土工筋带变形测试传感器研发与试验研究*

廖 波，常传源，季雨坤，张 泽

（1.浙江工商大学技术与工程管理系，杭州310018；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008；3.正荣苏南（苏州）房地产有限公司，江苏苏州215000）

土工筋带变形测试传感器研发与试验研究*

廖 波1，2*，常传源2，季雨坤2，张 泽3

（1.浙江工商大学技术与工程管理系，杭州310018；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008；3.正荣苏南（苏州）房地产有限公司，江苏苏州215000）

工程上，土工加筋带变形测试一直是个难题，主要是因为其应变较大且加筋带外层是相对较软的聚合物结构。利用纳米导电炭黑颗粒充填聚合物获得敏感材料，再通过印刷技术将其印刷在塑料薄片上，制作成传感元件。通过拉伸试验测试了四种不同底板传感元件的传感性能，试验结果表明，四种元件均具有拉伸敏感性，电阻值随拉伸应变的增大而增大，且满足模量匹配与较大应变要求。对比分析发现，PVC底板传感元件的综合性能最佳，适合作为土工筋带变形测试元件使用。另外，这种方法制作的传感元件可批量化生产，无需逐个标定，极大地提高了它的实用性。

土工筋带；变形测试；导电复合材料；大应变

土工加筋带是聚合物制成的条带状抗拉土工合成材料，在土木工程中置于土体内部或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。为了分析土工合成材料加筋土结构的变形行为，了解加筋特性，需对土工合成材料拉伸负荷和局部变形情况进行量测。目前，对土工合成材料的变形测试主要是采用普通电阻式应变片和柔性位移计的方法［1］。由于普通应变片的应变量程有限，国内普通应变片的量程约为0.5%左右，并不适合土工合成材料的大变形测试；而高延伸率应变片价格昂贵，在国外有一些应用［2-3］，但这种应变片在现场使用时，破坏率较高，甚至达到50%以上［4］，主要由于应变片与土工合成材料之间的模量不匹配造成的，土工合成材料一般较软。曹国福、孔晶等利用大刚度SDW-100型位移传感器安装在高强土工布上进行室内拉伸试验和现场加筋垫层的变形测试，试验成果表明SDW-100型位移传感器用于高强土工布加筋垫层变形的测试具有适用性［5-6］。徐林荣等使用柔性位移计在桩网复合地基的测试断面上量测基底不同位置土工格栅变形分布，计算土工格栅的应变［7］。杨广庆等在土工格栅加筋土挡墙的现场试验中，在各层位土工格栅拉筋末端埋设柔性位移计，量测拉筋变形量，计算土工格栅的应变值［8］。测试时，柔性位移计通常设置于土工格栅的上覆土（砂）层中，或是筋材的末端，无法直接反映筋材不同位置的应变分布。高江平利用机电百分表测试加筋土挡墙沿墙位移来了解加筋带应变［9］，这种方法也无法获得筋带应变分布情况。

为获得较好的土工合成材料大变形测试传感器及测试方法，笔者所在的团队做了大量工作。前期，利用导电复合材料成功研发了大变形传感元件，并对传感元件及导电复合材料进行了大量的试验与理论研究工作［10-12］，研究的土工筋带变形传感器，由于工艺等条件的限制，在可靠性、可重复性、操作性等方面还存在部分不足。基于此，团队拟利用印刷工艺，研发新型传感元件并开展试验研究。

本文首先介绍了土工筋带变形测试传感元件的制作方法以及拉伸试验方法，然后对四种传感元件的测试结果进行对比分析，最后获得综合性能最佳的土工筋带变形测试传感元件。

1 试验介绍

1.1 传感元件制作

传感元件由塑料薄片，印刷在塑料薄片上的敏感材料、电极，与电极连接的端子、测试线组成。

首先需制作敏感材料，敏感材料基体选用环氧树脂材料，导电材料选用纳米炭黑（型号为ECPCB-1，平均粒径40 nm）。先将炭黑加入溶剂，然后加入树脂搅拌，炭黑质量相对树脂的质量占比为20%，并进行超声波震荡，直至炭黑分散较均匀，最后使用印刷机印刷在塑料片（底板）上；导电电极使用市售的导电银浆印刷而成。印刷好的传感元件如图1所示，黑色部分为敏感材料，白色为导电电极，底板为半透明的塑料薄片。传感元件长度为32 mm，宽度为6 mm。

印刷的材料固化后，经裁剪并安装端子，端子上连接测试导线，便完成传感元件制作，可进行试验测试。

图1 传感元件

1.2 传感元件试验安装

对土工筋带变形测试，一般是将传感元件粘贴在筋带的表面上。土工筋带是由聚合物制成的条带状抗拉土工合成材料，聚合物一般为高密度聚乙烯（PE）塑料。对土工筋带变形的测试，实际上测试的是外层聚合物的变形。故为简化试验，利用长条形PE塑料片代替土工筋带进行拉伸试验，这种模拟方法可在较小的拉力下完成，普通的拉力试验机便可满足试验要求，塑料片也更易夹持。如图2所示，左图为两个传感元件粘贴在半透明长条形PE塑料片上；右图为长条形PE塑料片夹持在拉伸试验机上。

图2 试验安装图

1.3 试验方法

分别对不同塑料底板的传感元件进行拉伸试验，包括PE底板、聚酰亚胺（PI）底板、聚氨酯（TPU）底板以及聚氯乙烯（PVC）底板四种，上面印刷的敏感材料及电极形状相同。试验时，拉伸速度均为0.5 mm/min，四种底板传感元件均粘贴在长条形PE塑料片上拉伸，传感元件的电阻值采用DateTakers 800数据采集仪采集。

2 试验结果

2.1 PE底板传感元件

将PE底板传感元件粘贴在长条形PE塑料片上进行拉伸试验，获得其电阻值关于应变的关系曲线，如图3所示。

从图3可知，传感元件电阻值随着应变的增大而增大，在变形初期（应变0.025范围内）电阻值与应变值之间近似线性关系，应变超过0.025后，电阻值变化速率加快。整体来看，应变在0.03范围内时，PE底板传感元件的电阻值与应变之间有较好的关系，拉伸敏感性较好；应变超过0.03后，电阻值变化不再线性。应变由0变化到0.03 h，电阻值由4 550 Ω变化到了4 850 Ω。

图3 PE底板传感元件电阻关于应变的曲线

试验中还发现，在拉伸试验后期，印刷在PE底板上的黑色敏感材料层逐渐发生开裂甚至脱落的现象，如图4中黑色圆圈区域所示。敏感材料与PE底板之间并没有较好的粘结在一起，当PE底板受到拉伸变形后，两者发生了脱离。

图4 PE底板传感元件发生脱落现象

2.2 PI底板传感元件

同理，将PI底板传感元件粘贴在长条形PE塑料片上进行拉伸，获得电阻值关于应变的关系曲线，如图5所示。

图5 PI底板传感元件电阻关于应变的曲线

由图5可知，传感元件电阻值也随应变的增大而增大，在应变大于0.015后，电阻值变化速率逐渐减小；在应变0～0.015范围内，电阻值与应变之间呈近似线性关系。应变由0变化到0.015 h，电阻值由10 700 Ω变化到11 200 Ω，在此应变范围内，传感元件的拉伸敏感性较好。

2.3 TPU底板传感元件

类似方法，获得TPU底板传感元件电阻值关于应变的关系曲线，如图6所示。

图6 TPU底板传感元件电阻关于应变的曲线

由图6可知，TPU底板传感元件电阻值也随应变的增大而增大，但电阻值变化并不光滑，有跳动现象；应变大于0.01后，电阻值变化速率逐渐增大。应变由0变化到0.014时，电阻值由6 000 Ω变化到8 500 Ω，相对来说，电阻值变化较大。

2.4 PVC底板传感元件

图7为PVC底板传感元件电阻值关于拉伸应变的关系曲线。由曲线可知，PVC底板传感元件电阻值同样随拉伸应变的增大而增大，且电阻值变化平滑，电阻变化速率呈先小后大再小的趋势，电阻值与应变之间没有呈现线性关系。应变由0变化到0.025时，电阻值由6 900 Ω变化到7 850 Ω，在此应变区间内，传感元件的拉伸敏感性较好。

图7 PVC底板传感元件电阻关于应变的曲线

3 结果分析

上述系列试验表明，四种传感元件均具有拉伸变形敏感性，这主要是由于敏感材料层的应变敏感性。所使用的敏感材料是由纳米导电炭黑颗粒充填聚合物复合而成，目前，关于这种功能材料的导电传感机理尚无统一的理论。Wang等在对炭黑填充硅橡胶基复合材料的压-阻特性研究中，以隧道效应理论为基础建立了导电压-阻模型［13］：

式中，h为普朗克常数；m、e为电子质量和带电量；φ为势垒高度；S为有效隧道通道平均截面积；N与ω分别为有效导电通路数目和导电粒子间隙，都是关于应力σ的函数；M为一条有效导电通路上的平均导电颗粒数目。此模型较好的解释了试验获得的压-阻特性。

上述模型，可从定性上描述充填型导电复合材料的敏感机理。当敏感材料受到拉力F产生拉伸变形后，炭黑颗粒之间的间距ω会逐渐变大。间距ω增大后，会导致部分颗粒之间隧道效应导电失效，产生断路，有效导电通路数M减小。如图8所示，根据式（1）可知，ω增大，M减小，电阻R随之增大。

图8 敏感材料受到拉伸变形

在四种传感元件拉伸试验中，传感元件粘贴于长条形PE塑料片上，当塑料片受拉后，传感元件随之发生拉伸变形，传感元件中的敏感材料电阻增大，试验结果均与之吻合。在此过程中，敏感材料是间接受到拉力产生变形的，PE塑料片（模拟筋带）受拉后，粘贴在上面的传感元件塑料底板首先受力，然后再传递给敏感材料。这个传递过程必须是同步的，否则测试结果将不准确，这就必须要求塑料底板材料模量必须与筋带材料模量相互匹配，底板材料的拉伸模量要小于或等于筋带。

在加筋土工程设计时，通常以土工合成材料2%变形时的强度值为控制值［14］，故研制的传感元件应变测试量程一般应大于2%，即应变的最大值应超过0.02。从试验结果来看，PE与PVE底板传感元件均能满足，TPU元件的数据不理想，PI元件在应变超过0.015后，电阻值趋缓，特别是在应变0.02附近，电阻趋缓明显。另外，PI材料的模量要明显大于PE塑料，从模量匹配角度考虑，该元件也不太适合。

从4种底板传感元件的拉伸试验数据也可看到，只有TPU底板传感元件的电阻值稳定性较差，其他三种均较好；PE底板传感元件数据虽较好，但测试后期出现了敏感材料脱落现象，无法作为测试元件使用。

根据上述分析，可以得到四种传感元件相关性能的对比，如表1所示。

表1 四种传感元件性能对比

根据表1，以及对试验过程的综合分析，最终选择使用PVC底板传感元件作为土工筋带变形测试元件，这种传感元件的综合性能相对最佳。

图9所示为4个PVC底板传感元件电阻变化率与拉伸应变之间的关系曲线，从曲线可知，4个曲线基本是重合的，这也说明印刷的元件具有相似性。根据这一点，在保证所有工艺一致且工艺控制质量高的情况下，所开发的土工筋带变形测试元件具备批量的可能，且不需逐个进行标定，只要任意选取部分进行标定即可，这一点与常规应变片是相同的。

图9 4个PVC底板传感元件拉伸试验曲线

为验证工程现场操作的方便性及可靠性，将2个PVC底板传感元件使用瞬干胶粘贴于土工加筋带上，如图10所示。使用的筋带为CAT钢塑带，断面尺寸30 mm×2 mm，破断荷载及伸长率约为9.4 kN和2.9%，是工程现场常用的土工筋带。

图10 PVC传感元件粘贴在土工筋带上

结果证明，PVC底板传感元件可使用瞬干胶与筋带粘贴，粘贴迅速方便，且效果好。对筋带多次弯曲，仍可保证粘贴效果。

4 总结

①利用导电敏感复合材料及印刷工艺，研制了四种不同底板的变形测试传感元件，并分别进行了拉伸试验测试。

②试验结果表明，四种传感元件均具有拉伸敏感性，电阻值均随拉伸应变的增大而增大。

③对试验过程及试验结果综合比较来看，PVC底板传感元件相对最佳，初步确定其作为土工筋带测试传感元件使用。

④研制适合土工筋带变形传感元件，必须考虑到应变大量程、模量匹配、灵敏度、数据稳定性、成本、操作方便等因素。研制的PVC底板传感元件基本满足条件，且可批量生产，无需逐个标定，直接粘贴在土工筋带上便可。

⑤目前，研发的传感元件已在工程现场进行大批量的应用试验，其实用性还需进一步的严格检验。

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廖 波（1985-），男，博士，现为浙江工商大学技术与工程管理系讲师，2012年毕业于中国矿业大学，主要从事传感功能材料特性及其应用研究，liaobo2003@cumt.edu.cn。

Development and Experimental Research on Deformation Test Sensor of Geotextile Reinforcement Tape*

LIAO Bo1，2*，CHANG Chuanyuan2，JI Yukun2，ZHANG Ze3
（1.Department of Technology and Engineering Management，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou310018，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，
Xuzhou Jiangsu221008China；3.Zhenro Suzhou Real Estate Projet，Suzhou Jiangsu215000，China）

The deformation test of geotextile reinforcement tape is always a problem which mainly due to the strain is large and the outer layer of tape is soft polymer structure in engineering.The sensitive materials were obtained by polymer filled with nano-particles conductive carbon black.The plastic sheets were printed on the material by printing technology and made into sensing elements.The sensing properties of four different plate sensors were tested by tensile tests.The results showed that four kinds of elements at the same time having a tensile sensitivity that the resistance value increases with strain，and meet with the requirements of greater strain and modulus matching.The PVC sensor element’s overall performance was best and which was more suitable for the deformation test of geotextile reinforcement tape according to comparative analysis.In addition，the developed sensor can be mass production and the sensor does not need to be individually calibrated.

geotextile reinforcement tape；deformation test；conductive composites；large strain

TU443

A

1004-1699（2016）12-1931-05

��7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.025

项目来源：国家自然科学基金项目（51404210）；博士后科学基金项目（2014M551698）；深部岩土力学与国家重点实验室开放基金项目（SKLGDUEK1412）

2016-05-26修改日期：2016-06-29