用于道路综合称重运动感应的智能石墨-水泥复合材料

哈桑 -博, 西蒙 -亚, 菲利 普-
意大利土木与环境工程系

摘要

智能多功能复合材料表现出更强的物理和机械性能，可以为结构提供新的功能。作者最近启动了一项研
究计划，旨在开发新的应变感应路面材料，以实现道路综合称重运动（WIM）感应。作者的目标是以较低的成本
实现准确的WIM，用于基础设施的监测，并且与现成的解决方案相比，具有更强的耐久性。以前的工作致力于
制定一种信号处理算法，用于估计轴数和重量，以及基于部署在桥面上的压阻路面材料的输出的车辆速度。这项
工作提出并描述了一种合适的低成本和高度可扩展的水泥基复合材料，具有应变感应能力和足够的灵敏度，以满
足WIM信号的要求。本文提出石墨水泥基智能复合材料，并针对其在WIM中的应用研究了其机电性能。由于石
墨粉末容易分散在水泥基体中，这些复合材料的设计具有可扩展性，因此可用于建造智能路面的部分。本文提出
的研究包括对不同数量的石墨样品进行机电测试，以确定信号灵敏度方面的最佳组合。本文获得了 20%（按重量）
的水泥最佳掺入量，并选择用于制作 30×15×5cm3的板材。在该板上进行的载荷识别试验结果表明，所提出的技
术是能够进行WIM的。

关键词

智能材料；智能路面；石墨；水泥；称重运动；应变

参考

[1]Galao, O.; Bañón, L.; Baeza, F.J.; Carmona, J.;

Garcés, P. Highly conductive carbon fiber reinforced concrete

for icing prevention and curing. Materials 2016, 9, 281.

[2]Lu, S.N.; Xie, N.; Feng, L.C.; Zhong, J. Applications of

nanostructured carbon materials in constructions: The state of

the art. J. Nanomater. 2015, 2015, doi.10.1155/2015/807416.

[3]Baeza, F.; Galao, O.; Zornoza, E.; Garcés, P.

Multifunctional Cement Composites Strain and Damage

Sensors Applied on Reinforced Concrete (RC) Structural

Elements. Materials 2013, 6, 841–855.

[4]Laflamme, S.; Ubertini, F. Back-to-Basics: SelfSensing Materials for Nondestructive Evaluation. Mater. Eval.

2020, 78, 526–536.

[5]Dong, W.; Li, W.; Tao, Z.; Wang, K. Piezoresistive

properties of cement-based sensors: Review and perspective.

Constr. Build. Mater. 2019, 203, 146–163.

[6]García-Macías, E.; Castro-Triguero, R.; Sáez,

A.; Ubertini, F. 3D mixed micromechanics-FEM modeling of

piezoresistive carbon nanotube smart concrete. Comput. Meth.

Appl. Mech. Eng. 2018, 340, 396–423.

[7]Ubertini, F.; Laflamme, S.; D’Alessandro, A.

Smart cement paste with carbon nanotubes. In Innovative

Developments of Advanced Multifunctional Nanocomposites

in Civil and Structural Engineering; Elsevier: Cambridge, UK,

2016; pp. 97–120.

[8]Nam, I.; Souri, H.; Lee, H.K. Percolation threshold and

piezoresistive response of multi-wall carbon nanotube/cement

composites. Smart Struct. Syst. 2016, 18, 217–231.

[9]Meoni, A.; D’Alessandro, A.; Downey, A.; GarcíaMacías, E.; Rallini, M.; Materazzi, A.L.; Torre, L.; Laflamme,

S.; Castro-Triguero, R.; Ubertini, F. An experimental study

on static and dynamic strain sensitivity of embeddable smart

concrete sensors doped with carbon nanotubes for SHM of large

structures. Sensors 2018, 18, 831.

[10]Komori, T.; Makishima, K. Numbers of Fiber-toFiber Contacts in General Fiber Assemblies. Text. Res. J.

1977, 47, 13–17.