一種傳感型塑料土工格柵的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種傳感型塑料土工格柵的制備方法，包括以下步驟：步驟(1)選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電母粒為填料，制作導(dǎo)電復(fù)合材料；步驟(2)在室內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)電復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系；步驟(3)利用導(dǎo)電復(fù)合材料的制備傳感型格柵；步驟(4)確定傳感型格柵的網(wǎng)型，即在傳感型格柵平行的主筋列上添加規(guī)則的六邊形輔筋。該類型土工格柵利用導(dǎo)電塑料的拉敏特性，通過(guò)測(cè)試格柵本身的電阻來(lái)獲得其自身的變形信息，無(wú)需在土體內(nèi)部埋入傳感器，避免了因?yàn)橥獠總鞲衅鞯闹踩攵鸬淖冃螠y(cè)試精度下降以及傳感器耐久性不滿足要求的現(xiàn)象。
【專利說(shuō)明】一種傳感型塑料土工格柵的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出了一種添加超導(dǎo)電炭黑的傳感型塑料土工格柵的制備方法，屬于土木工程領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]加筋土結(jié)構(gòu)系列產(chǎn)品以其經(jīng)濟(jì)、美觀、抗震、耐久和易于施工等優(yōu)點(diǎn)，在道路工程、水利工程、礦山工程中得到廣泛應(yīng)用，土工合成材料的開(kāi)發(fā)與使用已有幾十年的歷史，高性能的原料賦予土工產(chǎn)品高的強(qiáng)度與耐用性，同時(shí)研究表明，在工程中使用土工合成材料約需要增加原投資的1%?2%，而在同等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，可降低20%?40%的工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，土工格柵是加筋土結(jié)構(gòu)系列產(chǎn)品的典型代表。然而，目前的土工格柵產(chǎn)品只是起到單一的加筋效果，無(wú)法對(duì)加固體的變形信息進(jìn)行檢測(cè)，如若檢測(cè)則需另采用其他設(shè)備，增加了檢測(cè)的難度和成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明基于機(jī)敏導(dǎo)電塑料的拉敏效應(yīng)，提出一種添加超導(dǎo)電炭黑的傳感型塑料土工格柵的制備方法。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種傳感型塑料土工格柵的制備方法，包括以下步驟:
[0006]步驟⑴選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電母粒為填料，制作導(dǎo)電復(fù)合材料；
[0007]步驟(2)在室內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)電復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系；
[0008]步驟(3)利用步驟(I)得到導(dǎo)電復(fù)合材料的制備傳感型格柵；其中在機(jī)頭的模具在進(jìn)行編網(wǎng)時(shí)，中筒不旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒繞其定位軸旋轉(zhuǎn)180度，外筒按照與內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)方向相反的方向繞其定位軸也旋轉(zhuǎn)180度，按照此規(guī)律內(nèi)筒外筒不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)；
[0009]步驟(4)確定傳感型格柵的網(wǎng)型，即在傳感型格柵平行的主筋列上添加規(guī)則的六邊形輔筋。
[0010]所述的步驟(I)中導(dǎo)電復(fù)合材料的制備過(guò)程如下:
[0011]選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電母粒為填料，以導(dǎo)電母粒占混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%?60%的范圍內(nèi)將二者熔融混合，經(jīng)多次混合塑化擠出后冷卻造粒，得到導(dǎo)電復(fù)合材料。
[0012]所述的步驟(2)中復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系如下:
[0013]在室內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)電復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系，可以得出二者間的函數(shù)關(guān)系:Ω/Ω。= F( ε )，其中Ω/Ω。叫做歸一化電阻率，ε為應(yīng)變值。
[0014]所述的步驟(3)制備傳感型格柵的工藝過(guò)程如下:
[0015](3-1)將高密度聚乙烯和導(dǎo)電母粒按所定的配比攪拌混合均勻，倒入料斗中。
[0016](3-2)通過(guò)吸料機(jī)將混合料吸入注塑機(jī)中，經(jīng)過(guò)熔融加熱后，將熔融態(tài)的混合結(jié)合料注入機(jī)頭的模具中，進(jìn)行編網(wǎng)。
[0017](3-3)將生產(chǎn)出的格柵送入冷卻池中冷卻，定型，通過(guò)牽引設(shè)備牽引成卷。
[0018]本發(fā)明的有益效果如下:
[0019]首先，本發(fā)明提出的傳感型塑料土工格柵的制備方法，該類型土工格柵利用導(dǎo)電塑料的拉敏特性，通過(guò)測(cè)試格柵本身的電阻來(lái)獲得其自身的變形信息，無(wú)需在土體內(nèi)部埋入傳感器，避免了因?yàn)橥獠總鞲衅鞯闹踩攵鸬淖冃螠y(cè)試精度下降以及傳感器耐久性不滿足要求的現(xiàn)象，特別適用于全壽命周期內(nèi)土工結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警。
[0020]其次，現(xiàn)有格柵生產(chǎn)技術(shù)中，格柵網(wǎng)型會(huì)因輔筋的形狀不規(guī)則而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)型不齊整，影響格柵使用性能，因此需要改進(jìn)編網(wǎng)定型工藝，提高格柵性能。現(xiàn)將工廠中模具的編網(wǎng)工藝加以改進(jìn):將常規(guī)格柵的內(nèi)外筒反向圓周旋轉(zhuǎn)編網(wǎng)方式改進(jìn)為內(nèi)外筒反向定位旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。改進(jìn)工藝后制備出的格柵較之常規(guī)生產(chǎn)出的格柵網(wǎng)型齊整，規(guī)律，使得格柵的傳感性能更為精確。
[0021]另外，在現(xiàn)有格柵網(wǎng)型中，格柵網(wǎng)型會(huì)因輔筋的形狀不規(guī)則而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)型不齊整，影響格柵使用性能，如采用常規(guī)的單向、雙向土工格柵經(jīng)拉伸后定網(wǎng)則會(huì)使復(fù)合材料的原有變形-電阻關(guān)系函數(shù)產(chǎn)生變化，無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)定二者關(guān)系，因此沒(méi)有合適的網(wǎng)型。為解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)蜂巢仿生學(xué)原理經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬采用一種新型網(wǎng)型，即在平行的主筋列上添加規(guī)則的六邊形輔筋，由于將作為蜂巢基本單元的六邊形引入網(wǎng)格設(shè)計(jì)中，使得格柵的抗變形能力和自身穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。通過(guò)之前提到的模具工藝改進(jìn)，可使這種新型網(wǎng)型的傳感性能更高。新型網(wǎng)型如圖4所示。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1導(dǎo)電聚合物滲濾現(xiàn)象示意圖；
[0023]圖2格柵制備流程圖；
[0024]圖3(1)模具編網(wǎng)的常規(guī)工藝；
[0025]圖3 (2)模具編網(wǎng)的改進(jìn)工藝；
[0026]圖4網(wǎng)型結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖5歸一化電阻率與應(yīng)變關(guān)系；
[0028]圖6歸一化電阻率與應(yīng)變關(guān)系；
[0029]圖中:I外筒，2中筒，3內(nèi)筒，4內(nèi)筒定位軸，5外筒定位軸，6輔筋，7主筋。

【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明的制作原理如下:
[0031](I)導(dǎo)電高分子材料目前已在能源、光電子器件、信息、傳感器、分子導(dǎo)線和器件，以及電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，填充復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電復(fù)合材料，它是在基體聚合物中加入炭黑、碳纖維、石墨、碳納米管等導(dǎo)電填料復(fù)合而成。導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電行為一般呈現(xiàn)典型的滲濾現(xiàn)象，如圖1所示。當(dāng)填料含量增加到某一閾值時(shí)，在某一區(qū)域內(nèi)復(fù)合材料電阻率急劇下降，這一區(qū)域被稱為滲濾區(qū)域。機(jī)敏材料具有感知和驅(qū)動(dòng)功能，某些導(dǎo)電高分子復(fù)合材料也具有機(jī)敏性，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)后表現(xiàn)出一些特殊效應(yīng)，如拉敏效應(yīng)。拉敏效應(yīng)是在外部拉力作用下導(dǎo)電性發(fā)生轉(zhuǎn)變的過(guò)程(低阻一高阻)。拉敏效應(yīng)的出現(xiàn)是由于當(dāng)復(fù)合材料變形超過(guò)某臨界值時(shí)，導(dǎo)電通路被部分破壞而成高阻態(tài)。
[0032](2)在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)電阻率的變化來(lái)確定材料的各性能指標(biāo)的變化規(guī)律，當(dāng)以添加超導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電聚合物為原料制備的傳感型土工格柵受到外力作用時(shí)，受力處的電阻率發(fā)生顯著變化，通過(guò)選取電阻率變化最明顯時(shí)的導(dǎo)電聚合物原料(即特定的最佳填料含量原料)，進(jìn)行傳感型塑料土工格柵的制備。
[0033]本發(fā)明的傳感型塑料土工格柵的制備方法，步驟如下:
[0034](I)超導(dǎo)電炭黑填量的確定
[0035]為得到所需的復(fù)合材料，在室內(nèi)以試驗(yàn)的方式進(jìn)行復(fù)合材料的研制，選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電母粒為填料，以導(dǎo)電母粒占混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%?60%的范圍內(nèi)將二者熔融混合,經(jīng)塑化擠出后冷卻造粒,得到導(dǎo)電復(fù)合材料,為保證復(fù)合材料的均勻性，將其進(jìn)行多次混合塑化擠出、造粒，得到所需復(fù)合材料后進(jìn)行使用。
[0036](2)機(jī)敏聚合物變形-電阻關(guān)系標(biāo)定
[0037]在室內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)電復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系，可以得出二者間的函數(shù)關(guān)系4/^0 = ?“)，其中Ω/Ω0叫做歸一化電阻率，ε為應(yīng)變值。
[0038](3)傳感型格柵的制備方法
[0039]以導(dǎo)電高密度聚乙烯復(fù)合材料(超導(dǎo)電炭黑為導(dǎo)電填料)為原料，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%?60%導(dǎo)電母粒填料含量的復(fù)合材料進(jìn)行格柵制備。在土工格柵生產(chǎn)工廠利用土工格柵生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)塑化擠出、編網(wǎng)定型等工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，具體生產(chǎn)流程如圖2?，F(xiàn)有格柵生產(chǎn)技術(shù)中，格柵網(wǎng)型會(huì)因輔筋的形狀不規(guī)則而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)型不齊整，影響格柵使用性能，因此需要改進(jìn)編網(wǎng)定型工藝，提高格柵性能?，F(xiàn)將工廠中模具的編網(wǎng)工藝加以改進(jìn):將常規(guī)格柵的內(nèi)外筒反向圓周旋轉(zhuǎn)編網(wǎng)方式改進(jìn)為內(nèi)筒、外筒反向定位旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，機(jī)頭模具包括內(nèi)筒3、中筒2和外筒1，工作時(shí)，所述的中筒2不旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒3繞內(nèi)筒定位軸4旋轉(zhuǎn)180度，外筒I按照與內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)方向相反的方向繞外筒定位軸5也旋轉(zhuǎn)180度，如此往復(fù)。改進(jìn)工藝后制備出的格柵較之常規(guī)生產(chǎn)出的格柵網(wǎng)型齊整，規(guī)律，使得格柵的傳感性能更為精確。
[0040](4)確定網(wǎng)型
[0041]在現(xiàn)有格柵網(wǎng)型中，格柵網(wǎng)型會(huì)因輔筋的形狀不規(guī)則而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)型不齊整，影響格柵使用性能，如采用常規(guī)的單向、雙向土工格柵經(jīng)拉伸后定網(wǎng)則會(huì)使復(fù)合材料的原有變形-電阻關(guān)系函數(shù)產(chǎn)生變化，無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)定二者關(guān)系，因此沒(méi)有合適的網(wǎng)型。為解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)蜂巢仿生學(xué)原理經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬采用一種新型網(wǎng)型，即在平行的主筋7列上添加規(guī)則的六邊形輔筋6，由于將作為蜂巢基本單元的六邊形引入網(wǎng)格設(shè)計(jì)中，使得格柵的抗變形能力和自身穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。通過(guò)之前提到的模具工藝改進(jìn)，可使這種新型網(wǎng)型的傳感性能更高。新型網(wǎng)型如圖4所示。
[0042]本發(fā)明的具體應(yīng)用如下；
[0043]在需要加筋結(jié)構(gòu)的工程中均可使用該類型智能塑料土工格柵，如修建公路、鐵路以及江河湖海岸邊的加筋擋土墻、堤壩、橋面、陡坡、礦山工程等防護(hù)工程。
[0044]實(shí)例一:道路用傳感型塑料土工格柵的制備
[0045]道路工程中，土工格柵主要用于加固土體、防止沉降，為制備適用于道路的傳感型塑料土工格柵，選取填料比例為45%的導(dǎo)電復(fù)合材料(其歸一化電阻率與應(yīng)變關(guān)系式為
= °.098^ + 1.024如圖5所示)，該比例復(fù)合材料的制作過(guò)程如下:按質(zhì)量比例將基材
HDPE和超導(dǎo)電炭黑母粒配好、混合；將二者的混合物經(jīng)擠出機(jī)熔融擠出，冷卻后造粒，得到高密度聚乙烯復(fù)合材料，為保證復(fù)合材料中炭黑的均勻性，將造好的復(fù)合材料顆粒重新熔融再造粒，再造粒過(guò)程重復(fù)2次，即可得到均勻性良好的復(fù)合材料。將以炭黑為填料的高密度聚乙烯復(fù)合材料利用土工格柵生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)塑化擠出、編網(wǎng)定型等工藝生產(chǎn)制成傳感型土工格柵。將該類型傳感型塑料土工格柵鋪設(shè)在路基中，不僅可以通過(guò)格柵網(wǎng)孔與土體之間的咬合和互鎖作用，構(gòu)成一個(gè)高效的應(yīng)力傳遞機(jī)構(gòu)，使局部載荷能迅速有效地?cái)U(kuò)散到大面積的土體中去，降低局部破壞應(yīng)力，還能通過(guò)受力變形后的阻值變化進(jìn)行定位檢測(cè)，為預(yù)養(yǎng)護(hù)和加固提供科學(xué)依據(jù)，既保證了工程安全，又減少了全壽命周期的工程成本。
[0046]實(shí)例二:礦山用傳感型塑料土工格柵的制備
[0047]在礦山生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，巷道的穩(wěn)定堅(jiān)固是安全生產(chǎn)的保證，為加固巷道，通常采用埋掛土工格柵的方法，這樣不僅提高了巷道的堅(jiān)固性，也能降低施工成本。但即便如此，由于圍壓等因素的作用，依然會(huì)使巷道壁變形破壞，甚至垮塌，造成生命財(cái)產(chǎn)損失，若采用專用設(shè)備定期檢測(cè)，則耗時(shí)費(fèi)力，且操作不便?，F(xiàn)可采用鋪設(shè)傳感型土工格柵的方式解決以上問(wèn)題。選用填料質(zhì)量比例為48%的復(fù)合導(dǎo)電高密度聚乙烯復(fù)合材料(炭黑為導(dǎo)電填料)為

Ω _￡' + 0.096
原料(其歸一化電阻率與應(yīng)變關(guān)系式為Ω() — 0.153+ 2.316U+ 0.096)-0,188("+ 0.096)2.如圖6所示)，復(fù)合材料的制作過(guò)程及要求同實(shí)例一。將該類型智能土工格柵掛設(shè)在巷道中，不僅可以加固巷道，有效防止巖塊或煤塊的掉落，還能通過(guò)傳感型土工格柵受力變形后的阻值變化進(jìn)行定位檢測(cè)，從而為預(yù)測(cè)礦壓并制定相應(yīng)的加固措施提供第一手資料，可以防止工程事故發(fā)生，減少生命財(cái)廣損失。
【權(quán)利要求】
1.一種傳感型塑料土工格柵的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟(I)選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電母粒為填料，制作導(dǎo)電復(fù)合材料； 步驟(2)在室內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)電復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系; 步驟(3)利用步驟(I)得到導(dǎo)電復(fù)合材料的制備傳感型格柵；其中在機(jī)頭的模具在進(jìn)行編網(wǎng)時(shí)，中筒不旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒繞其定位軸旋轉(zhuǎn)180度，外筒按照與內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)方向相反的方向繞其定位軸也旋轉(zhuǎn)180度，按照此規(guī)律內(nèi)筒外筒不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 步驟(4)確定傳感型格柵的網(wǎng)型，即在傳感型格柵平行的主筋列上添加規(guī)則的六邊形輔筋。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感型塑料土工格柵的制備方法，其特征在于:所述的步驟(I)中導(dǎo)電復(fù)合材料的制備過(guò)程如下: 選用高密度聚乙烯為基材，以添加超導(dǎo)電炭黑的導(dǎo)電母粒為填料，以導(dǎo)電母粒占混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%?60%的范圍內(nèi)將二者熔融混合，經(jīng)多次混合塑化擠出后冷卻造粒，得到導(dǎo)電復(fù)合材料。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感型塑料土工格柵的制備方法，其特征在于:所述的步驟(2)中復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系如下: 在室內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)電復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合材料的變形與電阻變化間的關(guān)系，得出二者間的函數(shù)關(guān)系= F( ε )，其中Ω/Ω，^做歸一化電阻率，ε為應(yīng)變值。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感型塑料土工格柵的制備方法，其特征在于:所述的步驟(3)制備傳感型格柵的工藝過(guò)程如下: (3-1)將步驟I得到的導(dǎo)電復(fù)合材料，倒入料斗中； (3-2)通過(guò)吸料機(jī)將混合料吸入注塑機(jī)中，經(jīng)過(guò)熔融加熱后,將熔融態(tài)的混合結(jié)合料注入機(jī)頭的模具中，進(jìn)行編網(wǎng)； (3-3)將生產(chǎn)出的格柵送入冷卻池中冷卻，定型，通過(guò)牽引設(shè)備牽引成卷。
【文檔編號(hào)】E02D1/00GK104139541SQ201410294416
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】崔新壯, 隋偉, 張炯, 湯濰澤, 樓俊杰, 高智珺 申請(qǐng)人:山東大學(xué)