柔性导电涂料对混凝土桥梁裂缝监测的应用研究

许友山，罗 蓉，许碧海

(1.温州市交通工程试验检测有限公司,浙江 温州 325000；2.温州新港湾工程试验检测有限公司,浙江 温州 325000；3.浙江港湾项目管理有限公司,浙江 温州 325000)

0 引 言

混凝土裂缝是结构混凝土的固有特性。结构混凝土的裂缝变化是表征混凝土构件安全性、耐久性最为直观的参数，而且也是桥梁养护规范中用于桥梁等级评估为数不多的定量化指标之一，而利用柔性导电涂料对混凝土裂缝分布的监测技术开展桥梁健康监测研究，对混凝土结构裂缝的监测具有重要意义。

1 检测方法分析

目前进行混凝土裂缝监测的技术主要有基于振弦式应变传感器、光纤光栅传感器的点式监测方式以及基于长标距光纤光栅[1]、机敏网[2]或BOTDR、柔性导电涂料[3-5]等分布式监测技术。而点式监测技术存在的主要问题是传感器监测范围只有10cm左右，必须将传感器布设在裂缝已经出现的位置进行监测，难以对裂缝出现的时机进行捕捉，而且经过封装保护的刚性传感器必须采用螺栓进行锚固，安装过程对混凝土有显著损伤。长标距光纤光栅进行裂缝监测的基本原理和普通光纤光栅式相同，即裂缝出现后会导致传感器标距范围内出现一个平均应变的增加，只不过长标距光纤光栅经过了增敏处理，能够对微小的应变变化进行较为精确的感应，从而可以将标距提高到米级[6]。该技术增加了对应变的精确度，但是对于应变是由于温度引起还是裂缝引起的分解与感知能力还是没有提高。机敏网是将智能检测线(一般为导电的碳纤维丝、铜丝等)以网格的形式粘贴在混凝土结构表面且保证它们不会相互连通造成短路，从而形成一个裂缝传感单元，一旦裂缝出现，对应位置的纵横检测线将短路，从而可以方便的检测出裂缝出现，并且判断裂缝的位置[2]。该技术原理简单、成本低廉，但是检测线断裂延伸率低，裂缝出现后即断裂，无法跟踪裂缝发展趋势与定量化感知裂缝宽度。

分布式光纤传感监测技术就是将光纤预埋入混凝土构件或贴于外表面，混凝土变形的发展导致埋入光纤传感器外部机械特性的变化,从而使光纤传感器中的光强输出发生剧烈变化,通过检测光强输出的变化来监测内应力的变化及裂缝的产生和扩展。分布式光纤传感器柔软易于布置、适宜于分布传感，感知信息量大，适合进行裂缝的分布式监测，因而光纤传感器是目前工程界研究的热点之一，如Rossi等使用埋入式多模光纤探测混凝土中的裂缝，当裂缝穿过没有包层的光纤任一截面时,就会观察到光纤中光强有一跌落，该方法已用在公路隧道的壳壁上,以检测不同位置裂缝的出现。四川大学的刘浩吾教授对大动态高灵敏光纤组合理论与斜交方式的分布式光纤传感技术等开展了研究,并在三峡工程和混凝土拱桥中进行了初步的应用。但是分布式光纤检测技术作为国外引进的高科技产品，在国内应用中存在以下问题：(1)传感系统的延伸率有限，在裂缝扩展到一定程度后传感器会发生失效，Martin等用裸光纤作裂缝传感器时混凝土产生5至10um的裂缝传感光纤即断裂；(2)该技术为国外专利技术，采集仪完全依靠进口，成本昂贵。因此该技术无论是成本与性能均无法满足国内需求。而利用柔性导电涂料对混凝土裂缝分布的监测方法可以改善以上技术的不足。

2 利用柔性导电涂料对混凝土裂缝分布的监测技术原理

导电涂料是将导电颗粒涂于高电阻率的柔性高分子材料上，使之具有传导电流和排除积累静电荷能力的特种涂料。将导电涂料刷涂或喷涂在混凝土表面上，固化形成导电涂膜。添加型高分子导电膜主要由高分子树脂基体和导电粒子组成，其中高分子树脂基体在常态下是电绝缘材料，其导电主要是靠分散在高分子树脂基体中的导电粒子之间形成导电通路。导电粒子形成导电通路主要有三种状态,如图1所示。

(a) (b) (c)

其中图1(a)表示导电粒子相互重叠，形成导电通路；图1(b)表示导电粒子相互接触形成导电通路；表示相图1(c)邻导电粒子不接触，不能够导电，其相互之间最小间距为s。

假定发生隧道效应的绝缘阻隔层的有效截面积为A；m和e分别为电子质量和电荷；h为普朗克常数；V为外加电压；s为绝缘阻隔层的厚度；φ是相邻粒子间的势垒高度。参考相关文献可知，导电膜电阻与导电膜微观结构之间的关系可用式(1)表达：

(1)

其中γ可用式(2)表达：

(2)

由上式可见，导电膜电阻与绝缘阻隔层的厚度即微观导电颗粒的净距s成指数关系，s的细微增加可以导致隧道电流急剧减小，电阻显著增加，甚至形成断路。由于柔性导电涂膜与混凝土表面附着力好，且本身弹性模量远小于混凝土弹性模量，能够很好的和混凝土构件变形保持一致。如果混凝土出现了拉伸应变或裂缝，随即在应变或裂缝位置的导电膜也会被拉长，这样大量颗粒之间的净距s显著增加，则导电膜宏观电阻出现大的增加，这种导电膜电阻随混凝土拉伸而增加的现象被称之为导电涂膜电阻的“拉-敏效应”。

导电膜具有应变测量大量程、裂缝监测全过程、对裂缝敏感、环境影响不显著等优点。导电膜的电阻变化率在材料达到10000个微应变时依旧可以与构件应变保持非常良好的线性关系，而振弦式应变计的量程正负3000个微应变、光纤光栅最大-800到2500个微应变，也就是导电膜的量程是传统传感器的3倍以上，即使在裂缝扩展到0.6mm情况下，导电膜依旧保持良好的连接状态而不发生断裂，因此可以对混凝土裂缝发生、发展的全过程进行监测。混凝土桥梁在实际应用中荷载与温度导致的应变变化一般在100个微应变范围内[7]，这种均匀应变引起的导电膜电阻变化率一般在2%以内。而混凝土局部出现0.1mm裂缝的扩展，导电膜电阻变化率就在15%左右，是正常荷载、温度引起电阻变化率的数倍，而导电膜对裂缝敏感而受环境的影响较小，从而突显出该技术优势。但是，上述的结论均是基于室内试验得到，而混凝土桥梁的服役环境更为复杂，有必要结合实际工程应用中的实测数据讨论导电涂料传感器电阻值随混凝土桥梁裂缝变化的规律进行推广应用。

3 导电涂料传感器电阻值随混凝土桥梁裂缝变化的规律研究

3.1 依托工程

金丽温高速大洋桥上行线第8跨箱梁(如图2所示)，该桥承担温金东西方向的重要运输任务，是利用柔性导电涂料进行混凝土桥梁裂缝监测的代表之一。

图2 金丽温高速大洋桥上行线

对于混凝土桥梁而言，受力裂缝主要集中在跨中底板与靠近支座的腹板位置，只需要在这些位置涂刷导电涂料，基本上就可以控制结构的整体安全性。该桥于2016年末开展桥梁健康监测项目，共在32处涂刷导电涂料，具体测点位置分布如图3所示。

图3 大洋桥上行线第8跨箱梁导电涂料测点分布图

3.2 监测系统介绍

监测系统全天24小时实时采集并储存桥梁的裂缝数据，即各个测点的电阻值，由导电涂料传感器、数据采集器、太阳能供电模块、数据传输模块、数据接收模块组成，如图4所示。其中，导电涂料传感器用于感知被测结构是否出现裂缝或裂缝是否扩展；数据采集器记录各测点的电阻数据并发送到供应商提供的服务器中进行储存，用户根据与供应商的协议在服务器的数据库中读取监测数据；太阳能供电模块全天候不间断为该系统供电。导电涂料传感器是该监测系统的核心部分，主要由基底封闭层、电极、导电涂料和表面柔性保护层组成，如图5所示。基底封闭层用于防止导电涂料向混凝土内部渗透而导致出现的不同部位导电涂料的特性不一致的问题；电极和导电涂料用于测量测点处的电阻；表面柔性保护层用于保护导电涂料。

图4 利用导电涂料的监测系统组成

图5 导电涂料传感器组成

3.3 导电涂料传感器电阻值随混凝土桥梁裂缝变化的规律

收集该桥部分测点在一年(2016年)，10天(2016年2月1日至10日)和3天(2016年10月19日至21日)内的电阻值数据。10号测点、15号测点和19号测点的数据分别如图6至图8所示，其中10号测点处无裂缝而其他两个测点处有裂缝。

(a) (b) (c)

(a) (b) (c)

(a) (b) (c)

从三个测点一年内的数据可以看出，没有裂缝时，导电涂料传感器的电阻值总体上呈现缓慢下降趋势；而有裂缝时，导电涂料传感器的电阻值变化剧烈。从三个测点10天内和3天内的数据可以看出，没有裂缝的测点，电阻随温度有周期性变化，但是变化幅度小；有了裂缝的测点，即使没有荷载导致裂缝的扩展与缩小，温度也会导致裂缝宽度发生周期性变化，电阻变化幅度明显大于单纯的温度应变导致的电阻变化幅度；荷载会导致裂缝瞬间出现较大幅度的变化，这种变化的频率与车流量大小有关。

4 结 语

混凝土桥梁在使用过程中，受到行车荷载和其它一些外在因素的作用，表面不可避免地会出现裂缝等损伤，影响整个结构的安全，因此监测裂缝是否发生、扩展变化对于桥梁的管养维护具有重要意义。通过实例介绍了柔性导电涂料对混凝土桥梁裂缝监测技术的应用，促进桥梁健康监测技术的推广应用，有效提高公路桥梁试验检测效益，减少经济投入。为了进一步完善该技术，接下来拟研究混凝土桥梁不同部位的导电涂料传感器受环境影响的电阻变化规律和不同涂料基体的相融性。