用于路基监测的自感知自密固化土、制备方法、应用

本发明属于道路工程自感应，具体涉及用于路基监测的自感知自密固化土、制备方法、应用。

背景技术：

1、针对地质灾害、路基路面结构的耐久性问题，以及城市地下水局部地段集中开采造成路面塌方等的社会性灾难事件，由少量短切碳纤维掺入固化土中制备的碳纤维固化土复合材料应运而生。短切碳纤维在固化土内的极小位移引起电阻率的可逆变化，称为压阻效应。因此，该功能性复合材料能够通过电信号实时感知自身的力学状态。在路基病害监测领域，传统的监测方法存在耗时耗力的问题。若不能及时采取措施进行修复处理，将会进一步导致路面沉降过大，甚至突然塌方。应用自感知自密固化土技术能够实时监测路基路面的应力和应变状态并提供早期警报。在传统的监测领域，金属应变片传感器的应变灵敏度仅与金属的泊松比有关，故其灵敏度较低，且存在与被监测材料应变不协调的问题。相比之下，在固化土中掺入短切碳纤维的方法，其电阻率的极大变化主要依靠短切碳纤维在固化土的拉拔和挤压造成的微小位移，其应变灵敏度的值甚至达到数百，远远超过金属应变片传感器。

2、尽管短切碳纤维凭借其高模量、高强度、耐腐蚀、导电导热良好等特性提高了固化土复合材料的相关性能。在实际应用中，短切碳纤维固化土复合材料普遍还存在着一些问题，如短切碳纤维之间的范德华力和表面疏水性造成其容易在水中或固化土材料中团聚。因此，掺入前的短切碳纤维往往需要进行表面改性处理。另一方面，已有研究往往会忽略的纤维分布与取向变化，但纤维的分布和取向对短切碳纤维固化土复合材料的力学性能与电学性能有着至关重要的影响，因此制备该复合材料时应考虑纤维的分布和取向以达到最优性能。此外，部分研究忽略电极与固化土之间收缩电阻的不利影响，即便埋设了高导电性的电极，二者之间的收缩电阻仍不可消除，进而造成实际监测的结果存在严重误差。

技术实现思路

1、本发明提供用于路基监测的自感知自密固化土、制备方法、应用，以克服现有技术中的不足。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于路基监测的自感知自密固化土，本自感知自密固化土以烘干的原料土质量为基准，按质量百分比计量如下：

3、烘干的原料土：100％

4、固化剂：10-25％

5、粉煤灰：2-5％

6、拌合水：60-70％

7、短切碳纤维：0.1-0.6％

8、表面活性剂：0.05-0.3％。

9、作为本发明的进一步优选，所述原料土采用开挖弃土，所述原料土包括淤泥、淤泥质土、粉质黏土、疏浚淤泥、盾构泥浆；所述原料土中不得含有机类垃圾。

10、作为本发明的进一步优选，所述固化剂采用具有胶凝作用的材料，具有胶凝作用的材料为水泥、水玻璃、矿渣、硅灰。

11、作为本发明的进一步优选，所述粉煤灰粒径小于0.005mm，强度活性指标大于80％。

12、作为本发明的进一步优选，所述拌合水为饮用水及不含油类等杂质的清洁中性水，ph值为6-8。

13、作为本发明的进一步优选，所述短切碳纤维包括t700型碳纤维长丝切割而成的3mm或6mm短切碳纤维；所述短切碳纤维含碳量≥97％，单丝直径为5-10μm，拉伸强度≥3500gpa，电阻率≤1.2ω·cm。

14、作为本发明的进一步优选，所述表面活性剂为羟丙基甲基纤维素钠或阴离子聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯或甲基纤维素。

15、还提供了用于路基监测的自感知自密固化土的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤1、对易于团聚的短切碳纤维进行碱预处理：

17、将短切碳纤维放入氢氧化钠溶液中搅拌后静置，然后过滤并洗去残留的氢氧化钠溶液，得到经过碱预处理的短切碳纤维；

18、步骤2、采用表面活性剂对易于团聚的短切碳纤维进行表面预处理：

19、将表面活性剂粉末加入到水中，搅拌至完全溶解，得到表面活性剂溶液；随后将经过碱预处理的短切碳纤维加入到表面活性剂溶液中，经过高速分散后得到短切碳纤维浆料悬浮液；

20、步骤3、自感知自密固化土的制备：

21、先将原料土烘干、粉碎、过筛，与固化剂和粉煤灰均匀拌合，随后加入步骤2中得到的短切碳纤维浆料悬浮液和水搅拌，随后立刻测定流动度，并以2.5％梯度增加固化剂和粉煤灰掺量或含水率，将新拌自感知自密固化土浆体的流动度调配至160-200mm，得到用于路基监测的所述自感知自密固化土。

22、还提供了一种将用于路基监测的自感知自密固化土作为制成固化土自感知传感器的应用，应用过程中，由自感知自密固化土制成的固化土自感知传感器沿主轴方向分布埋设于路基的半刚性基层。

23、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

24、1、本发明具有较低塑性黏度和屈服应力的新拌自感知自密固化土浆体具有高流动性及自密实性能，制样时短切碳纤维的排列方向随着新拌浆体的流动方向进入制样模具中，纤维取向角在流场的作用下变得更小，使大量短切碳纤维在自密固化土中沿主轴定向排列，增大了导电相接触几率或减少导电相之间的距离，进而增加电子在欧姆连续介质中的传导，并减少具有一定跃迁势垒的电子隧道传导，构筑均匀短切碳纤维导电网络，对其自感知能力提高潜力突出。

25、2、本发明自密固化土浇筑时不需要传统固化土的振捣工程，仅靠自身重力即可保证模具内部的均匀密实，也避免了振捣过程对模具内部电极网的扰动。其关键之处在于可充分填充固化土与金属电极网的缝隙，克服了普通固化土材料与电极之间的界面效应。此外为了避免极化效应等因素产生不利影响，测量电阻率时往往使用高频交流电作为输出电源，这种情况下电阻实际是交流阻抗，阻抗的实部为电阻，虚部为电抗。应用自密固化土技术使电极与固化土的接触面积趋于稳定，大幅削弱了收缩电阻的干扰，保证了电学性能的稳定性。

26、3、本发明提供的自感知自密固化土的电学性能和力学性能强。分散均匀的短切碳纤维掺入自密固化土中，通过纤维的桥接效应直接增大了固化土的力学性能。调整固化剂掺量也有利于提高自感知自密固化土的强度，使其在受到路基以上的荷载时力学状态仍维持在弹性阶段，保证电阻率变化的可重复性。该发明采用分布埋设的方式，将固化土自感知传感器沿其主轴方向埋设在路基的半刚性基层，以实时监测路基路面结构的状态，将电阻率的变化传输给云端。根据实际情况来合理判断电阻率变化的原因，采取措施及时维护路基或预防路面塌方，实现土建基础设施的信息智能化；同时可实时获取路基应力分布情况，进而实时判断路面所受车辆荷载，避免车辆超速或超重的情况。

技术特征：

1.用于路基监测的自感知自密固化土，其特征在于，自感知自密固化土以烘干的原料土质量为基准，按质量百分比计量如下：

2.根据权利要求1所述的用于路基监测的自感知自密固化土，其特征在于：所述原料土采用开挖弃土，所述原料土包括淤泥、淤泥质土、粉质黏土、疏浚淤泥、盾构泥浆；所述原料土中不得含有机类垃圾。

3.根据权利要求1所述的用于路基监测的自感知自密固化土，其特征在于：所述固化剂采用具有胶凝作用的材料，具有胶凝作用的材料为水泥、水玻璃、矿渣、硅灰。

4.根据权利要求1所述的用于路基监测的自感知自密固化土，其特征在于：所述粉煤灰粒径小于0.005mm，强度活性指标大于80％。

5.根据权利要求1所述的用于路基监测的自感知自密固化土，其特征在于：所述拌合水为饮用水及不含油类等杂质的清洁中性水，ph值为6-8。

6.根据权利要求1所述的用于路基监测的自感知自密固化土，其特征在于：所述短切碳纤维包括t700型碳纤维长丝切割而成的3mm或6mm短切碳纤维；所述短切碳纤维含碳量≥97％，单丝直径为5-10μm，拉伸强度≥3500gpa，电阻率≤1.2ω·cm。

7.根据权利要求1所述的用于路基监测的自感知自密固化土，其特征在于：所述表面活性剂为羟丙基甲基纤维素钠或阴离子聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯或甲基纤维素。

8.根据权利要求1至7任一所述的用于路基监测的自感知自密固化土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求1至7任一所述的用于路基监测的自感知自密固化土的应用，其特征在于：将用于路基监测的自感知自密固化土作为制成固化土自感知传感器的应用，应用过程中，由自感知自密固化土制成的固化土自感应传感器沿主轴方向分布埋设于路基的半刚性基层。

技术总结本发明属于道路工程自感应技术领域，具体涉及用于路基监测的自感知自密固化土及制备方法，所述自感知自密固化土包括原料土、固化剂、粉煤灰、水、短切碳纤维、表面活性剂以及氢氧化钠。采用自密固化土技术分别引导短切碳纤维沿主轴定向排列以及填充电极网与固化土之间的缝隙。制备时，将原料土、固化剂、粉煤灰一同干拌混合，随后加入短切碳纤维浆料悬浮液和水继续搅拌，并以固定梯度增加含水率或固化剂和粉煤灰掺量直至新拌浆体的流动度达到160‑200mm，得到自感知自密固化土。本发明还包括自感知自密固化土制成的固化土自感知传感器，根据实际需求在路基的半刚性基层分布埋置若干个该传感器，使整个道路工程自身具有感知特性，进而实现实时监测与安全预警功能。技术研发人员：徐婕,梁剑辉,高玉峰,齐乐,张燚,龚英,孙宇浩受保护的技术使用者：河海大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29