混凝土路面结构：

a.沥青混凝土路面结构层厚度为：上面层4cm，中面层6cm，下面层8cm；

b.压电自诊断单元的尺寸长L=2cm、宽W=2cm、厚T=3cm；

c.压电自诊断单元埋铺在沥青混凝土上面层底部，通过测试压电效应良好。

利用压电效应自诊断沥青混凝土路面的矿料、矿粉、沥青的选择，配合比的设计，路面 结构层的设计，以及压电自诊断单元尺寸、埋铺位置、埋铺方式、连接方式不限于上述情况， 根据本发明技术原理，对上述成果进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种利用压电效应损伤自诊断的沥青混凝土路面，通过以下步骤实现利用 压电效应对沥青路面损伤的无损检测：

a.调查各种路用材料，并取样试验，根据试验结果选定路面各结构层所需的材料；确定 混合料的配合比，并测试、确定材料设计参数；

b.拟定路面结构层，模拟计算厚度；

c.根据步骤a，确定压电自诊断单元的长L、宽W、厚T，以及若干单元彼此距离L0；

d.利用压电效应将压电材料制成信号发生器（逆压电效应）或信号接收器（正压电效应）， 将两者埋铺入沥青混凝土路面，利用两者与沥青混凝土路面之间的相互作用实现对沥青混凝 土路面的损伤自诊断

下面介绍几个关于利用压电效应损伤自诊断沥青混凝土路面的实施例。

实施例1：

实施例1中普通沥青混凝土（即沥青混凝土）的质量比：粗集料56%，细集料40%，矿粉 4%（粗集料、细集料和矿粉的重量百分数之和为100%，以下实施例相同）；油石比为4.8%（即 沥青的加入量为粗集料、细集料和矿粉质量的4.8%），埋入长L=2cm、宽W=2cm、厚T=3cm的 压电自诊断单元。其它见上述。实施例1按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中T0702-2011的击实法成型马歇尔试件，成型时埋入压电自诊断单元。其压电性 能指标如表1所示，由表可知，本发明制备的压电损伤自诊断沥青混凝土具有优良的压电性 能。

实施例2与实施例3：

实施例2中普通沥青混凝土（即沥青混凝土）的质量比：粗集料56%，细集料40%，矿粉 4%；油石比为4.8%（即沥青的加入量为粗集料、细集料和矿粉质量的4.8%），未埋入压电自 诊断单元，作为对比实施例。

实施例3中普通沥青混凝土（即沥青混凝土）的质量比：粗集料56%，细集料40%，矿粉 4%；油石比为4.8%（即沥青的加入量为粗集料、细集料和矿粉质量的4.8%），但其中埋入长 L=2cm、宽W=2cm、厚T=3cm的压电自诊断单元。实施例2、3均按照《公路工程沥青及沥青 混合料试验规程》（JTG E20-2011）中T0703-2011的轮碾法成型车辙板试件，实施例3成型 时埋入压电自诊断单元。车辙板试件尺寸为长300mm×宽300mm×高50mm，压电自诊断单元 埋铺于试件底部。其路用性能指标如表2所示，由表可知，实施例3埋入压电自诊断单元后， 其路用性能与实施例2相比，动稳定度从1580次/mm下降到1493次/mm；马歇尔稳定度从 11.5kN下降到10.3kN；渗水试验中，不渗水或者很少渗水。

实施例3制备的压电损伤自诊断沥青混凝土具有优良的压电性能（同实施例1）。

实施例4：

实施例4中普通沥青混凝土（即沥青混凝土）的质量比：粗集料56%，细集料40%，矿粉 4%；油石比为4.8%（即沥青的加入量为粗集料、细集料和矿粉质量的4.8%）。均按照《公路 工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-2011的轮碾法成型车辙板试件，成型时埋入压电 自诊断单元。车辙板试件尺寸为长300mm×宽300mm×高150mm，压电自诊断单元埋铺于试件 底部。在沥青混凝土表面进行人工刻槽，深度约3mm，连接辅助诊断设备对沥青混凝土损伤 进行自诊断检测，结果如图5所示。在信号发生器上施加20V，50kHz所产生的信号通过有缝 隙存在的沥青混凝土，使得接收器所产生的电压幅值与普通沥青混凝土的幅值有显著区别， 从而实现了对沥青混凝土路面的损伤自诊断。该沥青混凝土路面结构能够通过压电效应，利 用应力波传播的特征值变化自诊断沥青混凝土路面的结构损伤。

实施例5：

实施例5中普通沥青混凝土的质量比：粗集料56%，细集料40%，矿粉4%；油石比为4.8% （即沥青的加入量为粗集料、细集料和矿粉质量的4.8%）。均按照《公路工程沥青及沥青混 合料试验规程》中T0703-2011的轮碾法成型车辙板试件，成型时埋入压电自诊断单元。车辙 板试件尺寸为长300mm×宽300mm×高150mm，压电自诊断单元埋铺于试件底部。将2个成型 好的车辙板试件通过乳化沥青进行粘结模拟实际路面摊铺。连接辅助诊断设备对沥青混凝土 上下2层之间的粘结状况进行损伤自诊断检测，结果如图5所示。在信号发生器上施加20V， 50kHz所产生的信号通过两层连接的沥青混凝土，使得接收器所产生的电压幅值与普通沥青 混凝土的幅值有显著区别，从而实现了对沥青混凝土路面的损伤自诊断。

表1压电自诊断单元的压电性能

项目 介电损耗Tanξ[%] 压电常数d₃₃[pc/N] 机电耦合系数K₃₃机械品质因数Q_m指标 0.12 276 0.6 745

表2压电损伤自诊断沥青混凝土的路用性能

实施例6：

与实施例3基本相同，不同之处在于：玄武岩由“白云岩”代替，压电性能、路用性能 同表1、表2。对沥青混凝土路面的损伤自诊断同实施例4。

实施例7：

与实施例3基本相同，不同之处在于：玄武岩由“花岗岩”代替，压电性能、路用性能 同表1、表2。对沥青混凝土路面的损伤自诊断同实施例4。

实施例8：

与实施例3基本相同，不同之处在于：玄武岩由“石灰岩”代替，压电性能、路用性能 同表1、表2。对沥青混凝土路面的损伤自诊断同实施例4。

实施例9：

与实施例3基本相同，不同之处在于：玄武岩由“石英岩”代替，压电性能、路用性能 同表1、表2。对沥青混凝土路面的损伤自诊断同实施例4。

实施例10：

压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构，它包括：由沥青混凝土浇筑而成的沥青混 凝土路面结构，浇筑时埋铺在沥青混凝土路面结构中的至少两个压电自诊断单元，以及与压 电自诊断单元电连接的辅助诊断装置。

所述的沥青混凝土是由粗集料、细集料、沥青和矿粉复合而成，沥青混凝土的质量比： 粗集料56%，细集料40%，矿粉4%；油石比为4.8%（即沥青的加入量为粗集料、细集料和矿 粉质量的4.8%），其路用性能达到沥青混合料技术要求。

所述的粗集料、细集料均可采用玄武岩。沥青可采用重交石油沥青；矿粉为石灰岩矿粉。 粗集料的粒径为大于4.75mm，小于35mm；细集料的粒径为小于或等于4.75mm。

所述的压电自诊断单元是体积为4cm³的长方体；每个压电自诊断单元中采用叠堆式结构， 以压电陶瓷材料通过金属导电材料作为电极进行串联组合，具有良好的压电性能。压电陶瓷 材料：山东淄博宇海电子陶瓷有限公司生产的压电陶瓷；金属导电材料为铜片。

所述的辅助诊断装置如图3所示，由信号激发设备（逆压电效应6）1和信号接收设备（正 压电效应8）2组成；信号激发设备由信号发射器和压电驱动信号放大器（是通过信号发射器 与压电驱动信号放大器产生激励信号，使压电自诊断单元利用压电效应产生应力波）组成， 信号发射器的输出与压电驱动信号放大器的输入相连，压电驱动信号放大器的输出与一个压 电自诊断单元3电连接；信号接收设备2为示波器，信号接收设备2与另一个压电自诊断单 元4电连接（利用应力波传播的特征值变化自诊断沥青混凝土路面的结构损伤）。

所述的沥青混凝土路面结构5分为上、中、下三个面层，其中上面层的厚度2.5cm，中 面层的厚度4cm，下面层的厚度5cm。压电自诊断单元埋铺不同的面层中间，彼此距离可以不 等，距离L=1cm局部形成阵列。

其压电性能、路用性能同表1、表2。对沥青混凝土路面的损伤自诊断同实施例4。

实施例11：

压电埋入式损伤自诊断沥青混凝土路面结构，它包括：由沥青混凝土浇筑而成的沥青混 凝土路面结构，浇筑时埋铺在沥青混凝土路面结构中的至少两个压电自诊断单元，以及与压 电自诊断单元电连接的辅助诊断装置。

所述的沥青混凝土是由粗集料、细集料、沥青和矿粉复合而成，沥青混凝土的质量比： 粗集料56%，细集料40%，矿粉4%；油石比为4.8%（即沥青的加入量为粗集料、细集料和矿 粉质量的4.8%）。其路用性能达到沥青混合料技术要求。

所述的粗集料、细集料均可采用玄武岩。沥青可采用重交石油沥青；矿粉为石灰岩矿粉。 粗集料的粒径为大于4.75mm，小于35mm；细集料的粒径为小于或等于4.75mm。

所述的压电自诊断单元是体积为12cm³的长方体；每个压电自诊断单元中采用叠堆式结 构，以压电陶瓷材料通过金属导电材料作为电极进行并联组合，具有良好的压电性能。压电 陶瓷材料：山东淄博宇海电子陶瓷有限公司生产的压电陶瓷；金属导电材料为铜片。

所述的辅助诊断装置如图3所示，由信号激发设备（逆压电效应6）1和信号接收设备（正 压电效应8）2组成；信号激发设备由信号发射器和压电驱动信号放大器（是通过信号发射器 与压电驱动信号放大器产生激励信号，使压电自诊断单元利用压电效应产生应力波）组成， 信号发射器的输出与压电驱动信号放大器的输入相连，压电驱动信号放大器的输出与一个压 电自诊断单元3电连接；信号接收设备2为示波器，信号接收设备2与另一个压电自诊断单 元4电连接（利用应力波传播的特征值变化自诊断沥青混凝土路面的结构损伤）。

所述的沥青混凝土路面结构5分为上、中、下三个面层，其中上面层的厚度5cm，中面 层的厚度7cm，下面层的厚度9cm。压电自诊断单元埋铺不同的面层中间，距离L=50cm局部 形成阵列。

其压电性能、路用性能同表1、表2。对沥青混凝土路面的损伤自诊断同实施例4。