技术领域
[0001] 本发明涉及智能建筑材料技术领域，具体涉及一种道路智能皮肤及其制备方法和应用。
相关背景技术
[0002] 传统的监测传感技术，通过在特定位置布置相应传感器，只能对某个位置的信息进行监测，而对于道路交通，其路面任何一个位置均有可能有车辆驶过，因此与之同时产生的车重车速、尾气噪声以及周围环境温度等信息也呈现空间分布特点。因此，传统的监测手段难以获取准确的、全面的路面信息。通过水泥基涂料与微传感器构建道路智能传感涂层，将传统点监测方式变革为面监测，则有可能实现对道路信息的全面监测。
[0003] 然而，一方面，水泥基涂料一般水灰比大，硬化后涂层孔隙率高，电磁波在涂层内部传输时在不同孔壁间发生发射，导致电磁波快速衰减，从而使接收到的电磁波信号强度与灵敏度降低；另一方面，外界水分、离子等侵蚀性介质极易通过涂层孔隙、裂缝等传输通道进入涂层内部，不仅会造成涂层性能下降，还会腐蚀涂层内部传感器等电子元件，导致传感性能与耐久性能降低。
[0004] 因此，提供一种灵敏度高、吸水率低且耐久性能好的道路智能皮肤成为本领域亟待解决的技术问题。
具体实施方式
[0022] 本发明提供了一种道路智能皮肤，由包括以下重量份的原料制备得到：胶凝材料160～380份，微传感材料48～260份，表层强化剂56～136份，内孔调节剂0.38～7.6份，减水剂1.6～11.4份，以及水64～185份。
[0023] 按重量份数计，制备本发明所述道路智能皮肤的原料包括胶凝材料160～380份，优选为200～300份，更优选为250份。
[0024] 在本发明中，所述胶凝材料优选为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、白水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥、氯氧镁水泥和硫氧镁水泥中的一种或几种。
[0025] 在本发明中，所述胶凝材料的粒径优选为0.1～50μm，更优选为1～30μm，最优选为20μm。本发明通过控制胶凝材料的粒径可使胶凝材料与水更加充分反应，提高初始道路涂层密实度。
[0026] 本发明对所述胶凝材料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
[0027] 按胶凝材料的重量份数为160～380计，制备本发明所述道路智能皮肤的原料还包括微传感材料48～260份，优选为100～200份，更优选为150份。
[0028] 在本发明中，所述微传感材料优选为MEMS传感器。本发明采用MEMS传感器具有体积小、种类多、灵敏度高的特点，满足道路汽车尾气、噪声、道路压力、环境温度等多种信号监测。
[0029] 在本发明中，所述MEMS传感器优选包括MEMS氮氧化物、MEMS二氧化碳、MEMS压力、MEMS振动和MEMS温度等传感器中的一种或几种。
[0030] 在本发明中，所述MEMS传感器的最大边尺寸优选≤5mm；更优选≤2mm。本发明通过控制MEMS传感器的最大边尺寸来减少MEMS传感器与涂层材料的界面，从而降低电磁波信号损耗。
[0031] 在本发明中，所述MEMS传感器的内部优选集成感知芯片和射频芯片。本发明集成感知芯片可以感知到所监测参数的变化，并将信号通过射频芯片无线传输至移动终端。
[0032] 本发明对所述微传感材料的供电方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的供电方式即可。在本发明中，所述微传感材料的供电方式优选微电源供电、振动能转换为电能供电和太阳能转化为电能供电中的一种或几种。
[0033] 按胶凝材料的重量份数为160～380计，制备本发明所述道路智能皮肤的原料还包括表层强化剂56～136份，优选为70～100份，更优选为80份。在本发明中，所述表层强化剂优选为硅酸钙、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁和硅铝酸钙中的一种或几种。本发明通过添加表层强化剂可在道路智能涂层表面形成以碳酸钙、碳酸镁为主要成分的薄层，硬度大且密实度高，从而可以降低道路智能涂层吸水率，延长其使用寿命；同时碳酸钙、碳酸镁电学阻抗大，可以大大降低电磁波传输衰减，从而提高道路智能涂层信号灵敏度。
[0034] 在本发明中，所述表层强化剂的粒径优选为0.1～20μm，更优选为1～15μm，最优选为10μm。本发明通过控制表层强化剂的粒径可提高其与二氧化碳的反应程度，从而增大表层强化层密实度。
[0035] 按胶凝材料的重量份数为160～380计，制备本发明所述道路智能皮肤的原料还包括表层强化剂0.38～7.6份，优选为1～5份，更优选为3份。
[0036] 在本发明中，所述内孔调节剂优选为有机硅类、聚醚类、聚醚改性硅类、醇类和酰胺类中的一种或几种。本发明通过添加内孔调节剂可以促进涂层内部气泡合并、破碎，从而降低涂层内部封闭孔隙率，减少电磁波在涂层内部的反射，降低电磁波信号的损耗，增大道路智能涂层信号灵敏度。
[0037] 在本发明中，所述内孔调节剂的粒径优选为0.1～20μm，更优选为1～10μm，最优选为5μm。本发明通过控制内孔调节剂的粒径可提高内孔调节剂作用效率。
[0038] 按胶凝材料的重量份数为160～380计，制备本发明所述道路智能皮肤的原料还包括减水剂1.6～11.4份，优选为3～10份，更优选为7份。
[0039] 在本发明中，所述减水剂优选为萘系高效减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂中的一种或几种。本发明通过添加减水剂可以释放由胶凝材料粒子束缚的水，增大混合料流动性能。
[0040] 本发明中，所述减水剂的减水率优选≥20％。本发明通过控制减水剂的减水率来提高减水剂的减水效能，降低涂层制备所需的用水量。
[0041] 本发明通过表层强化剂可在道路智能涂层表面形成以碳酸钙、碳酸镁为主要成分的薄层，硬度大且密实度高，从而可以降低道路智能涂层吸水率，延长其使用寿命；同时碳酸钙、碳酸镁电学阻抗大，可以大大降低电磁波传输衰减，从而提高道路智能涂层信号灵敏度；内孔调节剂为表面活性剂，可以促进涂层内部气泡合并、破碎，从而降低涂层内部封闭孔隙率，减少电磁波在涂层内部的反射，降低电磁波信号的损耗，增大道路智能涂层信号灵敏度；减水剂为表面活性剂，可以释放由胶凝材料粒子束缚的水，增大混合料流动性能。
[0042] 本发明还提供了上述技术方案所述道路智能皮肤的制备方法，包括以下步骤：
[0043] (1)将减水剂、内孔调节剂、部分水和胶凝材料混合，得到混合料；
[0044] (2)将微传感材料铺设在道路基体表面，然后涂覆所述步骤(2)得到的混合料，得到初始道路涂层；
[0045] (3)将表层强化剂与剩余部分水混合后涂覆在所述步骤(3)得到的初始道路涂层表面，得到表层强化层；
[0046] (4)将所述步骤(3)得到的表层强化层置于二氧化碳气氛中进行养护，得到道路智能皮肤。
[0047] 本发明将减水剂、内孔调节剂、部分水和胶凝材料混合，得到混合料。
[0048] 在本发明中，所述减水剂、内孔调节剂、部分水和胶凝材料的混合优选包括：先将减水剂、内孔调节剂、部分水混合后进行搅拌得到液体混合物，然后再添加胶凝材料混匀得到混合料。本发明对所述混合的操作没有特殊的限定，将减水剂、内孔调节剂、部分水混合均匀即可。在本发明中，所述部分水的质量优选为原料中全部水的90％～95％，更优选为93％。在本发明中，通过先加入减水剂、内孔调节剂和90％～95％水混合，使减水剂、内孔调节剂原料充分溶解。
[0049] 得到混合料之后，本发明将微传感材料铺设在道路基体表面，然后涂覆所述混合料，得到初始道路涂层。
[0050] 在本发明中，所述微传感材料铺设优选为线性、圆形、方形、圆柱面和球面中的一种，更优选为方形。本发明通过限定微传感材料铺设方式使微传感材料均匀分布于道路基体表面并形成感知网络。
[0051] 在本发明中，所述微传感材料铺设时相邻微传感材料的间距优选为2～4cm，更优选为3cm。本发明通过限定相邻微传感材料间距来提高微传感材料监测精度与范围。
[0052] 在本发明中，所述涂覆的方式优选为喷涂、刷涂和滚涂中的一种。
[0053] 在本发明中，所述喷涂所用喷枪的喷涂口径优选为0.5～3mm，更优选为1～2mm；喷涂距离优选为15～30cm，更优选为20cm。本发明中，通过控制喷涂的喷枪口径和喷涂距离来提高涂层均匀性。
[0054] 在本发明中，所述初始道路涂层的厚度优选为2～5mm，更优选为3mm。本发明通过控制初始道路涂层的厚度一方面可较好地包裹住微传感材料，一方面降低微传感材料信号传输衰减。
[0055] 在本发明中，所述初始道路涂层的养护温度优选为18～20℃，更优选为20℃；相对湿度优选为85～95％，更优选为90％；养护的时间优选为25～30天，更优选为28天。本发明通过控制养护条件来提高胶凝材料与水反应程度，提高初始道路涂层的密实度。
[0056] 得到初始道路涂层后，本发明将表层强化剂与剩余部分水混合后涂覆在所述初始道路涂层表面，得到表层强化层。
[0057] 在本发明中，所述表层强化层的厚度优选为0.5～2mm，更优选为1mm。本发明通过控制表层强化层的厚度来提高表层强化层的密实度，降低道路智能涂层吸水率，延长其使用寿命。
[0058] 在本发明中，所述剩余部分水优选为整个实验过程所加水的5％～10％，更优选为7％。本发明通过控制水的添加量来提高表层强化剂与二氧化碳反应程度，提高表层强化层的密实度。
[0059] 得到表层强化层后，本发明将所述表层强化层置于二氧化碳气氛中进行养护，得到道路智能皮肤。
[0060] 在本发明中，所述二氧化碳气氛的浓度优选为20％以上，更优选为50％以上。本发明通过控制二氧化碳气氛的浓度来提高表层强化剂与二氧化碳反应程度，提高表层强化层的密实度。
[0061] 在本发明中，所述二氧化碳气氛中养护的时间为12～48小时，更优选为24小时。本发明通过控制养护的时间来提高表层强化剂与二氧化碳反应程度，提高表层强化层的密实度。
[0062] 本发明利用水泥基涂料使微传感材料均匀分布于道路基体表面并形成感知网络，通过涂层表层强化提升涂层表面硬度与密实度，降低涂层吸水率，通过涂层内层孔结构设计降低电磁波传输衰减，提高信号灵敏度，从而制备得到基于体表协同的、具有自感知能力的高性能道路智能皮肤。本发明研制的道路智能涂层以水泥基涂料为载体，相比于有机涂料，与道路基体具有更好的相容性与粘结性，同时能够保证优异的传感性能与耐久性能。
[0063] 本发明还提供了上述技术方案所述道路智能皮肤或者按照上述技术方案所述制备方法制备的道路智能皮肤在道路汽车尾气、噪声、道路压力、环境温度领域监测领域中的应用。
[0064] 本发明对所述应用的方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的监测方式即可。
[0065] 为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0066] 实施例1
[0067] 一种道路智能皮肤，按重量份数计，由以下原料制备得到：粒径为0.1～50μm的普通硅酸盐水泥360份，尺寸为2mm的MEMS压力传感器180份，硅酸二钙表层强化剂80份，0.1～20μm的聚醚改性硅类孔调节剂3.6份，减水率为30％的聚羧酸系高效减水剂8.2份，以及水
165份。
[0068] 上述道路智能皮肤的制备方法，由以下步骤组成：
[0069] (1)将8.2重量份减水率为30％的聚羧酸系高效减水剂、3.6重量份粒径为0.1～20μm的聚醚改性硅类孔调节剂、153.4重量份水(全部水的93％)混合形成混合液，然后与360重量份粒径为0.1～50μm的普通硅酸盐水泥混合，得到混合料；
[0070] (2)将尺寸为2mm的180重量份MEMS压力传感器按方形阵列铺设在道路基体表面，阵列内相邻MEMS振动传感器间距为3cm，然后喷涂混合料，喷涂口径为2mm，喷涂距离为25cm，厚度为4mm；置于温度为20℃，相对湿度为90％的环境中养护28天，得到初始道路涂层；
[0071] (3)将80份硅酸二钙表层强化剂与剩余部分水(全部水的7％)混合后涂覆在初始道路涂层表面，得到厚度为1mm的表层强化层；
[0072] (4)将得到的表层强化层置于温度为20℃，二氧化碳浓度为99.9％的密闭容器中进行养护24小时，得到道路智能皮肤。
[0073] 将本实施例制备的道路智能皮肤在水中浸泡24小时，测量质量增重，计算得到道路智能皮肤吸水率；通过手机蓝牙与道路智能皮肤建立连接，对道路智能皮肤灵敏度进行检测，结果如表1所示。
[0074] 实施例2:
[0075] 与实施例1的区别仅在于，微传感材料为120份MEMS压力传感器，其他同实施例1。
[0076] 将本实施例制备的道路智能皮肤在水中浸泡24小时，测量质量增重，计算得到道路智能皮肤吸水率；通过手机蓝牙与道路智能皮肤建立连接，对道路智能皮肤灵敏度进行检测，结果如表1所示。
[0077] 实施例3
[0078] 与实施例1的区别仅在于，微传感器材料为240份MEMS压力传感器，其他同实施例1。
[0079] 将本实施例制备的道路智能皮肤在水中浸泡24小时，测量质量增重，计算得到道路智能皮肤吸水率；通过手机蓝牙与道路智能皮肤建立连接，对道路智能皮肤灵敏度进行检测，结果如表1所示。
[0080] 实施例4:
[0081] 与实施例1的区别仅在于，表层强化剂为120份硅酸二钙，其他同实施例1。
[0082] 将本实施例制备的道路智能皮肤在水中浸泡24小时，测量质量增重，计算得到道路智能皮肤吸水率；通过手机蓝牙与道路智能皮肤建立连接，对道路智能皮肤灵敏度进行检测，结果如表1所示。
[0083] 实施例5：
[0084] 与实施例1的区别仅在于，表层强化剂为160份硅酸二钙，其他同实施例1。
[0085] 将本实施例制备的道路智能皮肤在水中浸泡24小时，测量质量增重，计算得到道路智能皮肤吸水率；通过手机蓝牙与道路智能皮肤建立连接，对道路智能皮肤灵敏度进行检测，结果如表1所示。
[0086] 实施例6
[0087] 与实施例1的区别仅在于，聚醚改性硅类内孔调节剂为5.2份，其他同实施例1。
[0088] 将本实施例制备的道路智能皮肤在水中浸泡24小时，测量质量增重，计算得到道路智能皮肤吸水率；通过手机蓝牙与道路智能皮肤建立连接，对道路智能皮肤灵敏度进行检测，结果如表1所示。
[0089] 实施例7
[0090] 与实施例1的区别仅在于，聚醚改性硅类内孔调节剂为6.8份，其他同实施例1。
[0091] 将各实施例制备的道路智能皮肤在水中浸泡24小时，测量质量增重，计算得到道路智能皮肤吸水率；通过手机蓝牙与道路智能皮肤建立连接，对道路智能皮肤灵敏度进行检测，结果如表1所示。
[0092] 表1实施例1～7制备的道路智能皮肤吸水率与信号灵敏度
[0093] 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7吸水率(％) 12.6 13.2 13.8 9.2 6.3 11.5 9.8灵敏度(dBm) 16 20 9 14 13 13 11
[0094] 由表1实施例1～3可知，增大微传感材料使用量，可使道路智能皮肤的信号灵敏度显著提高，但同时也增大了道路智能皮肤吸水率，增大微传感材料失效风险，降低道路智能皮肤耐久性。
[0095] 相比于实施例1，实施例4、5使用表层强化剂对道路智能皮肤进行表层强化，随着表层强化剂掺量增加，道路智能皮肤吸水率显著降低，这是由于表层强化剂在道路智能皮肤表面形成了以碳酸钙为主要成分的高硬密实薄层，同时碳酸钙阻抗大，因此产生的碳酸钙薄层也可降低电磁波传输损耗，提高道路智能皮肤信号灵敏度。
[0096] 实施例1和实施例6、7均添加了内孔调节剂，且随着内孔调节剂掺量增加，道路智能皮肤内部孔隙率降低，从而使其吸水率降低，同时降低的孔隙率也可减少电磁波在涂层内部孔壁的反射，从而降低电磁波传输损耗，提高了道路智能皮肤灵敏度。
[0097] 综上，本发明通过微传感材料、表层强化剂、内孔调节剂的使用与用量调节，可构建基于体表协同的、兼具传感性能与耐久性能的高性能道路智能皮肤。
[0098] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
