一种沥青混合料表面裂纹监测方法

摘要

一种沥青混合料表面裂纹监测方法，包括导电材料、引出片、导线、数据采集装置和电脑。所述导电材料涂抹在试件表面形成不封闭导电回路，所述引出片在不封闭导电回路的两端分别与所述不封闭导电回路和所述导线连接后接入数据采集装置并连通电脑，形成通电回路，所述数据采集装置能通过电路的通断对试件表面裂纹进行实时监测并在电脑上显示。本装置及方法具有灵敏度高、复杂情况下可用、成本低廉、便于推广应用的特点，解决了现有测试装置及方法操作复杂、仪器昂贵、不便于在复杂情况下使用、使用范围有限的问题，对研究路用材料力学特性和路面结构破坏防治具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体为一种沥青混合料表面裂纹监测方法。

背景技术

改革开放以来，公路一直是我国年投资力度最大、发展速度最快的重点建 设领域；截至2014年底，我国已建成通车的高速公路突破了10万公里。按照发 展规划，此后十几年内还要新建数万公里高速公路和百万公里普通公路，更有 数大量的沥青路面需要维修改造。

我国在公路建设实践中，积累了丰富的经验、解决了许多关键技术问题。 但从近年来已投入运营的公路使用状况来看，大部分未达到使用年限即出现了 较严重的功能衰减和结构损坏，许多设计年限为15年的路面结构，在开放交通 后5～8年内即出现大范围的破坏，造成了巨大的经济损失和不良社会影响。

在研究路面功能衰减和结构损坏时，确定破坏源是关键。而现场实测较为 复杂，需要耗费大量的人力、物力和财力，而且对仪器设备的要求较高。因 此，道路工作者设计了一系列室内力学试验，如直接拉伸试验、弯曲试验、单 轴压缩试验、劈裂试验、沥青混合料三轴试验来模拟路面结构的某种受力状 态，并通过测定的强度值来判定路面材料的力学性能。通常情况下，进行室内 强度试验时，可以以极限承载力或初始裂纹的出现来定义试件的破坏。对破坏 定义的不同，将导致材料的强度不同。例如在沥青混合料弯曲试验中，试件最 先在跨中底部开裂。若以初始开裂定义破坏，测得的强度将小于以极限承载力 定义破坏测得的强度。而材料强度取值不同，又会显著地影响路面结构的设 计。

目前，道路科研人员通常采用贴应变片的方法来判定表面裂纹的产生。但 是，当试件表面形状复杂或空间较为狭小时，难以粘贴应变片，制约着应变片 的使用范围。如沥青混合料三轴试验采用外直径为100mm，内直径为20mm，高 为100mm中空圆柱体试件，如果要判定试件最先在内圆柱表面还是在外圆柱表 面发生破坏，就要在内圆柱表面和外圆柱表面同时粘贴应变片。显而易见，在 内直径为20mm的空心圆柱体内弧面粘贴应变片是较为困难的。此外，工程应用 中，在结构的拐角处也不便于采用应变片测试。近年来，为了探测试件裂纹的 发生、发展规律，道路研究人员开始使用CT扫描技术，通过CT扫描成像得到 试件断面的图像。但是，CT试验系统价格昂贵，操作复杂，动辄花费数百万 元，难以推广应用。此外，CT扫描多是将破坏前与破坏后的试件放入工业CT 中进行扫描，难以实现试验过程中的实时监测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种灵敏度高、简单易行、便于 推广、适合于路用材料并能克服应变片测试和CT扫描缺陷的沥青混合料表面裂 纹监测方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种沥青混合料表面裂纹监测方法，包括以下步骤：

S100、试件表面进行处理，使其表面保持平整、密实；

S200、选择一种延伸率与试件相近的导电材料，通过凹槽均匀的涂抹在试件 的表面，形成导电的不封闭回路；

S300、形成导电回路；将引出片放置在不封闭导电回路的两端，分别与所述 导电材料形成的不封闭导电回路并和所述导线连接后接入数据采集装置和电脑， 形成导电回路；

S400、检查导电回路的连通状态，打开数据采集装置及电脑，检查电路是否 处于连通状态；若处于连通状态，便可进行测试；否则，检查导电回路，直至电 路处于连通状态为止；

S500、对试件进行试验，若试件表面发生裂缝，导电回路将断开，连通数据 采集装置的电脑将会精确的实时记录电路断开的时间，该时间即为试件表面的开 裂时间，从而实现对试件表面裂纹的实时监测。

附图说明

图1为不封闭导电环布设示意图，其中(a)表示不封闭导电环布设正视示意 图，(b)表示不封闭导电环布设俯视示意图；

图2为平面受压/轴向压缩试验曲线及试件表面开裂时间。

具体实施方式

下面将结合附图1至图2以及进一步的详细说明来举例说明本发明。需要指 出的是，以下说明仅仅是对本发明要求保护的技术方案的举例说明，并非对这些 技术方案的任何限制。本发明的保护范围以所附权利要求书记载的内容为准。

一种沥青混合料表面裂纹监测方法，包括以下步骤：

S100、试件表面进行处理，使其表面保持平整、密实；

S200、选择一种延伸率与试件相近的导电材料，通过凹槽均匀的涂抹在试件 的表面，形成导电的不封闭回路；

S300、形成导电回路；将引出片放置在不封闭导电回路的两端，分别与所述 导电材料形成的不封闭导电回路并和所述导线连接后接入数据采集装置和电脑， 形成导电回路；

S400、检查导电回路的连通状态，打开数据采集装置及电脑，检查电路是否 处于连通状态；若处于连通状态，便可进行测试；否则，检查导电回路，直至电 路处于连通状态为止；

S500、对试件进行试验，若试件表面发生裂缝，导电回路将断开，连通数 据采集装置的电脑将会精确的实时记录电路断开的时间，该时间即为试件表面的 开裂时间，从而实现对试件表面裂纹的实时监测。

优选的，在S100中，所述试件为经过静压或者旋转压实成型直径为100mm、 高为100mm的沥青混合料圆柱体，再对所述沥青混合料圆柱体试件钻芯取样后 得到外直径为100mm，内直径为20mm，高为100mm沥青混合料中空圆柱体试 件；所述试件内外圆柱体表面高20mm、40mm、60mm、80mm的位置有宽度 为0.6mm的基准线，便于涂抹导电材料，也可根据需要在其他位置定出基准线。

优选的，在S200中，选用一种与所述试件延伸率相近的导电材料通过宽度 为0.6mm的凹槽均匀涂抹在试件内外圆柱体表面高20mm、40mm、60mm、 80mm的位置，形成多个第一不封闭导电回路，同时，在试件上表面内径和外 径之间涂抹导电材料，形成第二不封闭的导电回路；所述导电材料为低温常温固 化导电银胶，其组成成分主要为银粉，质量百分比为80％左右；其他组分为树脂、 促进剂、固化剂和稀释剂等，合计质量百分比为20％左右。这种导电银浆具有固 化温度低，易粘接、电性能稳定的特点。能很好的附着在试件表面，并较快的固 化。具体组成为：片状银粉80％、有机树脂8％、稀释剂6％、固化剂4％和固 化促进剂2％；其中的片状银粉为粒径为0.1～4μm的片状银粉，纯度≥99.9 ％。上述有机树脂为聚丙烯酸树脂，稀释剂为乙二醇丁醚醋酸酯，固化剂为1- 氰乙基-2-苯基咪唑，固化促进剂为4，4-二氨基苯甲基咪唑。

优选的，在S400中，所述数据采集装置具有16个独立的测试通道，每个测 试通道都具有独立的电源，且测试通道数量可以继续扩展。

优选的，在S500中，在所述空心圆柱体试件内置入内气囊，然后通过MTS 材料试验机施加竖向荷载，加载速度为2mm/min，使试件内表面处于平面拉压/ 轴向压缩受力状态，直至试件发生破坏。采集的所述封闭导电回路的通断时间可 以精确到0.01秒。

一种采用上述方法的监测装置，其包括导电材料、引出片、导线、数据采集 系统和电脑。所述导电材料的延伸率应接近试件的延伸率，导电材料通过定制的 凹槽均匀地涂抹在试件的表面；所述据采集装置有16个独立的测试通道，每个 通道都有独立的电源，且通道数可继续扩展，具有抗干扰性强、灵敏度高的特点； 所述导电材料被均构成的不封闭导电环的两端顺次与引出片、导线、数据采集装 置和电脑相连，构成导电回路，开启数据采集装置和电脑后，能通过电路断开的 时间，判断试件表面的开裂。

本发明最基础的实施例在于提出了一种沥青混合料表面裂纹监测装置，包括 试件、引出片、导线、数据采集装置和电脑；在所述试件外表面涂抹导电材料形 成多个第一个不封闭导电回路；同时，在试件上表面内径和外径之间涂抹导电材 料，形成一个或多个第二不封闭的导电回路；所述引出片位于不封闭导电回路的 两端，通过导线与数据采集装置和电脑连接形成导电通路；最后，通过导电通路 的通断判定裂纹的发生。

实施例1

下面以沥青混合料平面拉压/轴向压缩试验为例，介绍如何使用路用材料表 面裂纹监测装置及方法判断试件表面的开裂：

(1)静压或旋转压实成型直径为100mm、高为100mm的圆柱体沥青混合料试 件，钻芯取样后得到外直径为100mm，内直径为20mm，高为100mm中空圆柱 体试件。

(2)对试件表面进行磨光处理后，分别在试件内表面和外表面高20mm、40mm、 60mm、80mm处画水平线做出标记。

(3)选用一种与试件延伸率相近的导电材料或导电溶液(如导电银)，通过宽度 为0.6mm的凹槽，均匀涂抹在试件内圆柱表面和外圆柱表面高20mm、40mm、 60mm、80mm的位置，形成多个不封闭的导电圆环。同时，在试件上表面内径 和外径之间涂抹导电材料，形成一个不封闭的导电圆环，如图1所示。

(4)在不封闭的导电圆环两端顺次连接引出片、导线、数据采集装置和电脑。 每个不封闭导电圆环接入数据采集装置的一个通道与电脑相连，开启数据采集系 统和电脑，构成一个通电回路。

(5)检查通电回路是否出现断路。如果出现断路，采用万用表逐段测试电路的 通断；检查引出片与不封闭的导电圆环和导线是否紧密连接；直至不封闭的导电 圆环、引出片、导线、数据采集装置和电脑形成通电回路为止。

(6)将空心圆柱体试件在15℃的温控箱内保温6小时以，并在试件内腔装配内 气囊后施加0.5MPa的恒定气压，然后通过MTS材料试验机施加竖向荷载，加 载速度为2mm/min，使试件内表面处于平面拉压/轴向压缩受力状态，直至试件 发生破坏，并记录各导电回路的通断时间。通过MTS材料试验机得到试件的加 载时间-应力-应变关系曲线，将路用材料表面裂纹监测装置记录的试件内表面、 上表面、外表面的开裂时间标记点于试验曲线上，得到图2。

(7)从图2可知，点A为试件内表面出现裂纹的时间，为试验开始后的63.81 秒；点B为试件上表面出现裂纹的时间，为试验开始后的64.47秒；点C为试件 内表面出现裂纹的时间，为试验开始后的65.53秒。也就是说，在沥青混合料平 面拉压/轴向压缩试验中，试件内表面最先出现裂纹；随着荷载的增加，裂纹由 内向外迅速扩展，直至试件失去承载能力发生破坏。

(9)将A时间点对应的试件内表面的应力状态定义为材料的极限强度，得到沥 青混合料的平面拉压/轴向压缩强度(σ₁、σ₂、σ₃)为(0.542MPa、-0.5MPa、-5.414 MPa)。

为了论证空心圆柱体试件在内气囊和竖向荷载的综合作用下是否最先在内 表面发生破坏，进行了相应的文献论证：李建林对外径为220mm、内径为100mm、 高为250mm的空心圆柱体试件进行了三轴压-压-拉强度试验。他通过对试件内 表面和外表面贴应变片，辅之以声发射仪判别初裂的方法，得出在内腔压力及轴 向应力的共同作用下，圆筒试件最先从内表面开裂的结论，这与采用路用材料表 面裂纹监测方法得到的试验结果是一致的。

但是，若沥青混合料采用大尺寸试件进行试验，所需的竖向荷载将超过MTS 材料试验机量程，将导致试验难以进行；而采用外直径为100mm，内直径为20 mm，高为100mm中空圆柱体试件又难以通过粘贴应变片监测表面裂纹，而本发 明很好地解决了这一技术缺陷。若将路用材料表面裂纹监测装置及方法应用于路 面结构，可对路表至上而下发生的裂纹进行实时监测，这对研究路用材料力学特 性和路面结构破坏防治具有重要意义。

综上所述，本发明解决了传统应变片测试使用范围有限的问题；克服了CT 扫描操作复杂、试验设备昂贵、难以在试验过程中实时监测、难以推广应用的缺 点。本发明通过试件表面的导电材料、引出片、导线、数据采集系统和电脑构成 通电回路，通过电路的通断判断表面裂纹的发生、发展规律，具有简单易行、成 本低廉、灵敏度高、适用于复杂条件、可实时监测、便于推广应用的特点，对研 究路用材料的力学特性、寻找路面结构的破坏源及路面结构破坏防治具有重要意 义。

实施例2

本发明导电银胶是按照如下的工艺步骤完成的：

首先按照质量百分比准备以下原料：

片状银粉80％、有机树脂8％、稀释剂6％、固化剂4％和固化促进剂2％； 其中的片状银粉为粒径为0.1～4μm的片状银粉，纯度≥99.9％。上述有机 树脂为聚丙烯酸树脂，稀释剂为乙二醇丁醚醋酸酯，固化剂为1-氰乙基-2-苯基 咪唑，固化促进剂为4，4-二氨基苯甲基咪唑。

固化导电银胶的制备方法如下：

1)首先按质量百分比称量粒径为0.1～4μm，纯度≥99.9％的片状银粉，待 用；

2)按前述质量百分比称量有机树脂和稀释剂，在60℃条件下加热，待树脂 完全溶解后冷却至室温待用；

3)把前述的片状银粉加入到有机树脂和稀释剂的混合物中，加入固化剂和 固化促进剂，用胶体磨进行混合与粉碎，控制胶体磨的转速与运行时间，直到细 度小于5μm为止得到固化导电银胶成品。

所得固化导电银胶产品经检测与沥青测试材料的延伸率偏差小于0.1％；并 且在500次以上的检测应用中，没有出现导电银胶固化后发生裂缝的情况。

以上对本发明所提供的方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本 发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明 的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理 解为对本发明的限制。