壓電技術(shù)在智能道路中應(yīng)用研究現(xiàn)狀

高莉?qū)?丁思晴,佘江江,張佳,何銳*

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065; 2.堯柏特種水泥技術(shù)研發(fā)有限公司,西安 710100)

《交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要(2021—2035年)》的發(fā)布加速了交通運(yùn)輸與科技創(chuàng)新的滲透融合,數(shù)字化、智能化發(fā)展已成為當(dāng)前交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要方向[1]。智能路面由特定的結(jié)構(gòu)材料、感知網(wǎng)絡(luò)、信息中心、通信網(wǎng)絡(luò)和能源系統(tǒng)組成[2],能夠主動感知路面狀態(tài)、性能和外部環(huán)境等,分析評估所收集的信息和道路健康,結(jié)合路面自身狀態(tài)進(jìn)行自調(diào)控和自修復(fù)等自主行為,與車輛、行人、設(shè)施、環(huán)境及社會等進(jìn)行動態(tài)自主交互,收集廢棄能量進(jìn)行二次使用。因此智能道路的發(fā)展及應(yīng)用將有助于充分發(fā)揮道路自身潛力,成為智能化交通基礎(chǔ)設(shè)施建成的關(guān)鍵。

在智能化道路的建設(shè)中,壓電技術(shù)因其自身優(yōu)良的性能實(shí)現(xiàn)了能量收集、數(shù)據(jù)分析、自修復(fù)和道路監(jiān)測等行為,成為全面建設(shè)智能道路的重要技術(shù)途徑。19世紀(jì)80年代,居里兄弟通過對石英晶體特定方向上施加力,引出了正逆壓電效應(yīng),壓電技術(shù)的研究正式開始[3]。美國和日本是最先進(jìn)行壓電元件應(yīng)用研發(fā)的國家,包括利用BaTiO三型壓電傳感陶瓷制造了超聲換能器、音頻換能器、壓力傳感器等計(jì)測元件以及濾波器和諧振器等[4-5]。1950年美國又發(fā)現(xiàn)鋯鈦酸鉛的壓電特性更為突出,促進(jìn)了壓電傳感器材料的研究進(jìn)展,產(chǎn)生了新的發(fā)展方向[6]。1992年,美國首次開發(fā)了智能高速公路系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由嵌入式路面邊緣檢測裝置和路段傳感器實(shí)現(xiàn)[7]。2006—2009年,日本在東京火車站完成了三次發(fā)電地板測試,當(dāng)旅客進(jìn)入到自動檢票口時(shí)其踩踏地板可以讓100 W的燈管發(fā)亮0.1 s[8]。2008年,以色列的Innowattech公司最先研制成功了基于壓電技術(shù)的路面發(fā)電系統(tǒng)成果,壓電單元能在同一條雙向車道上產(chǎn)生約0.5 MW/(km·h)的電能,其生產(chǎn)成本較太陽能系統(tǒng)降低 2～3倍,且投入回收期相比太陽能系統(tǒng)最大限度可從30年降至6年[9]。壓電發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用不但減少了汽車油耗,同時(shí)還利用收集振動能使負(fù)載對道路的破壞和噪聲對周圍環(huán)境的危害降低。2018年,美國Integrated Roadways公司與科羅拉多州交通部(Colorado Department of Transportation,CDOT)合作試行其研發(fā)的Smart Pavement系統(tǒng)[10],該系統(tǒng)通過耐久預(yù)制混凝土板、高分辨率光纖傳感器等路面信息集成的關(guān)鍵技術(shù),提供了實(shí)時(shí)道路交通數(shù)據(jù)收集和交通事故自動報(bào)警等功能,以完成從普通道路向智慧交通的過渡。Wang等[11]對壓電式能量采集器在機(jī)場路面上的應(yīng)用進(jìn)行了研究分析,討論了位置、厚度、飛機(jī)輪和飛機(jī)載荷對能量模塊的影響。飛機(jī)輪胎載荷分別從154 kN增加到172 kN和 185 kN 時(shí),輸出功率增加了約24%和42%。Cao等[12]提出了全壓概念并設(shè)計(jì)了新型壓電換能器,研究表明,壓電輸出量與負(fù)載呈顯著的線性關(guān)系,新型壓電換能器應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)后具有良好的電響應(yīng),可實(shí)現(xiàn)承載板載荷充分作用于壓電材料,經(jīng)過50萬次重復(fù)負(fù)載后,壓電換能器的輸出仍然保持穩(wěn)定。

綜上,可以看出,壓電技術(shù)是智能道路發(fā)展的核心技術(shù),但目前對其在道路中的應(yīng)用還不系統(tǒng),僅僅只集中在特定的智能路面功能上,例如,能量收集、道路健康監(jiān)測和傳感單元等。因此現(xiàn)對其在道路中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)論述,提出目前存在的問題以及方法和建議,為智能道路的研究和應(yīng)用提供參考。

1 道路壓電能量采集技術(shù)

1.1 壓電換能器

壓電換能結(jié)構(gòu)通常是很小的壓電發(fā)電單位,相當(dāng)于一種小型化開關(guān)電源。壓電換能器不但在結(jié)構(gòu)上不盡相同,電能轉(zhuǎn)化效果上差異也很大,Kim等[13]利用兩個(gè)金屬蓋在壓電材料兩邊做成了一個(gè)鈸型結(jié)構(gòu),這種構(gòu)件在受力時(shí)可把部分豎向作用力轉(zhuǎn)化為側(cè)向作用力,使壓電材料的壓電效果更佳。王青萍等[14]將多塊壓電片疊在一起做成堆疊構(gòu)造,兩片之間放置有絕緣材料,多片串聯(lián)工作,深入研究了其特點(diǎn)。Platt等[15]研究發(fā)現(xiàn),疊式構(gòu)造比相同厚度的單片壓電膜片所產(chǎn)生電能還要大,將多塊壓電傳感片串聯(lián)的方法可以使壓電換能器的輸出電壓有所增加。懸臂梁構(gòu)造則是最先獲得廣泛應(yīng)用,并且是發(fā)展最為完善的壓電換能器。Wasa等[16]運(yùn)用懸臂梁的振動將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。Saadon等[17]則研發(fā)了壓電懸臂梁結(jié)構(gòu),其構(gòu)造簡單、易于制造,可通過在柱末端安裝一質(zhì)量塊以減小懸臂柱的自振頻率,使自振頻率更接近周圍生活環(huán)境中的振動頻率,從而增加發(fā)電效能。

道路上使用的壓電換能器必須滿足路面承載要求及安全駕駛性,要求其具有一定的抗壓性和抗沖擊性,同時(shí)須滿足變形小的特點(diǎn)。能應(yīng)用于瀝青或水泥路面能量采集的壓電換能器主要有:層疊式、拱形式、橋式、鈸式、纖維板、月牙式壓電換能器等。Zhao等[18]對這幾種類型的壓電換能器的機(jī)電耦合系數(shù)k、最大能量傳輸系數(shù)λmax、儲電量UE和剛度進(jìn)行了對比分析,如表1所示。

表1 壓電換能器的比較結(jié)果[18]

層疊式換能器剛度很高,但其儲電量很小,僅為0.03 mJ,適用于水泥混凝土等高模量環(huán)境,拱形式換能器的儲電量最大,達(dá)到43.38 mJ,比其他類型的換能器儲能效率高出40倍以上,橋式和鈸式無論是從儲能還是剛度方面來看,都比較適中。因此可以將其應(yīng)用在瀝青路面上,但需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以更好地適應(yīng)瀝青路面,對于纖維板和月牙式換能器來說,剛度和儲能效率都很低,尤其是纖維板,不適合用作能量收集器件。

影響壓電換能器能量輸出的主要因素有軸重、加載速度、路面溫度、路面類型、循環(huán)次數(shù)等,其中路面溫度對壓電換能器的能量輸出具有重要影響,溫度升高對換能器的能量轉(zhuǎn)換既有正面影響,也有負(fù)面影響,但在使用過程中正面影響占主導(dǎo)地位。所有可用作路面能量收集的換能器都在封裝和應(yīng)用方面還存在問題,一些包裝在設(shè)計(jì)時(shí)部分承載力由壓電材料承擔(dān),剩余承載力由底座邊緣承擔(dān),削弱了壓電換能器的能量轉(zhuǎn)換潛力。因此,壓電換能器在路面結(jié)構(gòu)中如何高效應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。

1.2 壓電能量收集系統(tǒng)在道路中的應(yīng)用

公路在中國經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸行業(yè)中具有非常重要的作用,但傳統(tǒng)的公路建設(shè)已無法滿足節(jié)能減排、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展等要求,能源供應(yīng)是目前面臨的一個(gè)重大問題。有研究者提出可將廢棄的能量收集起來應(yīng)用于道路上,實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。自然界中的能量主要有太陽能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械能等,但對于道路能量采集來說,這些能量由于實(shí)用性受限、成本較高、選址要求嚴(yán)格等不適于大量推廣,機(jī)械能在日常生活中應(yīng)用較多,但當(dāng)機(jī)械振動停止時(shí),輸出能量為零。通過使用壓電材料從道路結(jié)構(gòu)中收集可再生能源成為研究的熱點(diǎn)[19-20]。壓電材料能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,若將合適的壓電材料埋入路面結(jié)構(gòu)當(dāng)中,則外力所產(chǎn)生的部分機(jī)械能可轉(zhuǎn)化為電能[21],如圖1所示。將智能控制能量采集電路,壓電能量收集電路與合適的儲能單元相連接,即可形成完備的能量收集系統(tǒng)。楊海露[22]對常見壓電能量收集電路進(jìn)行了分析總結(jié),如表2所示。

圖1 壓電效應(yīng)示意圖[21]

表2 能量收集電路對比[22]

以往的研究中主要涉及兩種壓電能量收集方法:第一種是將路面材料與壓電材料相結(jié)合得到瀝青基壓電復(fù)合材料或水泥基壓電復(fù)合材料,使得路面施工比較便利且可以利用有限的道路區(qū)域進(jìn)行能量收集,但因?yàn)槠錁O化困難、路面隔熱等問題在實(shí)際應(yīng)用中較少;第二種是將壓電材料封裝在壓電換能器中,壓電換能器埋入路面結(jié)構(gòu)中作為分布式能量收集的轉(zhuǎn)換樞紐,該方法能量轉(zhuǎn)換效率高、可操作性強(qiáng),成為主要收集方法。道路能量收集系統(tǒng)是指通過運(yùn)用正壓電效應(yīng)的基本原理,將固定幾何形態(tài)的壓電材料采用特定的加工方法串聯(lián)形成一種壓電單體,將各個(gè)壓電單體采用相應(yīng)的密封工藝組成壓電換能器,并將該換能器放置在道路上,將汽車行駛過程中對道路所作的功轉(zhuǎn)變成能量,并采用適當(dāng)?shù)倪B接電路實(shí)現(xiàn)能量收集和儲存。

目前主要使用的壓電材料是鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)。Park等[23]設(shè)計(jì)了一種壓電復(fù)合板來融化道路上的冰,結(jié)果表明,壓電復(fù)合材料收集的能量可以在2.5 h內(nèi)將冰雪覆蓋的人行道溫度提高20 ℃。Xiong等[24]利用鋯鈦酸鉛材料構(gòu)建了用于LED(light emitting diode)交通燈的壓電微功率發(fā)電器。Khamil等[25]提出了一種熱電能量收集系統(tǒng)(thermoelectric energy harvesting system,TEH),該系統(tǒng)通過在地下埋設(shè)不同形狀的換能器收集瀝青路面上的熱量。結(jié)果表明,圓柱桿狀換能器比扁桿狀換能器對熱量的收集效率更高。Tahami等[26]提出了一種埋設(shè)于人行道中的熱電發(fā)電機(jī)的能量收集系統(tǒng),從路基土壤和路表的溫差中獲取熱能。Song等[27]提出了一種可以固定在人行道上的路面砌塊壓電能量采集器(piezoelectric energy harvester for pavement blocks,PBPEH);基于路面砌塊壓電能量采集器,還開發(fā)了一種物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,IoT)系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅能為人行道信號指示器供電,還可以將PBPEH收集的能量轉(zhuǎn)換為人行道附近的環(huán)境數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,所采用的IoT系統(tǒng)能有效地為人行道指示器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。

中國針對路面能量采集方面也開展了不少研究[28]。Yang等[29]在實(shí)驗(yàn)路段對壓電能量采集器進(jìn)行性能評估,獲得了250 V以上的開路峰值電壓,如圖2所示,并成功點(diǎn)亮LED燈牌,車速越快,LED燈泡點(diǎn)亮的持續(xù)時(shí)間越短。此外,LED亮度受車速和車輪負(fù)載的影響,隨著速度和負(fù)載的提高,LED將變亮。Wang等[30]設(shè)計(jì)了一種道路兼容壓電能量收集器(road-compatible piezoelectric energy harvester,RPEH),可以應(yīng)用于大規(guī)模停電事故下的隧道LED燈應(yīng)急系統(tǒng),還可以解決偏遠(yuǎn)山區(qū)夜間行駛時(shí)道路LED燈的供電問題。宋健[31]采用壓電陶瓷工藝技術(shù),對收集車輛振動電能開展了深入研究,結(jié)果表明不同的路面級別、外接載荷和外部激勵(lì)頻率均會對壓電振子的壓電特征產(chǎn)生影響,因此通過車輛振動電能收集能量,可有效增加汽車的續(xù)航能力,減少充電周期。陳曉林等[32]從壓電發(fā)電基本原理著手,根據(jù)道路負(fù)荷和環(huán)境特征,采用了有限元仿真和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的分析方法,設(shè)計(jì)和研制了壓電式道路振動能量收集器。在仿真環(huán)境與實(shí)際踩踏兩種方式的載荷作用下,通過能量收集器的輸出特性和效能為基于壓電效應(yīng)的能量采集技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的有效運(yùn)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。Wang等[33]基于環(huán)境適用性設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部具有阻隔結(jié)構(gòu)的新型壓電能量收集裝置,并從多角度對其交通環(huán)境適用性和能量輸出效果進(jìn)行了評價(jià),促進(jìn)了壓電能量收集技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用。張宇軒等[34]提出了一種新型組合螺旋壓電能量收集器,不僅可以降低諧振頻率,同時(shí)還可對多方向的能量進(jìn)行收集,增大能量收集器的轉(zhuǎn)換效率和輸出性能。

圖2 不同速度下方形和圓形壓電換能器的開路峰值電壓[29]

路面壓電傳感能源采集技術(shù)將通過道路荷載做功而產(chǎn)生的廢棄能量加以采集使用,是一項(xiàng)新興的綠色能源技術(shù)。但目前還存在以下難題使其未能在道路路面領(lǐng)域展開大面積使用:重載交通下對壓電材料的各項(xiàng)性能、結(jié)構(gòu)類型及封裝設(shè)計(jì)等都存在很高的要求;晝夜、全年和不同區(qū)域的溫差對壓電收集系統(tǒng)的影響;載荷及速度大小對壓電發(fā)電裝置輸出電壓的影響;能量收集效率提高的同時(shí)降低投入成本等,都對路面施工及壓電元件提出了新要求。從道路長期發(fā)展視角考慮,路面的壓電能量采集技術(shù)將能夠高效采集道路振動機(jī)械能,從而節(jié)省施工成本,符合綠色交通發(fā)展要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 智能壓電混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及交通監(jiān)測技術(shù)

2.1 壓電混凝土道路交通風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,汽車保有量不斷增多,因車輛超載導(dǎo)致的交通事故頻發(fā),在循環(huán)荷載作用下造成路面破壞,致使交通發(fā)生嚴(yán)重的擁堵、混亂,車輛的重量和速度對道路的使用壽命和人們的生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)的有關(guān)檢測交通狀況的探針如感應(yīng)環(huán)探針、微環(huán)探針等都會在施工和維護(hù)時(shí)不同程度的損傷路面。因此,開發(fā)一種交通監(jiān)控系統(tǒng)來獲取車輛的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)迫在眉睫,如可實(shí)時(shí)監(jiān)測交通流量、車速、車輛重量等。

Liu等[35]開發(fā)了一種由多個(gè)壓電元件組成的能量收集陣列(energy harvesting array,EHA),用于交通監(jiān)控和能量收集。通過壓縮實(shí)驗(yàn)得出EHA響應(yīng)規(guī)律,為監(jiān)測車輛軸重和速度信息奠定了基礎(chǔ),并聯(lián)多個(gè)EHA組成的能量收集陣列可以實(shí)現(xiàn)對車速、軸重等基本交通信息的采集。Gao等[36]使用混凝土封裝的光纖傳感器監(jiān)測混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕情況,結(jié)果表明,其該傳感器可以有效地對鋼筋腐蝕進(jìn)行監(jiān)測,且穩(wěn)定性好,預(yù)計(jì)可使用10年以上。

水泥基壓電傳感器(cement-based piezoelectric sensors,CPC)因其具有與混凝土結(jié)構(gòu)良好的兼容性而被廣泛研究,應(yīng)用于實(shí)際工程中[37-39]。Zhang等[40]提出了一種使用嵌入式水泥基壓電傳感器的新型智能交通監(jiān)測方法。圖3所示為不同平均載荷下水泥基壓電傳感器的機(jī)電響應(yīng)情況,可以看出,負(fù)載水平對傳感器的輸出幾乎沒有影響,因此基于水泥壓電傳感器所具有的高穩(wěn)定性使得其適合作為動態(tài)機(jī)電傳感器。Zhu等[41]以水泥乳化瀝青為基體相,PZT為壓電相,采用切割填充法制備2-2壓電復(fù)合材料,將壓電傳感器模型嵌入到道路結(jié)構(gòu)模型中,證實(shí)了水泥乳化瀝青壓電復(fù)合材料用于動態(tài)稱重的可行性。當(dāng)壓電傳感器嵌入道路結(jié)構(gòu)中時(shí),應(yīng)力集中發(fā)生在嵌入位置。

圖3 水泥基壓電傳感器的機(jī)電響應(yīng)[40]

由此可見,智能交通監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的交通信息收集潛力,如交通流量檢測,車輛速度檢測和動態(tài)稱重測量等。

Wang等[42]研究了一種適用于道路交通條件的可批量加工的多層垂直蝶形陣列壓電傳感器件,其轉(zhuǎn)換的功率可以為危險(xiǎn)區(qū)域的汽車提供實(shí)時(shí)安全警告,特別是對偏遠(yuǎn)山區(qū)的交通安全警告,這些地區(qū)的遠(yuǎn)距離輸電不方便,夜間、霧天和雨雪天駕駛都很危險(xiǎn)。表3是以重型卡車和普通轎車為例,對不同道路條件下該裝置的試驗(yàn)頻率進(jìn)行計(jì)算和模擬,根據(jù)模擬結(jié)果,對多層垂直蝶形陣列壓電傳感器的最大輸出電壓和功率進(jìn)行計(jì)算,如圖4所示。綜合表3和圖4可知,在輕型交通車速為50～90 km/h、重型交通車速為90～100 km/h時(shí),功率轉(zhuǎn)換效果最佳,兩者相比較發(fā)現(xiàn)該裝置在輕型交通中的發(fā)電能力較高。壓電傳感器在同一道路上不同速度下的輸出電壓也不同,不同的電壓仍會影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,因此需要增加穩(wěn)壓裝置,以確保報(bào)警設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的長期使用壽命。單個(gè)壓電傳感器瞬間點(diǎn)亮標(biāo)志效果明顯,標(biāo)志顯示瞬時(shí)閃爍模式,在7～11 Hz的振動頻率范圍內(nèi),實(shí)時(shí)安全報(bào)警效果較好。

a為輕型交通汽車速度30～40 km/h;b為輕型交通汽車速度50～90 km/h;c為輕型交通汽車速度100～120 km/h;d為重載交通車速度60～100 km/h

表3 不同路況的速度與頻率[42]

水泥基壓電傳感器可用于智能交通監(jiān)控系統(tǒng),并且能夠準(zhǔn)確地測量車輛流量、車速和車軸總重量。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)表明以壓電材料為基礎(chǔ)所制備的不同壓電器件具備抗干擾能力強(qiáng)、壓電響應(yīng)快、測量精度高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)特性好和易于裝配與維護(hù)等優(yōu)勢。因此傳感器在交通監(jiān)測中是有效的,具有良好的應(yīng)用潛力,但在成本以及大規(guī)模應(yīng)用上還需進(jìn)一步研究。

2.2 壓電混凝土道路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)

在過去的幾十年里,由于內(nèi)在因素(材料自身缺陷、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工不足等)和外在因素(惡劣環(huán)境、意外荷載等)的不利影響,混凝土結(jié)構(gòu)通常在整個(gè)使用壽命內(nèi)發(fā)生退化,如混凝土開裂[43]、鋼材腐蝕[44-45]和結(jié)構(gòu)倒塌[46]等,造成安全問題和經(jīng)濟(jì)損失。因此,需要監(jiān)測路面的健康情況,在早期發(fā)現(xiàn)問題時(shí)對混凝土及時(shí)養(yǎng)護(hù),可延長路面使用壽命。在道路結(jié)構(gòu)健康檢測中,智能壓電材料日益引起了人們的關(guān)注,已經(jīng)開發(fā)了許多與壓電材料相關(guān)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(structural health monitoring,SHM)技術(shù)來評估原位結(jié)構(gòu)的安全性和完整性,如聲發(fā)射技術(shù)[47]。此外,使用壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料制造的壓電傳感器被用作SHM的傳感器和致動器。其中,由PZT或智能骨料(smart aggregate,SA)組成的傳感器已廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的評估中,通過分析電阻、電壓、頻率、介電常數(shù)和阻抗的變化,評估和檢測結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和損傷條件。目前運(yùn)用壓電材料智能結(jié)構(gòu)技術(shù)對道路混凝土構(gòu)件進(jìn)行健康檢測的工作原理就是將壓電材料埋于混凝土構(gòu)件中,利用壓電材料的正壓電效應(yīng),組成無損健康檢測體系,同時(shí)將接收和發(fā)出的信息用于評估道路混凝土構(gòu)件的損壞情況。

2.2.1 水泥混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

在水泥混凝土的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中,主要檢測腐蝕和裂縫,鋼筋的腐蝕會削弱其承載能力,而裂縫則會加劇腐蝕和應(yīng)力集中。近年來,學(xué)者們通常使用光纖傳感器來監(jiān)測鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕過程[48-49],然而,光纖傳感器易于受到溫度的影響,使該方法的監(jiān)測可靠性降低。PZT由于其受溫度影響小、成本低廉的優(yōu)勢在道路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中獲得了越來越多的關(guān)注。

Du等[50]基于超聲波的嵌入式壓電傳感器對混凝土中鋼筋的腐蝕進(jìn)行評估,分別使用具有良好發(fā)射、接收能力的PZT-4型、PZT-5型壓電陶瓷作為發(fā)射接收元件,同時(shí)使用水泥/聚合物作為包裝材料來制造接收傳感器,通過分析超聲波光譜,提取峰值振幅、波速和主頻的聲學(xué)參數(shù)來監(jiān)測混凝土中鋼筋的腐蝕程度。Lu等[51]使用嵌入式水泥基壓電復(fù)合傳感器和聲發(fā)射(acoustic emission,AE)技術(shù)監(jiān)測在加速腐蝕條件下有/無裂縫的混凝土梁中鋼筋的腐蝕活動。通過自編程的監(jiān)測系統(tǒng)成功檢測并記錄了由局部腐蝕和混凝土裂縫引發(fā)的AE參數(shù)。發(fā)現(xiàn)水泥基壓電傳感器通過AE技術(shù)能很好地檢測裂縫的存在。Kee等[52]使用PZT傳感器作為混凝土結(jié)構(gòu)表面表面波的驅(qū)動和傳感源,以評估使用PZT傳感器監(jiān)測裂縫深度的可行性。Tseng等[53-54]提出了使用表面粘結(jié)阻抗傳感器監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中兩種類型損傷(即空洞和裂縫)的數(shù)值研究。Talakokula等[55]分別對在鋼筋表面和嵌入鋼筋混凝土內(nèi)部的壓電陶瓷傳感器進(jìn)行鋼筋銹蝕敏感度研究,結(jié)果表明,嵌入式壓電陶瓷傳感器對鋼筋的銹蝕過程更為敏感。高振恒[56]利用波傳播分析法,通過辨識傳感器接收信號的變化對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別和監(jiān)測,并基于信號幅值提出了損傷指標(biāo)來衡量損傷程度,結(jié)果表明基于壓電陶瓷的波傳播分析法對混凝土裂縫損傷識別和監(jiān)測是有效的。Yang等[57-59]研究了機(jī)電阻抗(electromechanical impedance,EMI)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的問題,并得出了PZT鍵合厚度與溫度之間的關(guān)系;此外,他們還提出了一種可重復(fù)使用的PZT傳感器。鄧有生等[60]利用水泥基碳纖維復(fù)合材料制備了一種碳纖維智能傳感器,將其嵌入帶有預(yù)制裂縫混凝土梁試件中進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,水泥基智能層可通過電阻率變化對混凝土梁的平均應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測,從而達(dá)到監(jiān)測裂縫寬度變化的要求。王露等[61]將撓度控制在一定范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)樹脂基纖維智能層的電阻與玻璃板的裂縫寬度呈線性變化關(guān)系,可為工程結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下的損傷檢測提供試驗(yàn)依據(jù)。

Pan等[62]使用壓電水泥傳感器和PZT傳感器分別對水灰比為0.4、0.5和0.6的三種水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度(fc)進(jìn)行了56 d的監(jiān)測,PZT傳感器在電導(dǎo)圖譜中第一個(gè)共振峰(50～150 kHz)沒有觀察到電導(dǎo)隨齡期變化的規(guī)律性趨勢,導(dǎo)致有效監(jiān)測頻率范圍難以找到。第二共振峰(334～364 kHz)和第三共振峰(496～561 kHz)附近的電導(dǎo)隨樣品齡期的增加呈下降趨勢,但三種類型砂漿的有效頻率在第三峰區(qū)并不總是能全部監(jiān)測到,結(jié)果具有不確定性。PEC傳感器在電導(dǎo)圖譜中沒有共振峰,曲線平滑且只有微小波動。有效監(jiān)測頻率如表4和表5所示,結(jié)果表明PEC傳感器的監(jiān)測能力優(yōu)于PZT傳感器,這是由于PEC傳感器的電阻抗變化比較明顯。

表4 砂漿中嵌入PZT傳感器的有效監(jiān)測頻率[62]

表5 砂漿中嵌入PEC傳感器的有效監(jiān)測頻率[62]

鋼筋在水泥混凝土中的腐蝕監(jiān)測是一個(gè)長期而連續(xù)的過程,給監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。具有傳感和驅(qū)動雙重功能的壓電材料使得這一問題得到了一定程度的解決。目前通過使用壓電陶瓷和壓電復(fù)合材料作為元件開發(fā)了一種嵌入式壓電傳感器[63],將其埋入混凝土內(nèi)部可以更有效地監(jiān)測混凝土的裂縫、空洞和腐蝕等。

2.2.2 瀝青路面健康監(jiān)測

水泥混凝土是一種與溫度關(guān)系較小的材料,其性能不易受溫度變化的影響,混凝土中的壓電傳感器驅(qū)動信號的傳播穩(wěn)定,這使得損傷監(jiān)測更簡單和更有效。然而,瀝青混凝土是典型的溫度依賴性材料,其機(jī)械性能和空隙率隨溫度而變化,導(dǎo)致其信號傳播特性亦發(fā)生變化。因此,水泥混凝土的監(jiān)測模型不適用于瀝青混凝土。

Alavi等[64]提出了一種基于壓電自供電無線傳感器(self-powered wireless sensors,SWS)技術(shù)的瀝青混凝土路面連續(xù)健康監(jiān)測方法。在交通荷載下,該方法能夠監(jiān)測和定位瀝青路面自下而上的開裂情況,用于損傷診斷。Hasni等[65]制造了一種非恒定壓電薄膜型SWS,基于由損壞或開裂引起的電壓幅度的偏差,檢測瀝青混凝土路面自下而上的裂縫。室溫(25 ℃)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,代表傳感器應(yīng)變/電壓的曲線的斜率(絕對值)與施加的循環(huán)次數(shù)有關(guān),循環(huán)次數(shù)越多,曲線斜率的絕對值越大。PZT具有良好的壓電性和高的介電常數(shù),但其缺點(diǎn)在于PZT更脆并且其模量比瀝青混合料更高,這就使得嵌入瀝青路面中的PZT的變形在交通荷載下與瀝青混合料的變形不一致,導(dǎo)致嵌入瀝青路面的PZT更容易受到損壞。Ji等[66]將PZT和聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)復(fù)合制備的壓電振子封裝在環(huán)氧樹脂中,制備了自供電損傷檢測骨料(self-powered damage detection aggregates,SPA),實(shí)驗(yàn)表明其抗壓強(qiáng)度可達(dá)16 MPa且具有優(yōu)異的傳感和驅(qū)動特性。研究了裂縫寬度與PZT/PVDF復(fù)合壓電傳感器的聲波衰減系數(shù)的關(guān)系,如圖5所示。可以看出,聲波衰減系數(shù)隨著瀝青路面裂縫寬度的增大而降低,二者之間近似于線性關(guān)系。因此利用SPA激發(fā)的聲波監(jiān)測瀝青路面隱蔽裂縫是可行的。

圖5 PZT/PVDF復(fù)合壓電傳感器的聲波衰減系數(shù)和裂縫寬度之間的關(guān)系[66]

瀝青混凝土路面與溫度密切相關(guān),為了克服溫度對監(jiān)測結(jié)果的影響,研究人員發(fā)現(xiàn)將壓電陶瓷與高分子聚合物共混可制得具有良好特性的傳感器。然而,在瀝青混凝土路面的監(jiān)測中,聲波的傳播和衰減會受到瀝青混凝土結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。大部分關(guān)于混凝土路面的監(jiān)測都是以壓電陶瓷材料為主要的壓電材料,但其抗沖擊能力不夠,容易發(fā)生斷裂破壞,因此需要研究成本低廉、電學(xué)性能和物理性能優(yōu)良的壓電材料來彌補(bǔ)這一缺陷。

3 目前存在的問題及展望

壓電技術(shù)在道路中的應(yīng)用問題主要集中于用于道路的能量采集新材料的開發(fā),路面結(jié)構(gòu)中壓電裝置的埋設(shè),所采集能量的高效存儲和高效利用,壓電材料與道路材料的適應(yīng)性、對傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)的影響,壓電裝置的生命周期成本、穩(wěn)定性等問題。

(1)在混凝土路面服役期間,路面需要承受車輛荷載的反復(fù)作用,尤其是重型荷載,這對材料的力學(xué)性能、抗疲勞性能、抗老化性能都提出了很高的要求。因此,必須在保證壓電性能穩(wěn)定的條件下提高能量轉(zhuǎn)換效率和抗壓性能,在提高單一的壓電陶瓷材料性能的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行二元、三元甚至多元壓電復(fù)合材料的研究。例如,石墨-水泥基復(fù)合材料和柔性聚合基復(fù)合材料等。

(2)目前對于壓電裝置有諸多不同排列的安裝方法,應(yīng)合理設(shè)計(jì)壓電換能器結(jié)構(gòu)以便于能夠正確安裝,同時(shí)應(yīng)對換能器能量的存儲效率進(jìn)行深入研究。壓電能量接口電路對能量收集效率影響很大,因此,為了使能量收集系統(tǒng)獲得更高的轉(zhuǎn)換效率,壓電能量接口電路的設(shè)計(jì)也應(yīng)不斷進(jìn)行優(yōu)化,匹配相符合的儲能單元,才能更好地收集和存儲能量。

(3)壓電傳感器在監(jiān)測交通和道路健康的同時(shí),需要對其在交通載荷和外部環(huán)境影響下的力學(xué)性能及疲勞老化情況進(jìn)行研究,分析評估傳感器的使用壽命和成本。研究者發(fā)現(xiàn)壓電式能量采集器安裝一年后,發(fā)電量顯著下降[67],此時(shí)可用柔性壓電膜代替剛性壓電陶瓷,增大能量收集器的轉(zhuǎn)換效率和輸出性能。對傳感器的重復(fù)利用進(jìn)行深入研究,在提高性能的同時(shí)降低其使用成本。將壓電裝置埋設(shè)于道路中改變了路面結(jié)構(gòu),可能會對傳統(tǒng)道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)影響,在設(shè)計(jì)壓電裝置時(shí)應(yīng)該對其材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,使其能更快更高效的應(yīng)用在實(shí)際工程中。要加大力度對封裝材料進(jìn)行優(yōu)化,特別是加入封裝材料的摻料以及配比,在滿足強(qiáng)度和絕緣性能等基本要求的同時(shí),使得封裝后的壓電器件在高頻荷載下具有更優(yōu)的力學(xué)傳遞性能。

(4)瀝青是一種溫度依賴型材料,機(jī)械能和空隙率隨著溫度的變化而改變,當(dāng)封裝后的壓電換能器置于瀝青混凝土路面中時(shí),研究溫度的變化對能量轉(zhuǎn)換效率的影響,確定最佳轉(zhuǎn)換效率所對應(yīng)的溫度?？稍诓煌貐^(qū)對其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),根據(jù)南北溫差及早、中、晚三個(gè)階段的不同溫度研究對能量轉(zhuǎn)換效率的影響。在實(shí)際應(yīng)用中道路交通環(huán)境對裝置也有一定的影響,影響設(shè)備的發(fā)電效果和應(yīng)用耐久性,因此需要根據(jù)環(huán)境對裝置進(jìn)行適當(dāng)封裝,使其內(nèi)外環(huán)境的相互作用減少,提高適用性及耐久性。

(5)可將壓電-熱電、壓電-太陽能等各種其他可行的技術(shù)進(jìn)行集成組合,以獲得更好的實(shí)際使用效率,且兼顧其他綠色、智能、可持續(xù)等特點(diǎn)。同時(shí)應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害、雨水、空氣質(zhì)量等一系列自然因素對發(fā)電路面的影響進(jìn)行深入研究,最大限度地減少不必要的損失。

4 結(jié)論

(1)對幾種不同類型的壓電換能器的效率和剛度進(jìn)行了比較,確定了適用于不同路面的換能器類型,工程所采用的能量收集系統(tǒng)裝置必須結(jié)合適宜的換能器類型、路面能量收集電路和方法,從而實(shí)現(xiàn)高效率的綠色無污染能量收集技術(shù)。

(2)水泥基壓電傳感器可對交通狀況進(jìn)行監(jiān)測,嵌入式水泥基壓電傳感器比普通的傳感器性能更優(yōu)異,穩(wěn)定性更高,平均負(fù)載水平對傳感器輸出幾乎沒有影響,且可以為汽車提供實(shí)時(shí)報(bào)警信號,單個(gè)壓電傳感器瞬間點(diǎn)亮標(biāo)志明顯,實(shí)時(shí)報(bào)警效果較好。

(3)PZT/PVDF復(fù)合壓電傳感器具有優(yōu)異的傳感和驅(qū)動特性,可以有效監(jiān)測和評估混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)問題,也可用于監(jiān)測瀝青路面裂縫的發(fā)展。