压电传感器在高速公路中对混凝土数据监测的应用

　　5月21日消息，普渡大学实验室的研究人员正在使用人工智能来改进公路和桥梁中使用的混凝土，以降低成本并节省人们的费用。

　　其中一项技术包括安装传感器，帮助工程师知道新混凝土何时准备好承受沉重的交通荷载，有了这些信息，它们可以防止微小的应力裂缝。因为如果道路过早开放，这些裂缝会导致昂贵的维修费用，更换混凝土的修缮工程减少，反过来又减少了道路工程阻碍的交通。

混凝土传感器

　　普渡大学莱尔斯土木工程学院（Purdue's Lyles School of Civil Engineering）副教授卢娜（Luna Lu）和一个研究实验室团队已经将他们开发的传感器嵌入到印第安纳波利斯附近的三个印第安纳州际公路中。来自传感器的数据有助于团队了解修补或新路面项目后开放交通的最佳时间，它们还可以持续跟踪混凝土的发展。

　　卢娜与印第安纳州交通部合作，将传感器嵌入印第安纳波利斯附近的高速公路中，她的团队目前正与联邦公路管理局合作，在其他州（包括加利福尼亚州、德克萨斯州、堪萨斯州和密苏里州）使用混凝土传感器。

　　普渡实验室用于该项目的传感器是压电式传感器，它可以在机械应力作用下产生电荷，在这种情况下，传感器在混凝土内部每11英寸连接到钢筋上。根据命令，每个传感器振动混凝土以检测刚度，振动波的机械能转换回电能，在混凝土浇注后一小时内首先测量该电荷，结果可以解释为混凝土在一定时间内干燥时的强度。

　　依赖电气测量的一个好处是，与传统的机械测量相比，其精度要求施工人员在现场浇筑一根重型混凝土梁，并将梁转移到场外进行分析。另一种传统的方法依赖于温度测试，但由于混凝土混合料的种类繁多，可能会有成千上万种不同的温度-强度相关曲线，这些曲线会受到室外温度的影响。

　　卢娜说，道路建设项目往往仓促完成，混凝土通车太早，支撑不住，过早打开会导致过早故障，从而导致频繁维修。收集更多关于混凝土养护的数据可以帮助公路部门更有效地进行规划。正在安装的传感器受到防腐保护，可用于多年的数据收集，能够在较长时间内跟踪混凝土强度，将有助于工程师了解他们是否设计过高或过低的道路，并更好地确定何时更换混凝土。

　　印第安纳州运输部研发部研究经理汤米·南通（Tommy Nantung）表示，这些传感器将帮助承包商“准确地知道混凝土何时成熟，足以容纳重型卡车荷载以及卷曲和翘曲应力。”

　　卢娜的实验室也在开发在冬季冻融循环中经常开裂的自愈混凝土。当温度降到冰点以下时，表面上的水滴会结冰，当发生解冻时，它们会在表面下膨胀，久而久之会导致裂缝和裂缝。实验室正在研究不同类型的多孔类砂材料作为内部养护剂，并将其掺入混凝土中。当混凝土开裂时，养护剂吸收水分并开始发生化学反应，产生封闭裂缝的物质。愈合过程防止更多的水渗入混凝土中，腐蚀钢筋或钢筋。

　　实验室的第三个研究领域是智能基础设施，它依靠人工智能和大数据来识别未充分利用的车道，并将交通分流到这些车道，以减少增加额外车道的需要。

　　智能交通基础设施的理论已经存在了几十年，可以追溯到芝加哥和其他城市安装反向车道的时候。在一个例子中，芝加哥的湖岸大道（Lake Shore Drive）这样一条双向四车道的分车道公路，在交通繁忙的时候，几乎所有的车辆都朝同一方向行驶，就可以在同一个方向转换为六车道或全部八车道。

　　这种技术的诀窍在于精确地确定何时在一段高速公路上倒车，以及倒车的车道数。此外，它还需要一个车道控制、大门和标牌的自动化机制，也可以与车辆进行无线通信。

　　卢娜说：“交通总是有方向性的。传统的想法是增加额外的车道，但人工智能和大数据可以识别出一条未充分利用的车道，并将交通转向那个方向。我们正在开发的技术可以在不增加额外车道的情况下更好地控制交通。大数据还可以帮助找到使基础设施更安全和更具弹性的最佳方法。我们可以开发算法，找出未来基础设施中的漏洞，”

　　去年，普渡大学创建了智能基础设施中心，该中心将召集研究人员，研究基础设施与人类直接沟通的方式，探讨桥梁故障和可能倒塌等危险因素。卢正在帮助建立一个中西部智能基础设施联盟与几个国家交通部门合作。

　　桥梁倒塌是许多交通部门关注的主要问题。像ST Micro这样的传感器供应商已经看到MEMS传感器的价格下降，这使得用传感器监测更多的桥梁成为可能，有些传感器是无线连接到交通数据中心的。密歇根州的麦基诺大桥在2016年首次安装了原型传感器，用于监测交通振动并充当预警技术。

　　自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来，传感器专家网一直密切关注疫情进展，根据国家及地方政府的最新调控与安排，为更好的服务相关企业，在疫情期间，传感器专家网免费发布企业相关文章，免费成为传感器专家网认证作者，请点击认证，大家同心协力，抗击疫情，为早日打赢这场防控攻坚战贡献自己的一份力量。