（固体力学专业论文）碳纤维复合材料在交通越线违规检测中的实验研究.pdf

中文摘要 随着经济的发展和国力的不断强盛，我国的现代化进程不断加快，交通网络 日趋繁杂，与日俱增的车流量必将给交通道路系统带来更加繁重的压力。交通状 况日益恶化，这几乎成为所有城市的通病。由交通违规带来的困境日益为各国政 府部门所重视。改进传统水泥基和树脂基功能材料制作工艺，研制一种能有效监 测交通载荷作用的新型多功能复合材料传感器件，拓展其应用领域并促使其成为 结构功能一体化材料的同时，对推进交通监测智能化方向发展具有广泛的工程应 用意义。本文主要研究工作与创新成果包括以下几个方面： 1 研究以碳纤维、炭黑、石墨复合导电相制作的水泥基复合材料本征传感器件， 分析其在交通载荷作用下的静态、动态传感特性。研究结果表明其有较好的传感 稳定性，但灵敏系数较低； 2 研究长连续碳纤维经过相关工艺制作的连续碳纤维树脂基复合材料本征传 感器件，分析其在交通载荷作用下的静态( 时效性、线性度、数据离散程度、平 均迟滞性及重复性、灵敏度) 及动态传感特性。研究表明：标准条件下，碳带树 脂基传感器可以实时、有效、可靠地监测脉冲荷载信号，能定性地判断脉冲载荷 的大小；且连续脉冲荷载间的时间间隔越短传感器的线性度越好、可靠性和稳定 性越好； 3 将制作的传感器件用于道路交通中的越线违规监测模拟实验，通过人流、车 流载荷的实验模拟，实验表明利用连续碳纤维树脂基复合材料的传感特性可以准 确地测试动载响应，还可以通过传感器电压响应曲线来分析载荷特征，定性地监 测交通流( 包括人流和车流) 。 4 找出合理的载荷加载形式，利用a n s y s 有限元软件模拟移动载荷加载作用下， 传感器件的电压分布响应及压阻特性，分析结构的应变和应力大小。通过理论和实 验结果的对比验证了参数计算的正确性，为进一步的实验和理论分析提供依据。 关键词：交通违规，碳纤维复合材料，传感特性，移动载荷，有限元模拟 a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dn a t i o n a lp o w e rc o n t i n u e ds t r o n g , a c c e l e r a t i n g c h i n a sm o d e r n i z a t i o np r o c e s s ，t r a n s p o r tn e t w o r k sb e c o m ec o m p l i c a t e di n c r e a s i n g l y , e v e r - i n c r e a s i n gt r a f f i cf l o wt ot h et r a n s p o r tn e t w o r kw i l lb r i n gm o r eh e a v yp r e s s u r et o t r a n s p o r ts y s t e m n et r a f f i cs i t u a t i o nw o r s e n i n g ，w h i c hi sa l m o s tac o m m o np r o b l e m f o ra l lc i t i e s ，n a t i o n a lg o v e m m e n td e p a r t m e n t sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed i l e m m a f r o mt r a f f i cv i o l a t i o n s i m p r o v i n gt h et e c h n o l o g yo ft r a d i t i o n a lc e m e n t - b a s e da n d r e s i n - b a s e df u n c t i o n a lm a t e r i a l s ，t h ed e v e l o p m e n to fa ne f f e c t i v em o n i t o r i n go ft r a f f i c l o a di nt h en e wm u l t i f u n c t i o nc o m p o s i t es e n s o rp a r t s ，t oe x p a n di t sa p p l i c a t i o n sa n d p r o m o t ei t si n t e g r a t i o ni n t ot h es t r u c t u r a la n df u n c t i o n a lm a t e r i a l ，i th a saw i d er a n g e o fe n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c et or a i s et h ei n t e l l i g e n tl e v e lo ft r a f f i cm o n i t o r i n g i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ha n di n n o v a t i o n si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 w er e s e a r c ht h ei n t r i n s i cs e n s o r so fc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l ，w h i c hi s m a d eo fc a r b o nf i b e r , c a r b o nb l a c k , g r a p h i t ec o m p o s i t ec o n d u c t i v ep h a s e ，a n da n a l y z e t h es t a t i ca n dd y n a m i cs e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt r a f f i cl o a d s n er e s u l t ss h o w t h a ti th a sb e t t e rs e n s o rs t a b i l i t y , b u tl o ws e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t 2 w er e s e a r c ht h ei n t r i n s i cs e n s o r so fr e s i n b a s e dc o m p o s i t ew i t hc o n t i n u o u s c a r b o nf i b e rr i b b o n p r o c e s s e dw i t ht h er e l e v a n tm e t h o d ，a n da n a l y z et h es t a t i c ( t i m e - l i n e a r i t y , d i s p e r s i o n , t h ea v e r a g eh y s t e r e s i sa n dr e p e a t a b i l i t y , s e n s i t i v i t y ) a n d d y n a m i cs e n s i n gd a t a , c h a r a c t e r i s t i c su n d e rt r a f f i cl o a d s 1 n h er e s u l t ss h o wt h a t ：u n d e r t h es t a n d a r dc o n d i t i o n s ，t h er i b b o nr e s i n b a s e ds e n s o r sc a nb er e a l ，e f f e c t i v ea n d r e l i a b l ei nm o n i t o r i n gt h es i g n a lo f p u l s a t i n gl o a d ，a n dc a nq u a l i t a t i v e l yd e t e r m i n et h e s i z eo ft h el o a d ；t h es h o r t e rt h et i m ei n t e r v a lo fc o n t i n u o u sp u l s el o a d ，t h eb e t t e rt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s o ra r e ，s u c ha st h el i n e a r i t y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y 3 w i t ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fm o n i t o r i n gt h ec r o s s i n gl i n eo ft r a f f i c v i o l a t i o n sw i t ht h er i b b o nr e s i n b a s e ds e n s o r s ，t h et r a f f i cl o a do ft h el a b o r a t o r y s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ed y n a m i cr e s p o n s ec a nb ea c c u r a t e l yt e s t e db yt h es e n s o r , a n di tc a na l s om o n i t o rt r a f f i cf l o w ( i n c l u d i n gp e d e s t r i a na n dv e h i c u l a rt r a f f i c ) q u a l i t a t i v e l y a l s o ，w ec a na n a l y z et h el o a dc h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht h es e n s o rv o l t a g e r e s p o n s ec u r v e s 4 f i n d i n gar e a s o n a b l el o a dl o a d i n gf o r m s ，w eu s e a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r et os i m u l a t et h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o no ft h er i b b o nr e s i n b a s e ds e n s o r s l t r e s p o n s ea n da n a l y s et h es i z eo fs t r a i na n ds t r e s su n d e rt h em o v i n gl o a d c o m p a r i n g t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec a nv e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o n p a r a m e t e r s ，a n di tp r o v i d e sab a s i sf o rf u r t h e re x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h k e yw o r d s ：t r a f f i cv i o l a t i o n s ，c a r b o nf b e rc o m p o s i t e ，s e n s o rc h a r a c t e r i s t i c s ，m o v i n g 1 0 a d ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论 文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国 家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供 信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 捌：珊边导师c 矧：李翻日期伽盯 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 11 课题的背景和意义 111 智能交通系统的发展概况 智能交通系统是通过信息、计算机和控制等技术改造和优化交通系统，提高 交通运输效率，缓解交通阻塞和提高系统安全性的同时，达到节能和减少交 通对自然环境污染的目的。为加强国际科学和工程团队在无线通讯和i t s 应用 领域的交流与合作，从1 9 9 9 年起全世界每年主办一次智能交通系统国际会议。 从1 9 9 9 年到2 0 0 9 年历届智能交通系统国际会议( r r s c ) 的主办地点分别为日 本东京、美国密歇根州、美国加利福尼亚州、新加坡、中国上海、美国华盛顿、 奥地利维也纳、加拿大多伦多、美国华盛顿、中国北京和美国密苏里州。会议 研讨内容覆盖交通管理、交通信息服务和1 1 5 建模与分析等技术领域。 2 0 1 0 年3 月8 日，在全国政协十一届三次会议协商会中，交通部运输副部 长高宏峰提出我国正在进行低碳交通体系研究，加快交通运输行业低碳化是交 通运输可持续发展的保证。 2 0 0 9 年2 月，图1 - 1 为d s s s ( 主动安全与被动安全) 在东京海滨分区大规 模核查测试。 。 ”遍熹雹筘山船巍赫裟船 一 一_ 扪k ! 一“ 鬯纂鬻爹螽i | i 参了一 嚣葛：晖蕊兰当涪焦丢差型：l - 一删u ， 韩国提出了设计全天候道路雷达监测、雾区预防及太阳能等技术的s m a r t 武汉理工大学硕士学位论文 h i g h w a y 发展计划( 如图1 - 2 ) ，韩国建设交通部将投资1 5 亿韩元建设智能高速 交通公路，使汽车安全旅行时速达到1 6 0 公里。 圈l o 韩国h i g h w a y 发展计蜘 h e l m i 希勒米一交通信号优先和信息系统，在芬兰首都赫尔辛基地区的6 0 0 0 个巴士站，利用手机、供气和电动车上的宽带提供交通信息服务。同时实现赫 尔辛基都市圈的公交、有轨电车、地铁、通勤列车和轮渡统一支付乘务费，如 图1 - 3 。 睡 _ e 4 1 圈1 - 3 赫尔辛基1 1 e i , b l l 希勒米交通信号优先和信息系统应用 2 0 0 6 年，瑞典斯德哥尔摩在每周一到周五的早上6 ：3 0 到晚6 ：3 0 对车辆 实行收费，在执行的第一个月就使交通拥挤量降低2 5 。同时，瑞典计划在今 后2 0 年内每年增加5 亿瑞典克朗实施发展各种自行车交通措施，减少对现代化 交通工具的依赖，更多地使用对人类和环境有益的自行车，如图1 - 4 。 武汉理工大学硕士学位论文 蒂 弓丽 1 图1 4 琦典发展智能交通应用举措 作为环保先锋的丹麦拟全国推广电动自行车，大规模修建由风力提供电源的 电动汽车充电站和电池更换站。美国v i i 更名为i n t e l l i d r i v e ，i n t e l l i d r i v e 将应用 各种设备和通讯技术的安全、高效和电子支付应用构成。 1 1 2 本文研究的意义 随着国力的不断强盛，我国的现代化进程不断加快，交通网络日趋繁杂。 交通拥挤、违规行驶必将给交通道路系统带来更加繁重的压力，给人民的生命 财产带来巨大损失。同时高车速、过高的车辆流通量必然会破坏路面的结构， 使路面出现疲劳开裂、材料松散分层等现象而破坏路面，超载荷运行和过度的 疲劳损伤必然缩短路面的使用寿命。交通状况日益恶化，这几乎成为所有城市 的通病。智能交通系统的建立主要依赖于有效的交通监铡手段，在城市交通管 理部门建立完善的交通监控系统是改变目前这种交通现状的有效途径。 交通监控系统的主要目标是适应动态交通状况的变化。运用交通监控系统 可以提高现有道路的通行能力，协调处理突发性交通事件，缓和交通阻塞，从 而改善交通状况。因此建立一套完善，准确的实时交通监测系统在未来的智能 辍 一一 瞄 m l 1 武汉理工大学硕士学位论文 交通运输中，交通数据采集器将大范围覆盖街道和公路，从而发挥数据采集的 优势。车辆检测传感器是数据采集系统的关键部分，传感器的性能对数据采集 系统的准确性起决定作用。传感器的检测准确度对区域监控方案的产生非常重 要，所以用一种先进的、稳定准确的性价比高的传感系统代替现有的传统传感 系统就成为一个亟待解决的问题。 随着科技的不断发展，各种设备对智能化和自动化的要求日益提高。伴随 着人类的生活质量不断提高，人类的生产生活也由传统的手工作坊、单一的机 械化、劳动密集型时代发展到足不出户、技术密集型、智力密集型的人工智能 时代。功能齐备的传感系统是实现智能化的关键，如今市场上各种类别和功能 的传感器层出不穷。世界各国的科研工作者在传统传感设备和新型功能传感材 料的研究上做出了重大的贡献。 诸如压电陶材料、电容式、隧道式、温敏、热敏、压阻、拉敏等本征传感 器广泛应用于航天、机械等自动化领域。新型传感功能材料的研发必然推动新 型产业的发展，加速人工智能的进程。二十世纪八十年代开始国内外学者围绕 传感器自发现在水泥基中参加导电材料、预处理过的连续碳纤维等新型碳素复 合材料具有很好的力敏传感效应。科研工作者试图将其用于结构和交通的健康 检测，并取得了一系列成果。 以碳纤维、石墨等碳素材料制作的本征传感器件有别于对电磁、声、光等 依赖程度高的传统传感器件。尤其是水泥基传感器件以其高性价比、与交通路 面结构的相容性好、不破坏路面的强度、不会因路面热膨胀而损坏等优点，以 预处理过的连续碳纤维复合材料不受天气影响、不易受腐蚀、可操作性强等优 点，这些本征传感器件在结构损伤无损检测和交通监测系统中势必将受到科研 工作者和交通部门的日益重视。另外，行车动态载荷对地某一固定位置接触时 间较短，从而要求设计的传感器必须及时、可靠地检测到行车载荷的作用力。 根据市场需求特点和研发现状，开发利用这些本征新型传感材料和器件具有划 时代的意义。 1 2 交通违规现象的危害及所用传感检测设备的应用现状 无章驾驶、随意越线、超速等违规行为给人们的出行、交通秩序、人民的 财产生命安全带来不可估量的损失。在汽车大量普及、城市化进程日益加快的 时代，一次小的违规驾驶行为可以瘫痪一座城市的交通、夺去无数人的生命。 4 武汉理工大学硕士学位论文 城市交通系统是城市发展的命脉，是社会稳定的源泉。保证城市交通畅通无阻 是社会经济发展的基础。 据2 0 0 9 年全国道路交通事故公安部交管局事故通报情况，2 0 0 9 年全国共发 生道路交通事故2 3 8 3 5 1 起，造成6 7 7 5 9 人死亡，2 7 5 1 2 5 人受伤，直接经济损失 9 1 亿元。据分析机动车驾驶人超速行驶、疲劳驾驶、客车超载等交通违规是造 成交通事故的主要原因。偏远地方和农村道路基础建设相对较落后的地方容易 发生交通事故，强降雨、暴雪和大雾等恶劣天气也是发生交通事故的一大原因。 另外，部分运输企业不履行对驾驶入的安全教育和管理职责，一些地方运输管 理机构不对隐患整改不力的企业追究相关责，等等这些都是造成交通安全隐患 的一大因素。 交通违规监测的主要内容包括越线、超速和超载。通常利用地感线圈、视 频监测、压力检测器、超声波和雷达检测器等检测设备监测越线和超速违规现 象。图1 5 是一个车辆智能检测系统，埋设在地面上的多功能感应线圈监测到路 面车辆信息，并将信息传递给地面信息处理系统，同时将其与路面监视录像一 起传输到数据处理中心。电子地磅是海关、高速公路现场监测过往货物超载与 否的重要而常用的有效检测工具。检测设备仪器一般利用其压力感知特性、电 磁感应和电磁波反射原理、光和声波传播原理等这些物质的本质属性。结合物 质的本质属性，科研工作者经过长期的研究，研发出了各种现代化检测设备。 图1 5 车辆智能检测系统 市面上的交通监测设备有地感线圈传感器、地磁传感器、磁敏传感器、超 声波传感器、电容式传感器，压阻传感器，另外红外设备、雷达系统、高像素 5 武汉理工大学硕士学位论文 摄像头等设备也被应用到交通监控系统中。地感线圈和雷达系统是目前交通十 字路口主要的检测设备，然而地感线圈传感器铺设和维修麻烦、使用寿命短， 雷达系统、高像素摄像头等设备造价高、可操作性差。另外，超声波传感器易 受环境的影响，如当风速6 级以上时，反射波产生漂移而无法正常检测，而当 探头下方通过的人或物也会产生反射波，造成误检；红外传感器工作现场的灰 尘、冰雾会影响系统的正常工作。电子地磅是高速公路、海关等场所常用的承 重检测设备。交通部门通过电子地磅检测到的压力信号判断车辆的最大载荷是 否超出许可量程，但其体积庞大、价格昂贵而且使用携带不方便。 1 3 碳纤维智能复合材料的研究现状 1 3 1 机敏水泥基复合材料国内外研究现状 碳纤维智能复合材料的研究是始于碳纤维混凝土研究之后。早在二十世纪 八十年代科学家就对碳纤维增强水泥的制造工艺和各种力学、物理特性进行了 研究。加入碳纤维后能增强混凝土韧性和抗拉强度等力学性能，并且能改善混 凝土等建筑材料的抗腐蚀和耐高温等物理特性。1 9 8 4 年日本鹿岛公司就使用了 碳纤维增强水泥在伊拉克建设a l s h a h e e d 半球形纪念碑。碳纤维因其质量轻、 弹性模量高、抗腐蚀等优点而受到科学家的关注。由于碳纤维造价昂贵，所以 对碳纤维增强水泥和碳纤维混凝土的研究一直难以走向实用阶段，碳纤维大面 积应用于建筑混凝土行业还有很长的路要走。 早在1 9 9 2 年加拿大学者就对碳纤维水泥基材料进行了电学性能方面的实 验，他们通过实验方法发现随着碳纤维掺量的增加碳纤维水泥砂浆的电阻逐渐 减小到一定程度的同时，在碳纤维的临界掺量附近水泥基材料出现一个最小体 积电阻率。 1 9 9 3 年美国学者d d lc h u n g 教授提出机敏混凝土( s m a r tc o n c r e t e ) 这一 概念，自此之后，碳纤维水泥基复合材料才正式作为一种新型智能传感材料为人 们所注意。c h u n g 教授长期从事机敏混凝土的研究，她们认为材料电阻率的变化 与材料内部导电材料组份出现裂纹扩张和收缩、不同材料成分间界面情况等因 素有关，在研究过程中取得了一系列成果i l 叫。同时c h u n g 教授科研团队也开展 了机敏混泥土应用与结构中的初步研究，如交通载荷称重方面的研究工作。从 大量的实验中她们认为材料的制备工艺、导电相的分散性、导电材料的表面处 6 武汉理工大学硕士学位论文 理方法( 尤其是碳纤维) 、添加剂的选择等诸多因素都对碳纤维机敏混凝土的感 知能力有巨大的影响。利用与建筑和路面结构材料相容性能好的碳系导电填充 相水泥基复合材料的自感知特性，提出一种新的提出一种新的无损检测的方法 对结构的性能的变化进行检测和监测，国内外的科研工作者为之付出了长期而 艰巨的研究工作。 我国对机敏混凝土和碳纤维水泥砂浆的研究工作要晚于国外，虽然起步较 晚，但我国科研工作者奋起直追、超赶世界科技前沿技术的脚步从来没有止步 过。至今为止，国内科研工作者在碳纤维机敏混凝土、碳纤维水泥基砂浆、炭 黑水泥基材料、石墨水泥基自感知材料等方面开展了大量的力学和电学、以及 实际应用等方面开展了大量的实验研究和理论分析等工作。至此，国内学者已 在力学机敏性和温敏性等这一领域取得了可喜的进展。 武汉理工大学是国内最早开展碳纤维机敏混凝土电性能研究的单位，毛起 熘等学者对碳纤维复合材料的导电机理进行了有益的探讨，并得出隧道效应理 论。李卓球教授等【5 7 】领导的课题组对机敏混凝土的压敏性、温敏性、电热效应、 力电效应、图像损伤识别和力热电耦合机理等方面研究上也取得了大量突破性 的成果。郑立霞等人将碳纤维增强水泥均匀地包裹在钢筋外表面，然后将其埋 入普通混凝土中，通过监测智能混凝土的电阻变化了解钢筋的腐蚀程度。龙曦 等人发现炭黑填充型水泥基复合材料具有压敏性，并得出一定条件下的炭黑临 界渗滤区。范晓明等人【8 l 对石墨填充型水泥基复合材料的力电特性也做了大量的 研究。吴少鹏等【9 l 在沥青混凝土中掺入定量的石墨和碳纤维制备出同时兼备优良 髂用性能和电学性能的导电沥青混凝土。 王秀峰等人通过扫描电子显微镜( s e m ) 观察材料的显微结构，结合实验和理 论分析结果得出结论，认为材料结构中存在的电导渗流现象：在压应力载荷作 用下材料电阻率下降，从而导致电导渗流阀值降低。 陈兵，吴科如等人i l o j 的研究结果认为，碳纤维水泥基机敏复合材料的导电 性对压力载荷大小有较显著依赖性。在低应力水平下其电阻随压力增加而降低， 在较高应力水平下材料电阻则随应力增大而升高，呈现所谓的“电阻负压力系 数伽( p c r ) 和正压力系数( p p c r ) 效应。实验发现，在循环荷载作用下，电阻 的变化呈现k a i s e r 记忆效应，电阻的压力依赖性被认为与碳纤维在水泥基体中 形成的导电网络在荷载作用下的破坏与重组有关。他们还研究三点弯曲载荷作 用下c f r c 试件相对电阻变化与荷载挠度曲线对应关系，通过其测试电阻的变 化，探讨其对大型建筑结构的损伤自诊断功能。 7 武汉理工大学硕士学位论文 李忠贤、杨晓明等【1 1 】提出了内置压电陶瓷片的水泥砂浆用于交通流量的检 测的这一方案，并作了详细的研究。他们利用机敏混凝土的压电效应，研究其 在正弦荷载、冲击荷载和循环荷载作用下测试其检测车流和人流的可行性和可 靠性，测试结果满足了要求。 韩宝国和欧进萍教授等1 1 2 _ 1 7 】在波兰水泥中加镍粉制作了水泥基压阻传感 器，测量电阻率随荷载变化率，得出镍粉水泥基的电阻率随压缩应力之间有很 好的对应关系。 谢慧才教授1 1 嘲领导的课题组对车重监测系统和交通测速系统做了一系列 研究，成果显著。通过改变碳纤维的掺量，种类和掺和工艺，找出机敏性、性 价比最高的碳纤维混凝土配合比；研究电极不同的形式和不同的布置方式，找出 最佳的测量手段；利用混凝土的压敏性，设计的智能交通监测系统也建立了初步 的框架。 1 3 2 碳纤维树脂基复合材料国内外研究现状 日本茨城大学的吴智深教授等【2 4 】研究了长连续碳纤维在结构健康检测中的 应用，在一列实验的基础上取得了很好的成果。吴教授等人试图将碳纤维与玻 璃纤维、碳颗粒等复合成高强度的智能复合材料，将这种材料应用于建筑结构 材料智能化技术上和大型结构健康监测和结构使用寿命预警。 国内武汉理工大学李卓球教授领导的课题组长期从事碳纤维传感特性向生 产技术智能化方面的研究，在传感特性理论研究方面和器件制作工艺以及应用 等方面取得了大量可喜的成果。郑立霞等人研究了碳纤维单丝的拉敏特性，发 现碳纤维单丝的电阻应变灵敏系数为1 3 8 。刘冬等人对碳纤维毡及树脂基碳纤 维材料的传感特性做了非常细致的深入研究工作，文中认为材料中每层碳毡自 身纤维构成导电网络以及层与层间纤维相互搭接形成一个更加巨大、复杂的导 电体系是5 层碳纤维毡制作的碳毡材料传感稳定性高于单层碳纤维毡构成的智 能复合材料。 以上等工作对碳纤维复合材料、尤以水泥基材料的压阻特性做了大量实验 研究和理论研究工作，但具体将其与交通监测系统应用相结合的较少。谢慧才 教授领导的课题组在c f r c 应用于交通系统的研究涉及到交通测速，交通载荷 称重等领域。吴智深教授利用连续碳纤维制作的传感器件做了大量桥梁等结构 的无损检测实验和理论分析。水泥基复合传感材料和连续碳纤维智能复合材料 8 武汉理工大学硕士学位论文 在动态加载及脉冲载荷作用下的传感特性却很少提及。本文在国内外科研工作 者研究的基础上，重点研究了水泥基复合传感材料在静态和动态载荷作用下的 力敏行为，研究了连续碳纤维复合材料在脉冲载荷作用下的传感特性。并通过 实验初步模拟分析在检测违规现象的可行性。 1 4 本文研究的主要内容 围绕交通违规检测的实验研究这个课题，全文主要开展了有四个方面的研 究工作。第二、三章主要是围绕智能传感器研制方面的探讨；第四章是在第二、 三章研究的基础上开展了一系列载荷流的模拟检测实验；第五章利用a n s y s 有 限元软件对第四章的实验进行理论模拟，进行理论和实验结果之间的误差分析。 具体内容如下： ( 1 ) 以炭黑、石墨、短切碳纤维其中两两组合的复合导电相制作了长方体 柱状水泥基复合材料本征传感器件，在o 加7 m p a 标准交通载荷大小作用下，分 别研究了其在静态载荷和动态载荷作用下的传感特性。 ( 2 ) 经过预拉和树脂溶液浸透处理的连续碳纤维，布置上电极后制作成碳 带传感器件，将其附着在钢梁上，利用四点弯曲试验模拟脉冲载荷作用，研究 了碳带的时效性、线性度、平均迟滞性及重复性、灵敏度等静态传感特性。 ( 3 ) 将碳带传感器件贴附在槽钢内侧，然后埋设于地面，在实验室条件下 利用行人、车流( 自行车和四轮手推车) 动态载荷对槽钢的模拟实验，研究树 脂基碳纤维带复合材料本征传感器件在监测交通越线违规中应用的可行性和可 靠性。 ( 4 ) 利用a n s y s 有限元软件模拟移动载荷作用下，槽钢的应力、位移分 布及碳纤维带传感材料的电信号响应；分析了动态载荷作用下碳纤维带传感材 料的压阻特性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章不同导电掺合料水泥基复合材料的压阻特性 2 1 水泥基传感材料的制备 ( 1 ) 原材料及其性能 华新水泥股份有限公司生产的4 2 5 静普通硅酸盐水泥； 黑龙江鸡西石墨厂2 9 8 鳞片状石墨粉； 美国z o l t e k 公司生产的p a n 基短切碳纤维； 山东淄博华光化工厂生产的高结构导电炭黑( 性能指标见表2 1 ) ； 国药集团化学试剂有限公司生产的白色粉末状粘度为8 0 0 1 2 0 0 的羧甲基纤 维素钠； 武汉浩源化学建材有限公司生产的型号为f d n 1 高效减水剂； 本地精筛过的细河沙； 表2 - 1 炭黑质量指标 ( 2 ) 实验方案 范晓明、姚武等【2 5 棚的大量实验结果表明纯石墨、碳纤维、炭黑掺量分别 为水泥质量的2 0 巧0 、o 5 4 一1 2 、0 8 一1 5 时水泥基复合材料具有很好 的导电性能和压敏特性。在前人研究的基础上，本文实验中采用三种配比：配 比i 中碳纤维、石墨的掺量分别为水泥质量的1 和3 0 ；配比中炭黑、石墨 的掺量分别为水泥质量的1 和3 0 ；配比中炭黑、碳纤维的掺量分别为水泥 质量的8 0 3 和0 4 9 。其中每种配比中砂与水泥质量比为1 ：1 ，减水剂为水泥 质量的1 ，羧甲基纤维素钠与碳纤维的质量比为1 ：1 ，炭黑分散剂与炭黑的质 量比为1 ：1 。 ( 3 ) 制作流程 先向碳纤维( 或炭黑) 中加入已调好的分散剂，使其分散均匀，接着将配 比中所有配料干拌混合大约3 分钟；再将混合均匀的干拌料倒入搅拌机中，边 搅拌边加水，机械搅拌5 分钟后得到湿度和粘度适宜的水泥基混合浆；然后将 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 其倒入4 0 m m x 4 0 m m x 8 0 r a m 的钢模中，在振动台上震动2 分钟成型，2 4 h 后脱 模，在环境温度下水浴养护2 8 d 后取出晾干，用导电银胶涂上环状电极。 2 2 压阻基本性能测试 根据我国公路与城市道路路面设计规范因j ，以l o o k n 作为设计标准轴重， 根据轮胎对地面的压强0 7 m p a 为加载标准加载，采用三角形荷载，实验中试样 s = 1 6 1 0 3 m 2 ，故f m 缸= 1 1 2 2 k n ，荷载变化如图2 - 1 所示；由于行驶的汽车对 路面施加的载荷有瞬时性，车轮通过路面上任一点时，路面承受载荷作用的时 间一般为0 0 1 , 4 ) 1 s ，测试时载荷分静态加载和动态加载，四电极法测试原理如图 2 2 所示，图2 2 中a b = b c = d e = e f = 1 0 m m ，b g 、c h 、d j 、e k 为环状银胶电极， b g 与e k 之间由k e i t h l e y 2 4 0 0 激励源提供l m a 的直流电。 图2 1 荷载变化示意图图2 - 2 测试示意图 2 2 1 静态载荷作用下的基本性能测试 2 2 1 1 测试方法及试验设备 静态测试时，c h 与d j 之间采用k e i t h l e y 2 7 0 0 多用表数据采集仪采集电压 值，在i n s t r o n 5 8 8 2 电子万能材料试验机上完成加载试验，整个测试过程在环境 温度2 4 1 2 下进行。 2 2 1 2 实验测试结果 ( 1 ) 石墨和碳纤维复合导电相试样在不同荷载循环周期t 作用下，荷载与电阻值 的变化情况 图2 3 测试结果表明在不同荷载循环周期、小荷载作用下，各加、卸载循环 中，加载时电阻r 随压力f 增大近似线性减小，卸载时随压力减小近似线性增 大，两者变化具有良好的对应性。 武汉理工大学硕士学位论文 壤i 圈蛩蒸 凄l 麟萎囊i 勰 ( 2 ) 石墨和碳纤维复合导电相试样在不同荷载循环周期作用下下电阻变化对比 图2 _ 4 中材料的初始电阻率岛分别为0 4 1 7 0 m ，表明材料有很高的导 电性。从图中看出不同的加载周期时，电阻变化曲线依然呈现稳定的三角形波 形且电阻漂移较小，这表明含碳纤维与石墨复合导电相的试样稳定性较好。 = ；器 裔0 咖t 图2 4 含石墨和碳纤维复合导电相试样在不同荷载周期作用下的压阻特性( r = 加口) ( 3 ) 三种复合导电相制作的试样分别在加载周期t = 1 0 s 、2 0 s 、3 0 s 、6 0 s 下电阻变 、 l l；m o 武汉理工大学硕士学位论文 化r ：k o 对比 i 建 a n n 图2 - 5 三种复合导电相制作的试样在不同加载周期下的压阻特性对比 0 1 3 0 l 历 0 1 2 0 1 1 5 i 、i i 、分别为含石墨和碳纤维、含石墨和炭黑、含炭黑和碳纤维的三 种复合导电相。图2 - 5 表示在循环周期分别为t = 1 0 、2 0 、3 0 、6 0 时三种配方制 作的试样的压阻效应作对比，结果表明有石墨掺杂的两组复合导电相的试样压 阻效应好，含碳纤维与石墨复合导电相试样有较好的稳定性。 f 4 ) 压阻灵敏系数 压阻效应通常用压阻灵敏系数k 表征，即单位应力条件下的电阻值相对变 化率。由于电阻蠕变现象存在试样在每次循环加载后不能恢复到初始值r 0 。 在加、卸循环内，荷载f 是线性变化的，电阻r ( 如图2 3 ) 的变化也接近线性 且具有相同的变化趋势，故压阻灵敏系数1 【= 1a 驯 1 r r 。 “i 司。百一o - a z p l j 上式中各量的定义为：r ，一每次测试开始( 即t - - 0 ) 时电阻值：r 测试中 t = t 2 时试样的电阻值；or t - - 0 时的应力值；o 试验中t = t 2 时的应力值。 表2 2 为运用公式( 1 ) 计算得i 试样i 、的压阻灵敏系数k ( m p a ) ，k 值大小反映了材料的压敏性。计算结果表明石墨和炭黑复合导电相制作的试样 ( i i ) 具有比石墨和碳纤维复合导电相制作的试样( i ) 更高的压阻灵敏性， 且试样i 随荷载周期( 周期t 越小，加载速率越大) 的增大灵敏性略有提高。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 不同荷载周期下试样1 、1 1 的压阻灵敏系数k 值( ，m h ) 比较 222 动态载荷作用下的基本性能测试 本节研究了由石墨和短切碳纤维为导电相制作的长方体柱状( 4 0 m m x 4 0 r a m x s 0 t 衄) 水泥基复合材料( 即2 2 节中的配比i ) ，在最大载荷值为1 2 k n ， 加载频率分别为1 h z 、2 h z 、5 弛、1 0 h z 、1 5 h z 的载荷作用下石墨与碳纤维复合 导电相水泥基传感器的压阻特性。 2 221 测试设备殛方法 图2 - 6 中由h i t h i c y 2 4 0 0 提供1 0 0 m a 激励源，载荷由美国m t s 公司生产的 m t s8 1 0 陶瓷试验系统旌加，由武汉优态软件有限公司生产的u t 3 2 0 0 系歹u ( 2 4 b i t ) 数据采集器作为数据采集装备，测试场景如下图所示。 圉2 - 6 柱状水泥基导电复台材料压阻动志涮试圈 武汉理工大学硬士学位论文 2222 测试结果 水泥基导电复合材料在l o o m 。4 恒流源的激励下，“正弦型”循环载荷作用 下所对应的电压信号如图2 7 所示 2 2 l l 0 0 0，0 0巾呻1 1 吧 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 8 1 3 0 8 0 3 0 20 一0 7 1 0 0 6 0 2 0 2 0 6 1 4 1 0 0 6 0 2 0 2 0 6 一1 0 - i 4 言5 h z t s 5 52 554 0 s 图2 7 水泥基导电复合材料动态压阻特性 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 采用动态正弦载荷，对石墨和短切碳纤维复合导电相的水泥基压阻复合材料 进行传感疲劳性能测试。如图2 7 所示，当加载频率小于1 0 i - i z 时，在疲劳循环 正弦载荷作用下，加载在压阻传感器上的应力大小与其输出电压间有很好的对 应关系，且电压时间变化曲线很光滑；当加载频率为1 0 i - t z 和1 5 t - i z 时，输出电 压在时间上与载荷信号保持很好的一致，且电压输出信号依然保持较好的周期 性，但输出电压时间曲线上出现了一些毛刺。这表明压阻型水泥基传感材料的 传感特性可能有一个适用范围，具体原因有待进行更加深入的实验研究和理论 分析工作。 2 3 石墨碳纤维水泥基复合材料压阻机理分析 水泥基复合材料自美国d d lc h u g l 2 9 1 教授领导的课题组发现其因受力作 用而产生电阻变化以来，国内外学者对其机敏特性的进行了长期的研究。水泥 基复合材料导电通道的形成一般包括两个部分：其一，当水泥、砂浆基体材料 中添加的短切碳纤维、石墨、炭黑等导电相在一定的工艺条件下由于电接触而 形成导电网络；其二，当分布于绝缘水泥砂浆中的孤立粒子和小聚集体之间相 距很近( 1 0 皿r n 左右) 时，在电激励的作用下由热振动激活的粒子将穿越势垒的 障碍迁跃到相邻的导电粒子上而形成隧道电流。前者的导电机理以逾渗理论和 有效介质理论1 3 0 , 3 1 】占主导地位，后者以隧道效应和电场发射理论【3 2 】占主导。他 们分别从宏观统计学角度和微观导电微粒运动的角度对高分子导电复合材料的 导电缘由做出了很好的解释。 在压力作用下水泥基复合材料具有自感知能力，在弹性变形阶段内随着压 力的增加，导电粒子间的距离减小而形成导电通道，复合材料的电阻减小，即 压阻效应。在粒子填充型导电复合材料中，石墨微粒分散于水泥基体中，在试样 制备过程中，导电粒子的分散程度和体积分数关系到粒子在基体中是否能形成 三维导电网络，是影响试样导电性的主要因素；而在试样的测试过程中，导电 粒子间间距及碳纤维与水泥基的接触电阻( 若含有碳纤维导电相) 才是影响压 阻性能的主要因素。在前一过程利用渗流理论解释导电特性更合理，而后一过 程利用量子隧道理论或纤维拔出与插入理论( 含碳纤维的复合材料) 的解释最 恰当。对于文中的复合导电相，有颗粒状( 炭黑) 、粉末状( 石墨) 、线状( 碳 纤维) 导电相，可应用复合导电机理来解释其压阻特性。 石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构，润滑性、导 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 电性能好。当试样在加、卸载过程中石墨可以减小导电相间( 石墨与石墨、石 墨与碳纤维或炭黑) 、导电相与水泥基间( 石墨、碳纤维或炭黑与水泥水化产物) 的摩擦力，使导电粒子更容易发生相对移动。分散的碳纤维由于其形状扁长在 水泥基中容易形成三维导电网络，碳纤维中掺和石墨导电相，在压阻测试时必 然减小碳纤维插入和拔出的摩擦力，从而增加导电网络破坏和重组的概率。虽 然纳米炭黑的导电性能好，但在水泥基中难均匀地分散开，加入少量的炭黑可 以提高试样的压阻性能。若炭黑掺量很大( 如图2 5 中试样炭黑掺量远远高于碳 纤维用量) ，这导致试样中炭黑分散性差、空隙多、强度低，其结果是压阻特性 必然下降。 另外在长期循环加载作用下，开始几个周期试样的电阻变化有微量减小的 趋势，当循环加载到一定次数时电阻变化趋于稳定。这是由于材料受压一段时 间后，其内部空隙变小，减小了导电微粒的接触距离，从而使得压阻特性更稳 定。 对于以炭黑、石墨、短切碳纤维为填充导电性的水泥基复合材料，比较适 合的压阻理论模型有王鹏、丁怀天等1 3 3 】的炭黑填充型导电复合材料的压阻特性 数学计算模型，如图2 8 所示。在多次加载后水泥基压阻机敏材料的压敏性趋于 稳定，如图2 8 ，在压力作用下机敏水泥基材料发生变形，中的分布在水泥