CN105486218A - 一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计与应用，包括柱体形条、分别安装在柱体形条两端的用于固定柱体形条的固定元件，柱体形条内设置有若干个内置电极，所述固定端由黑色尼龙66制成，柱体形条由所述尼龙66基复合机敏材料制成，柱体形条外侧设置封装层。尼龙66基复合机敏材料由熔融尼龙66和导电相混合制备而成，所述导电相为石墨、镍粉、碳纳米管或表面镀镍的碳纳米管中的一种或多种的混合物。本发明的尼龙66基复合机敏材料具有优良的机敏性能，能将应变情况转换为电信号，是应变计的核心组成部分，能适用于应变的检测，可靠度高，精确度好。尼龙66基复合机敏材料与沥青混凝土路面有良好的变形协调性，能准确监测沥青路面应变。

Description

一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计与应用

技术领域

本发明涉及一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计与应用，属于道路监测领域。

背景技术

沥青类路面是我国主要的路面结构形式。由于沥青路面材料、结构、施工工艺的复杂性，沥青路面结构的力学分析、现场监测十分困难，路面设计和应用者难以准确掌握沥青路面的力学状态，这对沥青路面结构设计与维修方案的确定十分不利，并导致大量的沥青路面早期损坏，由此发生严重的工程量浪费，对行车造成不利影响，并引发其他社会和环境问题。在温、湿和车辆荷载作用的复杂环境下，沥青混凝土结构层的力学状态十分复杂。准确掌握沥青路面结构的力学状态对于路面的科学设计，减少沥青路面的早期损坏至关重要。

目前，监测路表弯沉是工程界评价路面结构力学状态的常用方法，由于分析方法、材料参数等影响，采用这种方法难以得到路面结构内部的实际力学状态，无法为路面结构的设计、养护提供科学依据，沥青结构层内部力学状态的测试显得十分必要。目前，沥青路面结构应力应变的监测中，电阻式应变片占主导地位，光纤光栅技术也有应用。但由于传统监测元件需要在沥青混凝土中预埋并高温碾压，这种特殊的成型工艺和恶劣的工作环境使得监测元件成活率低、耐久性差。因此，亟需一种成本低廉、可靠、耐久性好的沥青结构层内部应力应变测试技术。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷与不足，本发明拟提出一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计与应用。该应变计具有灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉、可靠性高以及耐久性好等特点，可实现自动监测与信号收集。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种尼龙66基复合机敏材料，由熔融尼龙66和导电相混合制备而成，所述导电相为石墨、镍粉、碳纳米管或表面镀镍的碳纳米管中的一种或多种的混合物。

所述石墨导电相在碳的同素异形体中，含碳量高，电导率高，性质稳定(主要指耐热、耐腐蚀，不与基材反应，耐久性好)，容易分散，成本低廉；所述镍粉导电相在金属粉中属于电导率高、性质稳定、容易分散、成本适中的材料；所述碳纳米管及表面镀镍的碳纳米管导电性较好，性质稳定，较易分散，机敏性优良。

优选的，当导电相为石墨时，石墨与尼龙66的质量比为30-60:100；当导电相为镍粉时，镍粉与尼龙66的质量比为20-50:100；当导电相为碳纳米管时，碳纳米管与尼龙66的质量比为1-5:100；当导电相为表面镀镍的镀镍碳纳米管时，表面镀镍的碳纳米管与尼龙66的质量比为1-5:100。

表面镀镍的碳纳米管在不影响碳纳米管优良的机敏性的情况下，能提高电导率，且利于分散。

导电相的混掺可以集合各类导电相的优势，在导电相较小掺量的情况下，获得良好的导电性以及优良的机敏性。

上述尼龙66基复合机敏材料在制备监测沥青路面应变的应变计中的应用。

一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计，包括柱体形条、分别安装在柱体形条两端的用于固定柱体形条的固定元件，柱体形条内设置有若干个内置电极，所述固定元件由黑色尼龙66制成，柱体形条由所述尼龙66基复合机敏材料制成，柱体形条外侧设置封装层。

封装所用材料可为树脂、胶粘剂等，需满足绝缘、防潮防腐、耐高温(205℃)等要求。

优选的，所述应变计包括监测沥青路面拉应变应变计和监测沥青路面压应变应变计，所述固定元件为柱形挡板。

进一步优选的，所述拉应变应变计的柱体形条的长度与每个底面的任意两点连线的长度的最大比值为15～20，每个底面任意两点连线长度小于等于需监测沥青结构层厚的三分之一。

所述柱体均为正柱体，底面指水平两侧互相平行且大小相同的两个面，与之相对的是侧面，侧面特征即每相邻两个面交线互相平行，此交线即为柱体高，也即柱体形条的长度。

所述拉应变应变计主要目的用于监测沥青结构层层底或层内拉应变，最佳监测状态是监测元件无限小，仅监测某一特定点的应变。但在实际应用中，需考虑元件本身制作工艺的可操作性以及机敏反应的灵敏性；而应尽量缩小元件尺寸，使监测区域尽量小，提高监测精度，来反应沥青路面的真实应变情况。考虑一般沥青结构层每一层厚度，做出以上规定。

进一步优选的，所述压应变应变计两端柱形挡板尺寸要求为，柱形挡板的截面半径大于柱体形条的截面的半径；柱体形条的长度应小于等于所需监测结构层厚度的二分之一，柱体形条的每个底面上任意两点连线长度小于等于柱体形条的长度。

优选的，所述封装层包括涂胶层和套合在涂胶层外侧的套管。

优选的，所述内置电极的个数为两个，两个内置电极平行设置。

上述机敏材料应变计的使用方法，将拉应变应变计水平埋置在待监测结构层的层底或层内；或将压应变应变计竖直埋置在待监测结构层的层顶或层内，柱体形条平行于沥青结构层埋置时为水平埋置，柱体形条竖直埋置时为竖直埋置。

上述机敏材料应变计在监测沥青路面应变中的应用，应变计的参数包括失效区间、监测区间、灵敏度及工作温度范围。

优选的，应变计的失效区间为＞30000με，监测区间为8％～10％，灵敏度为0.0025～0.01％/με，工作温度范围为-20～70℃。

此应变计使用中在大应变情况下不会破坏，能监测大范围的应变值；灵敏度适中，能感应较小应变而不易受外界干扰，稳定性较佳；应变计工作温度范围广泛，能适应沥青路面温度的变化，适应于沥青路面运营当中应变的长期监测。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的尼龙66基复合机敏材料具有优良的机敏性能，能将应变情况转换为电信号，是应变计的核心组成部分，能适用于应变的检测，可靠度高，精确度好。

2、所述尼龙66基复合机敏材料与沥青混凝土路面有良好的变形协调性，能准确监测沥青路面应变。

3、本发明的应变计各元件组成原料来源广泛，价格低廉，成型工艺较为简单，成本低廉，能有效降低沥青路面应变状态监测成本，可以大量推广，广泛应用。

附图说明

图1为本发明的拉应变应变计结构示意图；

图2为本发明的压应变应变计结构示意图；

图3为机敏材料应变-电阻变化率图。

其中，1、柱体形条，2、内置电极，3、柱形挡板，4、外接线路。图3中，虚线表示应变，实线表示电阻变化率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计，包括柱体形条1、分别安装在柱体形条1两端的用于固定柱体形条1的柱形挡板3，柱体形条1内设置有若干个内置电极2，所述柱形挡板3由黑色尼龙66制成，柱体形条1由所述尼龙66基复合机敏材料制成，柱体形条1外侧设置封装层，内置电极2与外接线路4连接。

所述两类应变计中尼龙66基复合机敏材料由熔融尼龙66以及导电相混合搅拌而成，制备时应先将黑色尼龙66与导电相充分拌合，搅拌2～5min后加入双螺杆挤出机，挤出2～3次，将挤出物用注塑机成形。

所述拉应变应变计尼龙66基复合机敏材料制成的柱体形条1高与底面任意两点连线最大值比为15～20，底面任意两点连线长度小于等于需监测沥青结构层厚的三分之一。两端柱体固定端为柱形挡板3，主要用于埋置时，将应变计固定在待测沥青结构层。具体尺寸要求为，柱形挡板3截面半径应大于柱体形条1的截面半径，柱形挡板3长径比应较小，以利于固定为准。

所述拉应变应变计的柱体形条1设置两个内置电极2，平行于柱形挡板3底面设置，供测量使用，内置电极2保护层厚度(电极距离底面距离)设置为不小于5mm。内置电极2可为网状、线圈状等，也可独立的形成一个平面。内置电极2的材料可采用不锈钢、铜、铝、合金等材料。尺寸为适应于传感器元件尺寸。

所述拉应变应变计柱体形条1的外部需进行封装保护，隔离外部环境。封装层应与元件贴合紧密，封装所用材料可为树脂、胶粘剂等，需满足绝缘、防潮防腐、耐高温(205℃)等要求。

所述压应变应变计两端柱形挡板尺寸要求为，柱形挡板3的截面半径应大于柱体形条1的截面半径，柱形挡板3长径比应较小，以利于固定为准；尼龙66基复合机敏材料制成的柱体形条1高应小于等于所需监测结构层厚度的二分之一，底面任意两点连线长度小于等于柱体形条1的高。

所述压应变应变计柱体形条1设置两个内置电极2，平行于柱形挡板3的底面设置，供测量使用，内置电极2保护层厚度(电极距离底面距离)设置为不小于5mm。内置电极2可为网状、线圈状等，也可独立的形成一个平面。内置电极材料可采用不锈钢、铜、铝、合金等材料。尺寸为适应于传感器元件尺寸。

所述压应变应变计柱体形条1外部需进行封装保护，隔离外部环境。封装层应与元件贴合紧密，封装所用材料可为树脂、胶粘剂等，需满足绝缘、防潮防腐、耐高温(205℃)等要求。

所述应变计具有良好的机敏性能，此处以压应变应变计为例，由其元件试验曲线可得出失效区间、监测区间、灵敏度及工作的温度范围等参数，拉应变与此相同。

由应变计元件组成材料尼龙66基复合机敏材料的抗折强度知，材料的抗折强度在31.79MPa，材料的模量为757.6MPa，则其极限压应变为40000με，考虑安全系数及路面实际承受荷载，应变计的失效区间为＞30000με。

所述应变计的监测区间即其测试范围，表征***能够承受最大输入量的能力，可由以下公式计算：

Y_FS＝Y_H-Y_L，

其中，Y_FS为测试范围，Y_H为测量上限所输出量的平均值(％)，Y_L为测量下限所输出量的平均值(％)。

此处测试范围即为输出最大电阻变化率与最小电阻变化率的差值，如图3所示为10％。考虑应变计的差异性，测试范围可为8％～10％。

所述应变计灵敏度是指测量***输出量的变化量是指测量***输出量的变化量Δy与输入量的变化量Δx的比值：

灵敏度＝Δy/Δx。

在此处，输入量为应变，输出量为电阻变化率时，灵敏度即为：

$K_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\mathrm{\Δ}(\mathrm{\Δ}R/R)}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}},$

其中，K_ε为应变对应的灵敏度系数，ΔR/R为电阻变化率，Δε为应变变化量。

如图3所示，灵敏度即为0.0025％/με。考虑其差异性，应变计的灵敏度可达0.0025～0.01％/με。

所述应变计工作的温度范围，考虑元件机敏性能与温度的关系，应变计工作的温度范围为-20～70℃。实际操作中，需要考虑温度补偿，具体操作方法为在同一断面埋置相同应变计，使其位于路面边缘不受力的位置，仅受周围环境的影响，用于监测环境温度的变化，得到温度与电阻变化率之间的关系，应变计所测数据减去由温度引起的变化，消除温度对应变计监测路面应变的影响

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种尼龙66基复合机敏材料，其特征在于：由熔融尼龙66和导电相混合制备而成，所述导电相为石墨、镍粉、碳纳米管或表面镀镍的碳纳米管中的一种或多种的混合物。

2.根据权利要求1所述的尼龙66基复合机敏材料，其特征在于：当导电相为石墨时，石墨与尼龙66的质量比为30-60:100；当导电相为镍粉时，镍粉与尼龙66的质量比为20-50:100；当导电相为碳纳米管时，碳纳米管与尼龙66的质量比为1-5:100；当导电相为表面镀镍的碳纳米管时，镀镍碳纳米管与尼龙66的质量比为1-5:100。

3.权利要求1-2任一所述尼龙66基复合机敏材料在制备监测沥青路面应变的应变计中的应用。

4.一种监测沥青路面应变的机敏材料应变计，其特征在于：包括柱体形条、分别安装在柱体形条两端的用于固定柱体形条的固定元件，柱体形条内设置有若干个内置电极，所述固定端由黑色尼龙66制成，柱体形条由所述尼龙66基复合机敏材料制成，柱体形条外侧设置封装层。

5.根据权利要求4所述的机敏材料应变计，其特征在于：所述应变计包括监测沥青路面拉应变应变计和监测沥青路面压应变应变计，所述固定元件为柱形挡板。

6.根据权利要求5所述的机敏材料应变计，其特征在于：所述拉应变应变计的柱体形条的长度与每个底面的任意两点连线的长度的最大比值为15～20，每个底面任意两点连线长度小于等于需监测沥青结构层厚的三分之一。

7.根据权利要求5所述的机敏材料应变计，其特征在于：所述压应变应变计两端柱形挡板尺寸要求为，柱形挡板的截面半径大于柱体形条的截面的半径；柱体形条的长度应小于等于所需监测结构层厚度的二分之一，柱体形条的每个底面上任意两点连线长度小于等于柱体形条的长度。

8.根据权利要求5所述的机敏材料应变计，其特征在于：所述封装层包括涂胶层和套合在涂胶层外侧的套管，所述封装层与机敏材料元件贴合紧密；

或所述内置电极的个数为两个，两个内置电极平行设置。

9.权利要求5-8任一所述机敏材料应变计的使用方法，其特征在于：将拉应变应变计水平埋置在待监测结构层的层底或层内；或将压应变应变计竖直埋置在待监测结构层的层顶或层内，柱体形条平行于沥青结构层埋置时为水平埋置，柱体形条竖直埋置时为竖直埋置。

10.权利要求5-8任一所述机敏材料应变计在监测沥青路面应变中的应用，应变计的参数包括失效区间、监测区间、灵敏度及工作温度范围；

优选的，应变计的失效区间为＞30000με，监测区间为8％～10％，灵敏度为0.0025～0.01％/με，工作温度范围为-20～70℃。