一种传感型土工格栅材料及其结构技术领域
本发明涉及土木工程领域，特别涉及一种传感型土工格栅材料及其结构。
背景技术
土工格栅产生以来，已经在道路、水利、建筑等工程中得到了广泛的利用，并取得了
巨大的社会经济效益。土工格栅作为一种常用的土工加筋材料，是用聚丙烯、聚氯乙烯等
高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅，多用
于加筋土路基工程、地基处理和填方护坡工程。随着社会对道路、建筑等工程质量要求的
不断提高，工程对土工格栅性能及功能的要求也越来越高。然而目前，土工格栅产品通常
只具有单一的加筋效果，并且由于其自身的材料强度和设计的问题，导致土工格栅在实际
工程中的抗拉伸强度较低、摩阻力较差，实际起到的加筋效果有限；同时，现有的土工格
栅加固方法无法方便的对自身及其加固体的变形信息进行检测，如若进行检测则需要其他
设备与技术的支持，增加监测的难度及成本。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种传感型土工格栅材料及其结构。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种传感型土工格栅材料，包括聚合物基体，所述聚合物基体中添加碳纳米管和超导
炭黑作为导电填料。
本发明提出了一种添加碳纳米管、超导炭黑的传感型土工格栅材料。作为导电高分子
材料的填料，碳纳米管是一种碳的新型结构物质，具有异常优良的力学、电学和化学性能，
并随着碳纳米管研究的深入，其应用前景不断地展现出来；超导炭黑具有低电阻或高电阻
性能，能赋予制品导电作用，其特点为粒径小，比表面积大且粗糙等。添加了碳纳米管和
超导炭黑的土工格栅，可以利用导电高分子复合材料的拉敏效应，通过检测格栅自身的电
阻变化即可方便的获取格栅及加固体的变形信息，无需外部传感器及其他设备的植入，从
而避免了对加固体的扰动和传感器本身耐久性不足现象的发生，适用于全寿命周期内土工
结构的变形监测及安全预警。
所述聚合物基体为高密度聚乙烯基体，所述碳纳米管占原料总质量的3％-7％，所述超导
炭黑占原料总质量的6％-14％。
选用高密度聚乙烯为聚合物基体，能够得到高强度高导电性的复合材料。碳纳米管和
超导炭黑作为填料掺加到高密度聚乙烯基体中对基体性能的影响不同，碳纳米管作为填料
时能同时提高聚合物的力学和导电性能，但经济成本高，而添加超导炭黑在获得复合体的
导电性能时却降低了力学性能。碳纳米管与超导炭黑在这种比例下，经济成本较低，而且
可以获得复合体良好的导电性和力学性能。
所述碳纳米管与所述超导炭黑的质量比为1:2。
碳纳米管和超导炭黑采用上述配比，可以获得高强度高摩阻的土工格栅材料。
所述导电填料中添加纳米活性碳酸钙，所述纳米活性碳酸钙占原料总质量的10％-30％。
单独向基体聚合物中添加碳纳米管或超导炭黑时，通常需要添加较多的碳纳米管或超
导炭黑才能获得理想的导电性，导致添加较多的碳纳米管时复合材料的制造成本很高，经
济可行性较低；添加较大含量的炭黑时复合材料的综合强度较低，力学性能较差。因此，
本发明同时使用了碳纳米管和超导炭黑作为导电填料，以碳纳米管导电为主，超导炭黑为
辅，同时向基体中添加适量的无机粒子纳米碳酸钙。纳米碳酸钙在复合材料中首先通过体
积排除效应，促进碳纳米管之间更加容易的相互搭接，从而提高了复合材料的导电性能，
同时还能通过无机固体颗粒与基体界面脱粘从而引发颗粒周围基体发生剧烈塑性形变耗散
能量来达到增强增韧目的。
所述纳米活性碳酸钙中添加钛酸酯偶联剂，所述钛酸酯偶联剂为所述纳米活性碳酸钙
质量的2％-5％。
为了使纳米碳酸钙在基体中均匀分散，避免发生团聚现象影响复合体的性能，本发明
选用硬脂酸处理的纳米活性碳酸钙，同时为了提高纳米碳酸钙与聚合物基体之间的分散性
和粘结力，使用钛酸酯偶联剂对纳米碳酸钙进行表面改性，改善其与基体的相容性。
一种传感型土工格栅结构，包括由添加了导电填料的聚合物构成的主肋和辅肋，所述
主肋和辅肋在结点处连接，所述主肋的直径大于所述辅肋的直径；根据所述聚合物电阻与
变形之间的关系，通过测量所述聚合物的电阻值，获取土工格栅结构的变形值。
本发明利用了导电高分子复合材料的拉敏效应，通过检测格栅自身的电阻变化即可方
便的获取格栅及加固体的变形信息，无需外部传感器及其他设备的植入，从而避免了对加
固体的扰动和传感器本身耐久性不足现象的发生，适用于全寿命周期内土工结构的变形监
测及安全预警。
所述主肋沿纵向平行布置，所述主肋上设有连续的凸起，所述凸起沿所述主肋的表面
折线型布置。
所述结点上设有凸起，所述凸起沿所述结点的对角线线型布置。
设置凸起可以增大格栅与加固体之间的接触面积，以增大摩擦力，防止格栅在外力施
加的作用下由于摩擦不足而与加固体发生相对滑动的现象。
所述凸起的高度为2-4mm。
所述辅肋沿斜向与所述主肋交叉连接。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种添加碳纳米管、超导炭黑、纳米碳酸钙的高强度、高摩阻的传感型
土工格栅的制作方法，该类型土工格栅既克服了传统土工格栅自身强度不够的问题，又利
用了导电高分子复合材料的拉敏效应，通过检测格栅自身的电阻变化即可方便的获取格栅
及加固体的变形信息，无需外部传感器及其他设备的植入，从而避免了对加固体的扰动和
传感器本身耐久性不足现象的发生，适用于全寿命周期内土工结构的变形监测及安全预警。
针对现有土工格栅与加固体的摩阻力不足，格栅在加固体中滑动现象的发生，本发明重新
对格栅的外形特征进行了改进，增大了格栅与加固体之间的接触摩擦。本发明使用了大量
价格低廉的无机非金属材料，提高格栅性能的同时降低了生产成本，经济可行性高，有着
极其广阔的应用前景。
附图说明
图1是聚合物渗滤现象示意图；
图2是格栅网型图；
图3是主肋与结点示意图；
图4是归一化电阻率随应变的变化关系拟合曲线；
图中：1、主肋；2、辅肋；3、结点；4、主肋凸起；5、结点凸起。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
原理：
(1)填充复合型导电高分子材料是应用最广泛的导电复合材料，它是在基体聚合物中加
入碳纳米管、超导炭黑、碳纤维、石墨等导电填料复合而成。作为导电高分子材料的填料，
碳纳米管是一种碳的新型结构物质，具有异常优良的力学、电学和化学性能，并随着碳纳
米管研究的深入，其应用前景不断地展现出来；超导炭黑具有低电阻或高电阻性能，能赋
予制品导电作用，其特点为粒径小，比表面积大且粗糙等。然而，单独向基体聚合物中添
加碳纳米管或超导炭黑时，通常需要添加较多的碳纳米管或超导炭黑才能获得理想的导电
性，导致添加较多的碳纳米管时复合材料的制造成本很高，经济可行性较低；添加较大含
量的炭黑时复合材料的综合强度较低，力学性能较差。因此，本发明同时使用了碳纳米管
和超导炭黑作为导电填料，以碳纳米管导电为主，超导炭黑为辅，同时向基体中添加适量
的无机粒子纳米碳酸钙。纳米碳酸钙在复合材料中首先通过体积排除效应，促进碳纳米管
之间更加容易的相互搭接，从而提高了复合材料的导电性能，同时还能通过无机固体颗粒
与基体界面脱粘从而引发颗粒周围基体发生剧烈塑性形变耗散能量来达到增强增韧目的。
(2)导电高分子复合材料具有典型的渗滤现象，表现为导电高分子复合材料随着填料含
量的增加而电阻率急剧下降的过程，如图1所示。导电高分子复合材料随着填料的含量增
加而电阻率急剧下降的区域，被称为渗滤区域。同时，导电高分子复合材料通常具有机敏
性，表现为拉敏效应或压敏效应。其中，拉敏效应是指导电高分子复合材料在外部拉力作
用下电阻由低阻值到高阻值的转变过程，表现为复合材料电阻率的增大。实际应用中选用
电阻率变化最明显时的导电聚合物填料含量，即特定的最佳填料含量，利用导电高分子复
合材料在拉力作用下电阻率的变化关系确定其形变大小，并以此规律制备传感型土工格栅。
实施步骤：
(1)格栅中填料及其最优含量的确定；
碳纳米管和超导炭黑作为填料掺加到高密度聚乙烯基体中对基体性能的影响不同，碳
纳米管作为填料时能同时提高聚合物的力学和导电性能，但经济成本高，而添加超导炭黑
在获得复合体的导电性能时却降低了力学性能。探究如何在较低的经济成本下得到复合体
良好的导电性和力学性能成为重要的课题。因此，本发明同时使用碳纳米管和超导炭黑作
为导电填料，以碳纳米管导电通路为主，超导炭黑为辅，同时，为了减少碳纳米管及超导
炭黑的含量降低复合体的生产成本，而又不影响复合体的导电和力学性能，本发明同时向
聚合物基体中添加了无机增韧改性填料纳米碳酸钙。纳米碳酸钙作为无机增韧填料均匀的
分散在基体中，既能通过体积排除效应增大碳纳米管之间相互搭接的可能性，增强聚合物
的导电性，又能通过无机固体颗粒与基体界面脱粘效应达到对复合体增强增韧目的。为了
使纳米碳酸钙在基体中均匀分散，避免发生团聚现象影响复合体的性能，本发明选用硬脂
酸处理的纳米活性碳酸钙，同时为了提高纳米碳酸钙与聚合物基体之间的分散性和粘结力
使用钛酸酯偶联剂对纳米碳酸钙进行表面改性，改善其与基体的相容性。
为了得到高强度高导电性复合材料，本发明选用高密度聚乙烯为聚合物基体，碳纳米
管和超导炭黑为导电填料，同时添加硬脂酸处理的纳米活性碳酸钙和钛酸酯偶联。导电填
料中碳纳米管和超导炭黑按照1：2的比例添加，碳纳米管所占质量分数为3％～7％，相应
的超导炭黑的质量分数为6％～14％；纳米活性碳酸钙的所占质量分数为10％～30％；钛酸酯
偶联剂的含量为纳米活性碳酸钙2％～5％，高密度聚乙烯的质量分数为49％～81％。
(2)聚合物变形与电阻关系的确定：
通过室内拉伸试验，得到聚合物电阻与变形之间的关系曲线，得到二者间的函数关系：
Ω/Ω0＝F(ε)，其中Ω0为聚合物初始电阻，Ω为聚合物拉伸试验时测量电阻，Ω/Ω0叫做归一
化电阻率，ε为应变值。
(3)格栅外形的确定：
现有的格栅通常由于自身摩阻力不够导致工程中出现格栅在加固体中滑动现象的发
生，影响格栅的使用效果，为了解决上述问题，同时能够更加准确的确定格栅变形与电阻
之间的函数关系，本发明对格栅进行了如图2、3所示的设计。如图2所示，格栅分为主肋
1、辅肋2和结点3构成，主肋1较粗，为主要的导电通路及提供主要的纵向拉伸力，辅肋
较细，用以辅助主肋和提供横向拉伸力。图3为主肋和结点示意图，主肋上设有折线布置
的主肋凸起4，结点上沿对角线布置有结点凸起5，凸起的高度为3mm左右，形状如图所
示，其作用是增大格栅与加固体之间的接触面积，以增大摩擦力，防止格栅在外力施加的
作用下由于摩擦不足而与加固体发生相对滑动的现象。
实例1：高强度高导电性土工格格栅的制备
土工格栅可用于高速公路、机场、停车场等的路基路面增强，其交通流量及荷载都很
大，因此对格栅的强度及韧性提出了更高的要求。为了制备高强度高韧性的格栅，取70g
碳纳米管，140g超导炭黑，200g纳米活性碳酸钙及10g钛酸酯偶联剂，高密度聚乙烯的质
量为580g。碳纳米管、超导炭黑以及纳米活性碳酸钙分别在80～100℃下烘箱内烘一小时去
湿；随后钛酸酯偶联剂与纳米活性碳酸钙均匀混合；将聚乙烯、碳纳米管、超导炭黑以及
混合好的偶联剂与纳米活性碳酸钙再次均匀混合并通过双螺杆挤出机在160～210℃温度下
熔融造粒，最后在注塑机上熔融造力学试件。经过对力学试件拉伸试验的测试，得到其抗
拉强度达到25.68MPa。
实例2：高强度、高摩阻的传感格栅在工程中的应用
土工格栅在道路及建筑工程中可以加固土体、防止不均匀沉降的发生，为制备传感型
土工格栅，选用碳纳米管及炭黑的含量分别为6％和12％，纳米活性碳酸钙含量取20％，偶
联剂为纳米活性碳酸钙含量的5％，高密度聚乙烯基体含量为61％，格栅的制作步骤如实例
1相同。经室内试验测定，其抗拉强度达到22.51MPa，其归一化电阻率与应变关系式为：
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其中：Ω0和Ω分别表示格栅初始电阻和拉伸变形时的电阻，ε为格
栅应变。归一化电阻率随应变的变化关系拟合曲线如图4所示。实际工程中，通过测试格
栅在受力状态下电阻的变化，即可对其变形情况进行及时的较为准确的判定，降低了检测
的成本的，保证了工程的安全可靠性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施
例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以
在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为
现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要
符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。