CN115636631A - 一种地聚物基软磁材料及其制备方法与在检测沥青路面基层裂缝宽度上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地聚物基软磁材料及其制备方法与在检测沥青路面基层裂缝宽度上的应用。所述地聚物基软磁材料由软磁粉末与地质聚合物浆组成，布设于传统沥青路面基层。其中，软磁粉末为粒径10~200微米的铁粉，地质聚合物浆主要由水、粉煤灰、粒化高炉矿渣、碱性活化剂组成。地质聚合物浆中SiO₂和Al₂O₃的质量比为0.35~0.50。本发明结合车载磁通门传感器可直接获取道路基层裂缝方向和宽度情况，实现对基层裂缝全面、快速、无损检测，具备低成本、高可靠性、节能环保等优点，同时具备良好的力学性能与电磁特性。

Description

一种地聚物基软磁材料及其制备方法与在检测沥青路面基层 裂缝宽度上的应用

技术领域

本发明属于无机复合材料技术领域，具体涉及一种地聚物基软磁材料及其制备方法与在检测沥青路面基层裂缝宽度上的应用。

背景技术

截止目前，我国高速公路总里程已突破16万公里，稳居世界第一。然而由于我国汽车数量增长快速以及早期路面结构设计不合理等因素，路面服役状况不容乐观，各类道路病害层出不穷，严重影响了行车安全。其中，基层开裂是沥青路面病害的典型形式，并会引发一系列次生病害。因此，采用科学合理的基层裂缝检测手段，及早发现并处置是提升我国高速公路服役性能的有效措施。

目前，传统的道路基层裂缝检测方法主要分为以下几种，但都存在着一些问题：

其一，钻芯取样法。这类方法需要从路表钻芯至基层，会对道路结构造成严重破坏，是一种有损检测方法，而且检测效率低下，一次只可检测一个点位的裂缝，无法全面地获取一定区段道路基层开裂情况；

其二，探地雷达法。此类方法需要使用探地雷达对对路标发展电磁波，但容易受到环境因素干扰，精度不高，并且价格昂贵；

其三，在道路基层内部布设有线或无线传感装置。但采用有线传感器则需要在道路内部铺设复杂且易损坏的电线，线路与道面结构也存在耦合性差等问题，导致其无法高效、准确地获取基层内部应力变化情况。若采用无线传感器，则会由于电池容量低导致其使用寿命过短，且价格较高；

其四，图像识别方法。这类方法只可检测路表裂缝，无法拍摄到道路基层裂缝，并且识别准确性不高，受环境因素影响较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种地聚物基软磁材料及其制备方法与在检测沥青路面基层裂缝宽度上的应用，该地聚物基软磁材料可实现无损检测沥青道路基层裂缝宽度，以提早介入养护，降低公路运输的全生命周期成本。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种地聚物基软磁材料由软磁铁粉和地质聚合物浆混合而成，由软磁粉末与地质聚合物浆组成，所述软磁粉末掺量占地聚物基软磁材料总质量的35%~65%，所述地质聚合物浆由水、粉煤灰、粒化高炉矿渣、碱性活化剂组成；地质聚合物浆中SiO₂和Al₂O₃的质量比为0.35~0.50，且水灰比为0.25~0.60；所述地聚物基软磁材料的饱和磁化强度为100~700emu/kg，电阻率为5000~80000Ω·m，有效磁导率为3~20，28d抗压强度为30~60MPa，抗弯拉强度为6~12MPa。

优选的是，所述软磁铁粉的粒径范围为10~200微米的铁粉；所述碱性活化剂由富含氢氧根的离子化合物、水玻璃和水混合而成。

进一步优选的是，水玻璃模数为0.7~4.5，波美度为30~50，氧化纳含量和二氧化硅质量分数分别不低于7%和20%；所述富含氢氧根的离子化合物为氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钾、或氢氧化钙。

进一步优选的是，所述碱性活化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取富氢氧根离子化合物和水玻璃，用量比例为

=2.0~8.0；将富含氢氧根的离子化合物一次性加入水玻璃 中，搅拌至混合均匀，冷却至室温，直至固体全部溶解，补充所蒸发的水分，最终得到模数为 0.7~4.5、波美度为30~50的澄清混合溶液；

S2、将混合溶液静置冷却至室温后继续补充蒸发损失的水分，搅拌均匀，得碱性活化剂。

上述用于地聚物基软磁材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备地聚物料浆：

制备碱性活化剂，与粉煤灰、高炉矿渣混合，加水搅拌至均匀，制得地聚物料浆；按重量计，所述地质聚合物料浆的水灰比为0.25~0.60；且维持所述地质聚合物料浆所含组分中SiO₂与Al₂O₃的质量比为0.35~0.50；

步骤2、称取软磁粉末加入步骤1制得的溶液中搅拌至均匀，所述软磁粉末掺量占总质量的35%~65%；

步骤3、养护：浇筑于模具中，放入温度为25℃、湿度为95%的标准养护箱内养护28天，拆模后得到新型软磁地聚物材料成品。

上述一种地聚物基软磁材料在检测沥青路面基层裂缝宽度上的应用，是将地聚物基软磁材料铺设于传统沥青路面基层，浇筑的道路基层通过车载磁通门传感器直接获取道路基层裂缝方向和宽度，实现对基层裂缝全面、快速、无损检测，提高养护效率和道路服役性能，从而降低道路全生命周期成本。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种地聚物基软磁材料及其制备方法与在检测沥青路面基层裂缝宽度上的应用，具有如下优势：

1、本发明的28d抗压强度为30~60MPa，抗弯拉强度为6~12MPa，可用于替代传统沥青路面基层，大幅提升基层力学性能。同时地聚物是一种固体废弃材料，具有价格低廉、绿色环保、坚实耐用等优良特点。

2、本发明结合车载磁通门传感器可直接获取道路基层裂缝方向和宽度。在磁通门传感器的检测下，地聚物基软磁材料开裂处与未开裂处所反馈出的感生磁场信号波形存在明显区别，异常波形的峰值大小和方向可准确反映基层裂缝的方向、宽度，从而实现对基层裂缝全面、快速、无损检测。

3、由于软磁粉末的添加，地聚物基软磁材料的饱和磁化强度为100~700emu/kg，电阻率为5000~80000Ω·m，有效磁导率为3~20，具有典型的软磁特性，在磁通门传感器的检测下具有明显的波形信号特征，进行裂缝检测时对传感器的精度要求较低，适宜大规模推广。

附图说明

图1为本发明实施例中用于沥青道路基层裂缝电磁无损检测的新型软磁地聚物材料的制备流程图；

图2为使用磁通门传感器检测新型软磁低聚物基层裂缝示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

按照下列质量称取原材料：按粉煤灰、粒化高炉矿渣、氢氧化钠、水玻璃和铁粉，其中地质聚合物浆中SiO₂与Al₂O₃的质量比为0.30称取材料，按水灰比为0.3称取水，按地聚物料浆与铁粉质量为1：1称取铁粉，按以下制备方法在25℃的环境下制备聚磁型路面材料。

参照图1，制备方法如下：

S1、制备地质聚合物浆：

S1.1制备碱性活化剂

称取200g氢氧化钠溶解在1000g水玻璃中，充分搅拌8min后密封，静置冷却到室温后补充被蒸发的水，得模数为1.25、波美度为43.96的碱性活化剂；

S1.2 将粉煤灰与粒化高炉矿渣均匀混合得到复合粉体，将制得的碱性活化剂与复合粉体加入搅拌锅中，并加入水，加水充分搅拌至均匀得到地聚物料浆；

S2、取400g地聚物浆体，加入等量400g粒径为50μm的软磁铁粉，振捣20 min至充分混合；

S3、养护：浇筑于模具中，带模具养护24小时后脱模，脱模后将试样置于温度为25℃、湿度为95%的标准养护箱内养护28天，得地聚物基软磁材料。

对上述制备的地聚物基软磁材料进行电磁学性能和力学性能的测试，方法如下：

（1）饱和磁化强度：制作尺寸为1mm* 1mm* 1mm的立方体样品，使用LakeShore-7404型振动磁强计测试样品的饱和磁化强度。

（2）电阻率及有效磁导率：制作直径为100mm、高度为50mm的圆柱体试样，在两个底面贴以直径为100mm、厚度为1mm的铜片作为平行电极，使用安柏AT3810A型 LCR测试仪测得样品的电阻率和有效磁导率。

（3）抗压强度：将尺寸为40 mm*40 mm*40 mm的长方体试样置于抗压强度试验仪中，以1KN/s的速率加载，测得样品的抗压强度。

（4）抗弯拉强度：将尺寸为40 mm*40 mm* 160mm的长方体试样置于抗弯强度试验仪中，以1KN/s的速率加载，测得样品的抗弯拉强度。

按照上述测试方法测试出本实施例制得的用于无损检测沥青道路基层裂缝宽度的新型软磁地聚物材料饱和磁化强度为154.9 emu/kg，电阻率为5700 Ω·m，抗压强度为24.3 MPa，抗弯拉强度为9.4 MPa。

实施例2

使用实施例1中所制备的新型软磁地聚物材料制作长1m，宽1m，厚0.5m的道路基层模型，并放置于水平面上。实施例2基层模型内部无裂缝。在25℃环境下使用天恒TM4300磁通门传感器，在距离所述道路基层模型正上方0.2m处扫描并检测磁场。经检测，基层模型上方任意一点磁场大小为82.8 ~ 83.1 µT。

实施例3

使用实施例1中所制备的新型软磁地聚物材料制作长1m，宽1m，厚0.5m的道路基层模型，并放置于水平面上。实施例3基层模型上表面设置一横向裂缝，裂缝宽度1mm，长20cm。在25℃环境下使用天恒TM4300磁通门传感器，在距离所述道路基层模型上方0.2m处扫描并检测磁场。经检测，基层模型无裂缝处磁场大小为82.5 ~ 83.2µT，裂缝正上方为69.3 µT~71.4 µT。根据磁场变化区间可探测到裂缝走向及长度约20cm，根据磁场大小可估算裂缝宽度约1mm。

实施例4

实施例1中所制备的新型软磁地聚物材料制作长1m，宽1m，厚0.5m的道路基层模型，并放置于水平面上。实施例4基层模型上表面设置一纵向裂缝，裂缝宽度3mm，长30cm。在25℃环境下使用天恒TM4300磁通门传感器，在距离所述道路基层模型上方0.2m处扫描并检测磁场。经检测，基层模型无裂缝处磁场大小为82.3 ~ 83.5µT，裂缝正上方为58.7 µT~65.2 µT。根据磁场变化区间可探测到裂缝走向及长度约30cm，根据磁场大小可估算裂缝宽度约3mm。

综上所述，本发明结合车载磁通门传感器可直接获取道路基层裂缝方向和宽度情况，实现对基层裂缝全面、快速、无损检测，具备低成本、高可靠性、节能环保等优点，同时具备良好的力学性能与电磁特性。

Claims (6)

1.一种地聚物基软磁材料，其特征在于，由软磁粉末与地质聚合物浆组成，所述软磁粉末掺量占地聚物基软磁材料总质量的35%~65%，所述地质聚合物浆由水、粉煤灰、粒化高炉矿渣、碱性活化剂组成；地质聚合物浆中SiO₂和Al₂O₃的质量比为0.35~0.50，且水灰比为0.25~0.60；所述地聚物基软磁材料的饱和磁化强度为100~700emu/kg，电阻率为5000~80000Ω·m，有效磁导率为3~20，28d抗压强度为30~60MPa，抗弯拉强度为6~12MPa。

2.根据权利要求1所述的地聚物基软磁材料，其特征在于：所述软磁铁粉的粒径范围为10~200微米的铁粉；所述碱性活化剂由富含氢氧根的离子化合物、水玻璃和水混合而成。

3.根据权利要求2所述的地聚物基软磁材料，其特征在于：水玻璃模数为0.7~4.5，波美度为30~50，氧化纳含量和二氧化硅质量分数分别不低于7%和20%；所述富含氢氧根的离子化合物为氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钾、或氢氧化钙。

4.根据权利要求2所述的地聚物基软磁材料，其特征在于，所述碱性活化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取富氢氧根离子化合物和水玻璃，用量比例为

=2.0 ~8.0；将富含氢氧根的离子化合物一次性加入水玻璃中，搅拌至混合均匀，冷却至室温，直 至固体全部溶解，补充所蒸发的水分，最终得到模数为0.7~4.5、波美度为30~50的澄清混合 溶液；

S2、将混合溶液静置冷却至室温后，继续补充蒸发损失的水分，搅拌均匀，得碱性活化剂。

5.基于权利要求1所述的地聚物基软磁材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制备地聚物料浆：

制备碱性活化剂，与粉煤灰、高炉矿渣混合，加水搅拌至均匀，制得地聚物料浆；按重量计，所述地质聚合物料浆的水灰比为0.25~0.60；且维持所述地质聚合物料浆所含组分中SiO₂与Al₂O₃的质量比为0.35~0.50；

步骤2、称取软磁粉末加入步骤1制得的溶液中搅拌至均匀，所述软磁粉末的掺量占总质量的35%~65%；

步骤3、养护：浇筑于模具中，放入温度为25℃、湿度为95%的标准养护箱内养护28天，拆模后得到新型软磁地聚物材料成品。

6.基于权利要求1所述的一种地聚物基软磁材料在检测沥青路面基层裂缝宽度上的应用，其特征在于，将地聚物基软磁材料铺设于传统沥青路面基层，浇筑的道路基层通过车载磁通门传感器直接获取道路基层裂缝方向和宽度，实现对基层裂缝全面、快速、无损检测提高养护效率和道路服役性能，从而降低道路全生命周期成本。

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