王 超,趙啟林,鄧安仲
(1.江蘇省城市軌道交通研究設(shè)計(jì)院,江蘇南京 210008;2.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué),江蘇南京 210008;3.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院,重慶 401311)
基于柔性導(dǎo)電涂料的城市隧道裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)*
王 超1,趙啟林2,鄧安仲3
(1.江蘇省城市軌道交通研究設(shè)計(jì)院,江蘇南京 210008;2.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué),江蘇南京 210008;3.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院,重慶 401311)
柔性導(dǎo)電涂料固化成導(dǎo)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(guò)儀器檢測(cè)其電阻變化,實(shí)時(shí)地感知裂縫出現(xiàn)以及是否擴(kuò)展.針對(duì)城市隧道的裂縫出現(xiàn)機(jī)理,研制成本低且對(duì)裂縫敏感的導(dǎo)電涂料,實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道裂縫早期大范圍監(jiān)測(cè),并通過(guò)工程試點(diǎn)驗(yàn)證,保證城市隧道的優(yōu)質(zhì)、安全、高效、長(zhǎng)久的正常運(yùn)營(yíng),具有應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景.
隧道裂縫;柔性;導(dǎo)電涂料;在線監(jiān)測(cè)
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(yán)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(guò)程都是混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫→嚴(yán)重開(kāi)裂→破壞,也就是說(shuō)裂縫是表現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性的最為主要的指標(biāo).及時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫的出現(xiàn)位置、時(shí)機(jī)與發(fā)展趨勢(shì)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(jià)值[1].
現(xiàn)有的隧道裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)包括振弦式傳感器、電阻應(yīng)變傳感器及分布式光纖傳感器,由于存在檢測(cè)成本高、可靠性差及施工難度高的缺點(diǎn),在城市隧道裂縫監(jiān)測(cè)中并未廣泛應(yīng)用.柔性導(dǎo)電涂料具有低成本、高耐久性、安裝簡(jiǎn)單及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),適宜在城市隧道裂縫監(jiān)測(cè)中大規(guī)模推廣.該技術(shù)已經(jīng)在南京地鐵試點(diǎn)工程中得到驗(yàn)證,為保證南京地鐵的優(yōu)質(zhì)、安全、高效、長(zhǎng)久地正常運(yùn)營(yíng),具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景.
1.1導(dǎo)電原理及其特點(diǎn)
柔性導(dǎo)電涂料涂裝固化后形成柔性導(dǎo)電膜,其內(nèi)導(dǎo)電粒子相互接觸而導(dǎo)電,導(dǎo)電膜一旦受到拉伸變形,部分導(dǎo)電粒子脫離接觸,顆粒間距一旦大于某閾值,就會(huì)形成不導(dǎo)電的狀態(tài),導(dǎo)電膜整體電阻會(huì)顯著增大,其對(duì)變形的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)應(yīng)變片等傳統(tǒng)電阻式傳感器.將柔性導(dǎo)電涂料固化成導(dǎo)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(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量該傳感系統(tǒng)的電阻變化來(lái)識(shí)別混凝土應(yīng)變與裂縫信息.當(dāng)產(chǎn)生裂縫時(shí)導(dǎo)電膜電阻明顯增加,電阻變化曲線發(fā)生“突變”,通過(guò)儀器檢測(cè)其電阻變化可以實(shí)時(shí)感知裂縫出現(xiàn)以及是否擴(kuò)展,導(dǎo)電涂料試樣見(jiàn)圖1.
1.2導(dǎo)電膜材料
導(dǎo)電膜的導(dǎo)電性主要是由導(dǎo)電粒子聯(lián)結(jié)成鏈的3維空間導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)電粒子間距及穿越聚合物薄層形成導(dǎo)電信道共同決定的.3維空間導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是決定導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性大小的主要因素,因此,導(dǎo)電粒子的空間結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性有著至關(guān)重要的作用.
圖1 導(dǎo)電涂料試樣
圖2 炭黑品種與體積電阻率關(guān)系
石墨具有彎曲片層的結(jié)構(gòu),不利于導(dǎo)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(dǎo)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(dú)作為導(dǎo)電填料使用,必須把炭黑作為導(dǎo)電填料混合使用才能充分發(fā)揮導(dǎo)電性和良好的工作性能[2].對(duì)填料粒徑的導(dǎo)電性進(jìn)行細(xì)化研究分析可知:石墨粒徑在大約500~1 000目左右時(shí),導(dǎo)電涂料成膜后的導(dǎo)電率較高;當(dāng)石墨粒徑小于500目時(shí),涂料的導(dǎo)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(shù)脂包裹,不利于導(dǎo)電;當(dāng)石墨粒徑大于1 000目時(shí),石墨粒徑變大,在樹(shù)脂中導(dǎo)電粒子相互接觸點(diǎn)單位密度減少,難于在涂層中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),涂層電阻明顯上升.因此石墨粒徑太大或太小時(shí),涂料的綜合性能都達(dá)不到最佳的效果.通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)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(xì)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(dǎo)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(dǎo)電性;N48形貌為葡萄狀,粒徑比N472-1大,導(dǎo)電性不如N472-1,但是N485表面能相對(duì)較低,在高分子聚合物中易分散,如圖4所示.在N472-1導(dǎo)電顆粒之間可以形成有效填充,在改善加工性的同時(shí)增強(qiáng)導(dǎo)電性.經(jīng)過(guò)試驗(yàn)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(dǎo)電填料占導(dǎo)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(duì)導(dǎo)電性的影響,并考慮涂裝制備導(dǎo)電膜的可操作性綜合而定.涂料導(dǎo)電率測(cè)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(zhǎng)、寬、高,單位cm.
測(cè)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(jìn)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(jiàn)圖6).
圖5 涂料導(dǎo)電率測(cè)試示意
圖6 涂層體積電阻率隨炭黑含量變化曲線
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在保持導(dǎo)電填料在導(dǎo)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(dǎo)電涂料制備過(guò)程中能夠相互填充和更好地分散,形成更有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通路.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),盡管炭黑與石墨的質(zhì)量百分比在42%處導(dǎo)電性最佳,但是炭黑填料潤(rùn)濕分散對(duì)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(shí)涂料的粘度較低,具有較好的加工性能.
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知:恒應(yīng)力時(shí)用指數(shù)型弛豫方程可很好地描述其阻值的弛豫過(guò)程,其電阻R(t)隨時(shí)間t的變化關(guān)系為
其中:R0為加載時(shí)刻(t=0)的阻值;R∞為弛豫時(shí)間等于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)的阻值,即在此應(yīng)力下電阻的平衡值; τ為弛豫時(shí)間常數(shù),表征了導(dǎo)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(dǎo)電粒子的分布狀態(tài)和加載的大小,在工程實(shí)踐中難以進(jìn)行準(zhǔn)確分析.因此,在理論分析基礎(chǔ)上,通過(guò)一定數(shù)量且具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸擬分析(見(jiàn)圖7—11,其中實(shí)線表示實(shí)測(cè)曲線,虛線表示擬合曲線),得到不同寬度裂縫狀態(tài)下導(dǎo)電膜傳感器電阻-時(shí)間變化見(jiàn)表1,從而實(shí)現(xiàn)裂縫寬度的量化分析.
圖7 裂縫變化瞬時(shí)(20 s內(nèi))導(dǎo)電膜電阻-裂縫寬度的關(guān)系曲線
圖8 裂縫變化1 min時(shí)導(dǎo)電膜電阻-裂縫寬度的關(guān)系曲線
圖9 裂縫變化2 min時(shí)導(dǎo)電膜電阻-裂縫寬度的關(guān)系曲線
圖10 裂縫變化3 min時(shí)導(dǎo)電膜電阻-裂縫寬度的關(guān)系曲線
圖11 裂縫變化4 min時(shí)導(dǎo)電膜電阻-裂縫寬度的關(guān)系曲線
表1 導(dǎo)電膜傳感器電阻與-時(shí)間變化規(guī)律
在工程監(jiān)測(cè)時(shí),當(dāng)巡檢儀檢測(cè)到導(dǎo)電膜電阻發(fā)生“躍升”時(shí)(大于5 Ω),分別計(jì)算“躍升”時(shí)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(duì)應(yīng)的裂縫寬度,而后計(jì)算5次裂縫寬度的算術(shù)平均值作為裂縫監(jiān)測(cè)值.如果監(jiān)測(cè)中電阻只在第1次(0 min)發(fā)生“躍升”,而后恢復(fù)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(hào).
在線式混凝土裂縫分布式檢測(cè)儀的工作原理如圖12所示.
圖12 在線式混凝土裂縫檢測(cè)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(jī)、復(fù)位電路、穩(wěn)壓電路、EEPROM存儲(chǔ)、RS485通信、在線模塊等部分組成.
圖13 導(dǎo)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(shè)備、無(wú)線通信模塊、供應(yīng)商服務(wù)器以及用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理5部分,其中前端傳感元件包括導(dǎo)電膜、溫度計(jì)、濕度計(jì)以及風(fēng)速儀等,用于感知結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂縫、裂縫是否擴(kuò)展、隧道內(nèi)溫度與濕度等;遠(yuǎn)程無(wú)線通信設(shè)備采用商業(yè)通用模塊集成到采集儀上,無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商服務(wù)器為數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備,用戶根據(jù)與供應(yīng)商的相關(guān)協(xié)議,通過(guò)有線或無(wú)線的方式從服務(wù)器中讀取數(shù)據(jù);用戶終端計(jì)算機(jī)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)面向用戶的界面,不僅存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),而且根據(jù)自主開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理、識(shí)別與圖形化顯示和裂縫寬度、環(huán)境溫度、濕度以及風(fēng)速等的計(jì)算,從而判斷數(shù)據(jù)是否異常,對(duì)于異常數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警,并提醒用戶進(jìn)行后續(xù)處理[5].
該工程位于南京地鐵2號(hào)線雨潤(rùn)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(jiàn)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(jiàn)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(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分2個(gè)階段實(shí)施:第1階段位于K3+000至K3+020處,共設(shè)置了10導(dǎo)電涂料條,主要用于測(cè)試監(jiān)測(cè)元件設(shè)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(yùn)轉(zhuǎn)的長(zhǎng)期可靠性;第2階段的8條導(dǎo)電涂料和溫度、濕度、風(fēng)速傳感器設(shè)置在K3+600至K3+612處,主要用于驗(yàn)證傳感元件能否對(duì)裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè),識(shí)別出裂縫的發(fā)展趨勢(shì),分析環(huán)境因素對(duì)裂縫監(jiān)測(cè)的影響規(guī)律.
圖16 拱頂?shù)膶?dǎo)電膜測(cè)點(diǎn)
圖17 拱肩的導(dǎo)電膜測(cè)點(diǎn)
通過(guò)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在監(jiān)測(cè)期間導(dǎo)電膜電阻值穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)報(bào)警情況,現(xiàn)場(chǎng)接觸檢測(cè)裂縫沒(méi)有擴(kuò)展,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新裂縫出現(xiàn),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)很好地反映了實(shí)際情況.信號(hào)無(wú)線傳輸會(huì)出現(xiàn)短暫或一段時(shí)間的數(shù)據(jù)缺損,主要原因可能是環(huán)境屏蔽干擾導(dǎo)致.
研制了低成本且對(duì)裂縫敏感的導(dǎo)電涂料,實(shí)現(xiàn)了隧道裂縫早期大范圍監(jiān)測(cè).實(shí)例工程證實(shí):通過(guò)基底平整性和封閉性處理,利用專制輥輪進(jìn)行輥涂確保了導(dǎo)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(dǎo)電膜的長(zhǎng)期耐久性.
為進(jìn)一步完善該系統(tǒng),下一步擬研究將變形、沉降等監(jiān)測(cè)元件接入到該系統(tǒng),從而解決信息無(wú)線傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)間斷性缺失等問(wèn)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(shù),2009(4):75-77.
[2] 陳 偉,張會(huì)堂.炭黑-石墨導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性能之影響因素的試驗(yàn)研究[J].炭素技術(shù),2003(2):25-27.
[3] 楊 超,王云善,郭金山,等.環(huán)境友好型氟碳導(dǎo)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(dǎo)電膜電阻拉敏效應(yīng)的混凝土裂縫分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].巖土力學(xué),2009,30(6):1 861-1 861.
(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))
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(shè)計(jì)院工程師,主要從事城市地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)信息化和城市軌道交通運(yùn)營(yíng)信息化研究
趙啟林(1972-),男,江蘇淮安人,中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)副教授,博士后,主要從事公共結(jié)構(gòu)安全研究.