基于柔性導電涂料的城市隧道裂縫監(jiān)測技術*

王 超，趙啟林，鄧安仲

(1.江蘇省城市軌道交通研究設計院，江蘇南京 210008;2.中國人民解放軍理工大學，江蘇南京 210008;3.中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 401311)

基于柔性導電涂料的城市隧道裂縫監(jiān)測技術*

王 超1，趙啟林2，鄧安仲3

(1.江蘇省城市軌道交通研究設計院，江蘇南京 210008;2.中國人民解放軍理工大學，江蘇南京 210008;3.中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 401311)

柔性導電涂料固化成導電膜，制備的傳感系統(tǒng)附著在混凝土表面或內(nèi)嵌到混凝土內(nèi)部，使其與混凝土協(xié)調(diào)變形，通過儀器檢測其電阻變化，實時地感知裂縫出現(xiàn)以及是否擴展.針對城市隧道的裂縫出現(xiàn)機理，研制成本低且對裂縫敏感的導電涂料，實現(xiàn)對隧道裂縫早期大范圍監(jiān)測，并通過工程試點驗證，保證城市隧道的優(yōu)質(zhì)、安全、高效、長久的正常運營，具有應用價值和應用前景.

隧道裂縫;柔性;導電涂料;在線監(jiān)測

城市隧道工程大多采用鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)，而裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中最為普遍的病害現(xiàn)象，嚴重地影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與安全性.混凝土工程結(jié)構(gòu)的破壞，其誘因可能有多種，但演化過程都是混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫→嚴重開裂→破壞，也就是說裂縫是表現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性的最為主要的指標.及時發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫的出現(xiàn)位置、時機與發(fā)展趨勢是保障工程安全，從而避免出現(xiàn)重大事故，具有重要的工程價值［1］.

現(xiàn)有的隧道裂縫監(jiān)測技術包括振弦式傳感器、電阻應變傳感器及分布式光纖傳感器，由于存在檢測成本高、可靠性差及施工難度高的缺點，在城市隧道裂縫監(jiān)測中并未廣泛應用.柔性導電涂料具有低成本、高耐久性、安裝簡單及靈敏度高等優(yōu)點，適宜在城市隧道裂縫監(jiān)測中大規(guī)模推廣.該技術已經(jīng)在南京地鐵試點工程中得到驗證，為保證南京地鐵的優(yōu)質(zhì)、安全、高效、長久地正常運營，具有重要的應用價值和廣泛的應用前景.

1 柔性導電涂料傳感器

1.1導電原理及其特點

柔性導電涂料涂裝固化后形成柔性導電膜，其內(nèi)導電粒子相互接觸而導電，導電膜一旦受到拉伸變形，部分導電粒子脫離接觸，顆粒間距一旦大于某閾值，就會形成不導電的狀態(tài)，導電膜整體電阻會顯著增大，其對變形的靈敏度遠遠超過應變片等傳統(tǒng)電阻式傳感器.將柔性導電涂料固化成導電膜，制備成傳感系統(tǒng)附著在混凝土表面或內(nèi)嵌到混凝土內(nèi)部，使其與混凝土協(xié)調(diào)變形，通過實時測量該傳感系統(tǒng)的電阻變化來識別混凝土應變與裂縫信息.當產(chǎn)生裂縫時導電膜電阻明顯增加，電阻變化曲線發(fā)生“突變”，通過儀器檢測其電阻變化可以實時感知裂縫出現(xiàn)以及是否擴展，導電涂料試樣見圖1.

1.2導電膜材料

導電膜的導電性主要是由導電粒子聯(lián)結(jié)成鏈的3維空間導電網(wǎng)絡、導電粒子間距及穿越聚合物薄層形成導電信道共同決定的.3維空間導電網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)是決定導電涂料導電性大小的主要因素，因此，導電粒子的空間結(jié)構(gòu)對導電涂料的導電性有著至關重要的作用.

圖1 導電涂料試樣

圖2 炭黑品種與體積電阻率關系

石墨具有彎曲片層的結(jié)構(gòu)，不利于導電粒子在空間的接觸幾率和接觸面積，所以石墨體提供給涂料的導電性較低，但是其加工性能和保持原聚合物性能情況良好.因此一般不把石墨單獨作為導電填料使用，必須把炭黑作為導電填料混合使用才能充分發(fā)揮導電性和良好的工作性能［2］.對填料粒徑的導電性進行細化研究分析可知:石墨粒徑在大約500～1 000目左右時，導電涂料成膜后的導電率較高;當石墨粒徑小于500目時，涂料的導電率降低，主要原因是石墨粒徑太小，在溶劑中易發(fā)生凝聚，不易分散均勻，而且易被基體樹脂包裹，不利于導電;當石墨粒徑大于1 000目時，石墨粒徑變大，在樹脂中導電粒子相互接觸點單位密度減少，難于在涂層中形成導電網(wǎng)絡，涂層電阻明顯上升.因此石墨粒徑太大或太小時，涂料的綜合性能都達不到最佳的效果.通過對原材料進行篩分，選擇石墨粒徑為600～800目.［3］

炭黑采用N472-1和N485混合體系.其中N472-1是由非常細小的炭黑粒子聚集而成，呈支鏈狀的具有很高結(jié)構(gòu)性的物質(zhì)，導電性最好，如圖3所示.但是由于其高結(jié)構(gòu)性和高比表面積，在高分子聚合物中難以充分分散，不能充分發(fā)揮良好的導電性;N48形貌為葡萄狀，粒徑比N472-1大，導電性不如N472-1，但是N485表面能相對較低，在高分子聚合物中易分散，如圖4所示.在N472-1導電顆粒之間可以形成有效填充，在改善加工性的同時增強導電性.經(jīng)過試驗分析，確定炭黑填料中，N472-1與N485采用優(yōu)化后的80∶20質(zhì)量配比.

圖3 N472-1炭黑形貌

圖4 N485炭黑形貌

根據(jù)已有研究成果［4］，導電填料占導電涂料質(zhì)量百分比為30%的條件下，研究不同混合比的填料對導電性的影響，并考慮涂裝制備導電膜的可操作性綜合而定.涂料導電率測試如圖5所示.涂層電阻率為

其中:ρ為體積電阻率，單位Ω·cm;R為涂層電阻，單位Ω;L，b，h分別為涂層長、寬、高，單位cm.

測試中采取將涂料刷涂于環(huán)氧電路板(平行電極尺寸大小為15 cm×8 cm)上進行，最后得到涂層體積電阻率隨混合炭黑/石墨含量百分比的變化曲線(見圖6).

圖5 涂料導電率測試示意

圖6 涂層體積電阻率隨炭黑含量變化曲線

從實驗結(jié)果可以看出，在保持導電填料在導電膜材料體系中的質(zhì)量百分比一定的情況下，混合填料體系的表面電阻率比用單一石墨或炭黑填料的體系有明顯的降低.其原因在于混合炭黑和石墨在導電涂料制備過程中能夠相互填充和更好地分散，形成更有效的導電網(wǎng)絡通路.實驗發(fā)現(xiàn)，盡管炭黑與石墨的質(zhì)量百分比在42%處導電性最佳，但是炭黑填料潤濕分散對溶劑需求量增大，分散困難，因此，確定炭黑與石墨的質(zhì)量比為33%，此時涂料的粘度較低，具有較好的加工性能.

由實驗數(shù)據(jù)分析可知:恒應力時用指數(shù)型弛豫方程可很好地描述其阻值的弛豫過程，其電阻R(t)隨時間t的變化關系為

其中:R0為加載時刻(t=0)的阻值;R∞為弛豫時間等于無限長時的阻值，即在此應力下電阻的平衡值; τ為弛豫時間常數(shù)，表征了導電涂膜受載后弛豫的快慢程度，其大小取決于涂膜的結(jié)構(gòu)、導電粒子的分布狀態(tài)和加載的大小，在工程實踐中難以進行準確分析.因此，在理論分析基礎上，通過一定數(shù)量且具有統(tǒng)計規(guī)律的實驗進行歸擬分析(見圖7—11，其中實線表示實測曲線，虛線表示擬合曲線)，得到不同寬度裂縫狀態(tài)下導電膜傳感器電阻-時間變化見表1，從而實現(xiàn)裂縫寬度的量化分析.

圖7 裂縫變化瞬時(20 s內(nèi))導電膜電阻-裂縫寬度的關系曲線

圖8 裂縫變化1 min時導電膜電阻-裂縫寬度的關系曲線

圖9 裂縫變化2 min時導電膜電阻-裂縫寬度的關系曲線

圖10 裂縫變化3 min時導電膜電阻-裂縫寬度的關系曲線

圖11 裂縫變化4 min時導電膜電阻-裂縫寬度的關系曲線

表1 導電膜傳感器電阻與-時間變化規(guī)律

在工程監(jiān)測時，當巡檢儀檢測到導電膜電阻發(fā)生“躍升”時(大于5 Ω)，分別計算“躍升”時第1次(0 min)、第2次(1 min)、第3次(2 min)、第4次(3 min)和第5次(4 min)電阻變化對應的裂縫寬度，而后計算5次裂縫寬度的算術平均值作為裂縫監(jiān)測值.如果監(jiān)測中電阻只在第1次(0 min)發(fā)生“躍升”，而后恢復到“躍升”前電阻值或小于原電阻值，那么可以判定為干擾信號.

2 數(shù)據(jù)采集及傳輸

在線式混凝土裂縫分布式檢測儀的工作原理如圖12所示.

圖12 在線式混凝土裂縫檢測儀的工作原理

數(shù)據(jù)采集儀主要由恒流恒壓電路、晶體振蕩電路、電路切換、高精度AD轉(zhuǎn)換、單片機、復位電路、穩(wěn)壓電路、EEPROM存儲、RS485通信、在線模塊等部分組成.

圖13 導電膜傳感器系統(tǒng)組成

監(jiān)控系統(tǒng)包括前端傳感元件、數(shù)據(jù)采集設備、無線通信模塊、供應商服務器以及用戶數(shù)據(jù)存儲處理5部分，其中前端傳感元件包括導電膜、溫度計、濕度計以及風速儀等，用于感知結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂縫、裂縫是否擴展、隧道內(nèi)溫度與濕度等;遠程無線通信設備采用商業(yè)通用模塊集成到采集儀上，無線通信網(wǎng)絡供應商服務器為數(shù)據(jù)臨時存儲設備，用戶根據(jù)與供應商的相關協(xié)議，通過有線或無線的方式從服務器中讀取數(shù)據(jù);用戶終端計算機是整個監(jiān)控系統(tǒng)面向用戶的界面，不僅存儲監(jiān)控數(shù)據(jù)，而且根據(jù)自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行處理、識別與圖形化顯示和裂縫寬度、環(huán)境溫度、濕度以及風速等的計算，從而判斷數(shù)據(jù)是否異常，對于異常數(shù)據(jù)及時進行報警，并提醒用戶進行后續(xù)處理［5］.

3 實例工程

該工程位于南京地鐵2號線雨潤大街站至元通站上行K3+600處附近，隧道埋深19 m，隧道結(jié)構(gòu)為圓形管片拼裝形結(jié)構(gòu)(見圖14).隧道管壁的主要病害是縱向裂縫，分布在隧道的上部管片(見圖15).

圖14 拼裝式管片結(jié)構(gòu)

圖15 拱頂?shù)目v向裂縫

為了確保工程的成功，整個監(jiān)測系統(tǒng)分2個階段實施:第1階段位于K3+000至K3+020處，共設置了10導電涂料條，主要用于測試監(jiān)測元件設置的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力以及監(jiān)控系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的長期可靠性;第2階段的8條導電涂料和溫度、濕度、風速傳感器設置在K3+600至K3+612處，主要用于驗證傳感元件能否對裂縫進行監(jiān)測，識別出裂縫的發(fā)展趨勢，分析環(huán)境因素對裂縫監(jiān)測的影響規(guī)律.

圖16 拱頂?shù)膶щ娔y點

圖17 拱肩的導電膜測點

通過系統(tǒng)現(xiàn)場試驗，在監(jiān)測期間導電膜電阻值穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)報警情況，現(xiàn)場接觸檢測裂縫沒有擴展，也沒有發(fā)現(xiàn)新裂縫出現(xiàn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)很好地反映了實際情況.信號無線傳輸會出現(xiàn)短暫或一段時間的數(shù)據(jù)缺損，主要原因可能是環(huán)境屏蔽干擾導致.

4 結(jié)語

研制了低成本且對裂縫敏感的導電涂料，實現(xiàn)了隧道裂縫早期大范圍監(jiān)測.實例工程證實:通過基底平整性和封閉性處理，利用專制輥輪進行輥涂確保了導電膜傳感器初始電阻值的一致性;采用膠-螺混合固定法確保導電膜的長期耐久性.

為進一步完善該系統(tǒng)，下一步擬研究將變形、沉降等監(jiān)測元件接入到該系統(tǒng)，從而解決信息無線傳輸過程中數(shù)據(jù)間斷性缺失等問題.

［1］ 楊建龍.南京地鐵隧道裂縫整治措施探討［J］.現(xiàn)代交通技術，2009(4):75-77.

［2］ 陳 偉，張會堂.炭黑-石墨導電涂料導電性能之影響因素的試驗研究［J］.炭素技術，2003(2):25-27.

［3］ 楊 超，王云善，郭金山，等.環(huán)境友好型氟碳導電涂料的研究［J］.涂料工業(yè)，2007(S1):1-4.

［4］ 趙啟林，鄧安仲.基于導電膜電阻拉敏效應的混凝土裂縫分布式監(jiān)測技術研究［J］.解放軍理工大學學報:自然科學版，2010，11(2):162-167.

［5］ 張成平.地鐵車站下穿既有隧道施工中的遠程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.巖土力學，2009，30(6):1 861-1 861.

(責任編輯 陳炳權)

Application of Flexible Conductive Coating in Monitoring Technology of Urban Tunnel Cracks

WANG Chao1，ZHAO Qi-lin2，DENG An-zhong3
(1.Jiangsu Urban Mass Transit Research＆Design Institute，Nanjing 210008，China;2.PLA University of Science and Technology，Nanjing 210008，China;3.Logistic Engineering University of PLA，Chongqing 401311，China)

The conductive film of cured flexible conductive coating can be used to prepare a sensor system.If such system is attached to the surface concrete or embedded into the interior concrete and deforms with the concrete，the detected resistance change of the system can indicate the real-time cracks and its extension.According to the mechanism of the urban tunnel cracks，this paper proposes the development of low-cost and crack-sensitive conductive coating，which can achieve the early monitoring of large tunnel cracks.Pilot project shows that such kind of coating can ensure the quality，safety，efficiency，and long-term normal operation of the urban tunnel and has great application value.

tunnel;crack;monitoring;conductive coating;real-time monitoring

TU359

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2013.02.020

1007-2985(2013)02-0091-06

2013-02-16

王 超(1980-)，男，江蘇姜堰人，江蘇城市軌道交通研究設計院工程師，主要從事城市地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測信息化和城市軌道交通運營信息化研究

趙啟林(1972-)，男，江蘇淮安人，中國人民解放軍理工大學副教授，博士后，主要從事公共結(jié)構(gòu)安全研究.