基于柔性导电涂料的城市隧道裂缝监测技术*

王 超，赵启林，邓安仲

(1.江苏省城市轨道交通研究设计院，江苏南京 210008;2.中国人民解放军理工大学，江苏南京 210008;3.中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401311)

基于柔性导电涂料的城市隧道裂缝监测技术*

王 超1，赵启林2，邓安仲3

(1.江苏省城市轨道交通研究设计院，江苏南京 210008;2.中国人民解放军理工大学，江苏南京 210008;3.中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401311)

柔性导电涂料固化成导电膜，制备的传感系统附着在混凝土表面或内嵌到混凝土内部，使其与混凝土协调变形，通过仪器检测其电阻变化，实时地感知裂缝出现以及是否扩展.针对城市隧道的裂缝出现机理，研制成本低且对裂缝敏感的导电涂料，实现对隧道裂缝早期大范围监测，并通过工程试点验证，保证城市隧道的优质、安全、高效、长久的正常运营，具有应用价值和应用前景.

隧道裂缝;柔性;导电涂料;在线监测

城市隧道工程大多采用钢筋混凝土支撑结构，而裂缝是混凝土结构中最为普遍的病害现象，严重地影响混凝土结构耐久性与安全性.混凝土工程结构的破坏，其诱因可能有多种，但演化过程都是混凝土构件产生裂缝→严重开裂→破坏，也就是说裂缝是表现结构安全性的最为主要的指标.及时发现混凝土裂缝的出现位置、时机与发展趋势是保障工程安全，从而避免出现重大事故，具有重要的工程价值［1］.

现有的隧道裂缝监测技术包括振弦式传感器、电阻应变传感器及分布式光纤传感器，由于存在检测成本高、可靠性差及施工难度高的缺点，在城市隧道裂缝监测中并未广泛应用.柔性导电涂料具有低成本、高耐久性、安装简单及灵敏度高等优点，适宜在城市隧道裂缝监测中大规模推广.该技术已经在南京地铁试点工程中得到验证，为保证南京地铁的优质、安全、高效、长久地正常运营，具有重要的应用价值和广泛的应用前景.

1 柔性导电涂料传感器

1.1导电原理及其特点

柔性导电涂料涂装固化后形成柔性导电膜，其内导电粒子相互接触而导电，导电膜一旦受到拉伸变形，部分导电粒子脱离接触，颗粒间距一旦大于某阈值，就会形成不导电的状态，导电膜整体电阻会显著增大，其对变形的灵敏度远远超过应变片等传统电阻式传感器.将柔性导电涂料固化成导电膜，制备成传感系统附着在混凝土表面或内嵌到混凝土内部，使其与混凝土协调变形，通过实时测量该传感系统的电阻变化来识别混凝土应变与裂缝信息.当产生裂缝时导电膜电阻明显增加，电阻变化曲线发生“突变”，通过仪器检测其电阻变化可以实时感知裂缝出现以及是否扩展，导电涂料试样见图1.

1.2导电膜材料

导电膜的导电性主要是由导电粒子联结成链的3维空间导电网络、导电粒子间距及穿越聚合物薄层形成导电信道共同决定的.3维空间导电网络的结构是决定导电涂料导电性大小的主要因素，因此，导电粒子的空间结构对导电涂料的导电性有着至关重要的作用.

图1 导电涂料试样

图2 炭黑品种与体积电阻率关系

石墨具有弯曲片层的结构，不利于导电粒子在空间的接触几率和接触面积，所以石墨体提供给涂料的导电性较低，但是其加工性能和保持原聚合物性能情况良好.因此一般不把石墨单独作为导电填料使用，必须把炭黑作为导电填料混合使用才能充分发挥导电性和良好的工作性能［2］.对填料粒径的导电性进行细化研究分析可知:石墨粒径在大约500～1 000目左右时，导电涂料成膜后的导电率较高;当石墨粒径小于500目时，涂料的导电率降低，主要原因是石墨粒径太小，在溶剂中易发生凝聚，不易分散均匀，而且易被基体树脂包裹，不利于导电;当石墨粒径大于1 000目时，石墨粒径变大，在树脂中导电粒子相互接触点单位密度减少，难于在涂层中形成导电网络，涂层电阻明显上升.因此石墨粒径太大或太小时，涂料的综合性能都达不到最佳的效果.通过对原材料进行筛分，选择石墨粒径为600～800目.［3］

炭黑采用N472-1和N485混合体系.其中N472-1是由非常细小的炭黑粒子聚集而成，呈支链状的具有很高结构性的物质，导电性最好，如图3所示.但是由于其高结构性和高比表面积，在高分子聚合物中难以充分分散，不能充分发挥良好的导电性;N48形貌为葡萄状，粒径比N472-1大，导电性不如N472-1，但是N485表面能相对较低，在高分子聚合物中易分散，如图4所示.在N472-1导电颗粒之间可以形成有效填充，在改善加工性的同时增强导电性.经过试验分析，确定炭黑填料中，N472-1与N485采用优化后的80∶20质量配比.

图3 N472-1炭黑形貌

图4 N485炭黑形貌

根据已有研究成果［4］，导电填料占导电涂料质量百分比为30%的条件下，研究不同混合比的填料对导电性的影响，并考虑涂装制备导电膜的可操作性综合而定.涂料导电率测试如图5所示.涂层电阻率为

其中:ρ为体积电阻率，单位Ω·cm;R为涂层电阻，单位Ω;L，b，h分别为涂层长、宽、高，单位cm.

测试中采取将涂料刷涂于环氧电路板(平行电极尺寸大小为15 cm×8 cm)上进行，最后得到涂层体积电阻率随混合炭黑/石墨含量百分比的变化曲线(见图6).

图5 涂料导电率测试示意

图6 涂层体积电阻率随炭黑含量变化曲线

从实验结果可以看出，在保持导电填料在导电膜材料体系中的质量百分比一定的情况下，混合填料体系的表面电阻率比用单一石墨或炭黑填料的体系有明显的降低.其原因在于混合炭黑和石墨在导电涂料制备过程中能够相互填充和更好地分散，形成更有效的导电网络通路.实验发现，尽管炭黑与石墨的质量百分比在42%处导电性最佳，但是炭黑填料润湿分散对溶剂需求量增大，分散困难，因此，确定炭黑与石墨的质量比为33%，此时涂料的粘度较低，具有较好的加工性能.

由实验数据分析可知:恒应力时用指数型弛豫方程可很好地描述其阻值的弛豫过程，其电阻R(t)随时间t的变化关系为

其中:R0为加载时刻(t=0)的阻值;R∞为弛豫时间等于无限长时的阻值，即在此应力下电阻的平衡值; τ为弛豫时间常数，表征了导电涂膜受载后弛豫的快慢程度，其大小取决于涂膜的结构、导电粒子的分布状态和加载的大小，在工程实践中难以进行准确分析.因此，在理论分析基础上，通过一定数量且具有统计规律的实验进行归拟分析(见图7—11，其中实线表示实测曲线，虚线表示拟合曲线)，得到不同宽度裂缝状态下导电膜传感器电阻-时间变化见表1，从而实现裂缝宽度的量化分析.

图7 裂缝变化瞬时(20 s内)导电膜电阻-裂缝宽度的关系曲线

图8 裂缝变化1 min时导电膜电阻-裂缝宽度的关系曲线

图9 裂缝变化2 min时导电膜电阻-裂缝宽度的关系曲线

图10 裂缝变化3 min时导电膜电阻-裂缝宽度的关系曲线

图11 裂缝变化4 min时导电膜电阻-裂缝宽度的关系曲线

表1 导电膜传感器电阻与-时间变化规律

在工程监测时，当巡检仪检测到导电膜电阻发生“跃升”时(大于5 Ω)，分别计算“跃升”时第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)电阻变化对应的裂缝宽度，而后计算5次裂缝宽度的算术平均值作为裂缝监测值.如果监测中电阻只在第1次(0 min)发生“跃升”，而后恢复到“跃升”前电阻值或小于原电阻值，那么可以判定为干扰信号.

2 数据采集及传输

在线式混凝土裂缝分布式检测仪的工作原理如图12所示.

图12 在线式混凝土裂缝检测仪的工作原理

数据采集仪主要由恒流恒压电路、晶体振荡电路、电路切换、高精度AD转换、单片机、复位电路、稳压电路、EEPROM存储、RS485通信、在线模块等部分组成.

图13 导电膜传感器系统组成

监控系统包括前端传感元件、数据采集设备、无线通信模块、供应商服务器以及用户数据存储处理5部分，其中前端传感元件包括导电膜、温度计、湿度计以及风速仪等，用于感知结构是否出现裂缝、裂缝是否扩展、隧道内温度与湿度等;远程无线通信设备采用商业通用模块集成到采集仪上，无线通信网络供应商服务器为数据临时存储设备，用户根据与供应商的相关协议，通过有线或无线的方式从服务器中读取数据;用户终端计算机是整个监控系统面向用户的界面，不仅存储监控数据，而且根据自主开发的软件系统对监控数据进行处理、识别与图形化显示和裂缝宽度、环境温度、湿度以及风速等的计算，从而判断数据是否异常，对于异常数据及时进行报警，并提醒用户进行后续处理［5］.

3 实例工程

该工程位于南京地铁2号线雨润大街站至元通站上行K3+600处附近，隧道埋深19 m，隧道结构为圆形管片拼装形结构(见图14).隧道管壁的主要病害是纵向裂缝，分布在隧道的上部管片(见图15).

图14 拼装式管片结构

图15 拱顶的纵向裂缝

为了确保工程的成功，整个监测系统分2个阶段实施:第1阶段位于K3+000至K3+020处，共设置了10导电涂料条，主要用于测试监测元件设置的可靠性、数据传输的抗干扰能力以及监控系统运转的长期可靠性;第2阶段的8条导电涂料和温度、湿度、风速传感器设置在K3+600至K3+612处，主要用于验证传感元件能否对裂缝进行监测，识别出裂缝的发展趋势，分析环境因素对裂缝监测的影响规律.

图16 拱顶的导电膜测点

图17 拱肩的导电膜测点

通过系统现场试验，在监测期间导电膜电阻值稳定，没有出现报警情况，现场接触检测裂缝没有扩展，也没有发现新裂缝出现，监测数据很好地反映了实际情况.信号无线传输会出现短暂或一段时间的数据缺损，主要原因可能是环境屏蔽干扰导致.

4 结语

研制了低成本且对裂缝敏感的导电涂料，实现了隧道裂缝早期大范围监测.实例工程证实:通过基底平整性和封闭性处理，利用专制辊轮进行辊涂确保了导电膜传感器初始电阻值的一致性;采用胶-螺混合固定法确保导电膜的长期耐久性.

为进一步完善该系统，下一步拟研究将变形、沉降等监测元件接入到该系统，从而解决信息无线传输过程中数据间断性缺失等问题.

［1］ 杨建龙.南京地铁隧道裂缝整治措施探讨［J］.现代交通技术，2009(4):75-77.

［2］ 陈 伟，张会堂.炭黑-石墨导电涂料导电性能之影响因素的试验研究［J］.炭素技术，2003(2):25-27.

［3］ 杨 超，王云善，郭金山，等.环境友好型氟碳导电涂料的研究［J］.涂料工业，2007(S1):1-4.

［4］ 赵启林，邓安仲.基于导电膜电阻拉敏效应的混凝土裂缝分布式监测技术研究［J］.解放军理工大学学报:自然科学版，2010，11(2):162-167.

［5］ 张成平.地铁车站下穿既有隧道施工中的远程监测系统［J］.岩土力学，2009，30(6):1 861-1 861.

(责任编辑 陈炳权)

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，江苏姜堰人，江苏城市轨道交通研究设计院工程师，主要从事城市地下结构安全监测信息化和城市轨道交通运营信息化研究

赵启林(1972-)，男，江苏淮安人，中国人民解放军理工大学副教授，博士后，主要从事公共结构安全研究.