基于柔性導電涂料的橋梁裂縫分布式監測系統

申宇長，朱 浩

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢 430070）

1 工程概述

中馬友誼大橋位于馬爾代夫北馬累環礁（North Malé A－toll），跨越Gaadhoo Koa海峽，連接環礁上馬累島、機場島（瑚湖爾島）和胡魯馬累島3個相鄰島嶼，是馬爾代夫最重要的島嶼連接線工程。項目起點位于馬累島東南角，順接規劃Boduthakurufaanu Magu道路，隨后設置橋梁跨越Gaadhoo Koa海峽，在機場島南端登陸，大橋接線與機場到胡魯馬累島（Hulhu malé）規劃路順接。

項目路線全長約2 km，為雙向4車道公路，主要包括一座長1390 m的跨海大橋，主橋孔跨布置為100 m+180 m×2+140 m+100 m+60 m，長760 m；馬累島側引橋孔跨布置為3×30 m+3×30 m+6×30 m+6×30 m，長 540 m；機場島側采用一聯3×30 m布置，長90 m。大橋設置2個單向通航孔，通航凈寬70 m，通航凈高為12 m，設計時速60 km/h。橋梁共計27墩臺，149根鉆孔灌注樁。

2 實時監測的重要性

中馬友誼大橋施工具有“六高、六大、六長”等不利因素，主橋V構混凝土強度、耐久性要求高、易受溫度、鹽度和濕度的影響，現場施工控制難度大；施工過程中荷載復雜，在自重荷載以及施工荷載的影響下，V腿根部很容易出現開裂。裂縫是混凝土橋梁結構安全狀況最直接的外觀表現方式[1]，但裂縫病害由于細小而難以在早期發現進行控制，往往在發現的時候已經發展得比較嚴重，很多工程的失事都是由于裂縫的不穩定發展所導致的[2]。

主橋V腿根部需監測的混凝土范圍較大，現場混凝土澆筑及預應力張拉時間也相對較長，依靠人工肉眼巡查的方式工作量巨大，難度高，同時存在安全隱患。傳統的振弦式傳感器只能進行點式監測，監測范圍小，安裝時需破壞原有混凝土結構，施工難度較大，光纖傳感器監測成本較高，耐久性也有待驗證。因此選擇一種低成本、監測范圍大、耐久性高、施工簡單方便的方式，對V腿施工過程中裂縫的情況進行實時監測顯得尤為必要。

3 監測方案

3.1 監測方法

柔性導電涂料裂縫監測采用最成熟可靠的電阻測量的方式，利用涂料固化后傳感器電阻隨內部導電粒子間距離有非線性躍變的關系進行裂縫監測，通過現場的采集與無線傳輸系統，可對混凝土結構裂縫的發生與發展實施連續監測和定量評估。固化后的導電涂料傳感器對裂縫的發生異常敏感，裂縫發生時傳感器電阻值會出現躍變現象，一旦裂縫發展超過預設的閾值，監測系統能發出實時預警，避免危害進一步發展擴大。

基于柔性導電涂料的橋梁裂縫分布式實時監測系統具體是將銅片粘貼到橡膠條上，將導線焊接到銅片上，在橡膠條上刷涂一層導電涂料，解決了以往存在的成本高、無法對裂縫寬度進行測量，在裂縫位置確定、裂縫寬度測量等一系列問題上無法有效解決等缺陷。其可根據橋梁監測的需要，選擇埋置的位置及數量，從而實現橋梁裂縫的分布式檢測，大大降低了檢測成本，檢測效率提高，真正實現遠距離、非接觸、實時檢測。與傳統監測技術相比，柔性導電涂料傳感器具有4個特點。

（1）分布式，單個傳感器可感受（2～3）m范圍內任意位置混凝土開裂，監測的有效范圍更大。

（2）環境適應性強，由于裂縫出現與擴展將裂縫位置局部的導電顆粒間距顯著變化，因此裂縫導致的電阻值變化量一般是結構應變、環境溫度導致的電阻變化值的數倍甚至十幾倍，因此采集信息受到環境干擾的程度低，更容易進行裂縫信息的提取。

（3）全過程，導電顆粒位于柔性的膠體，具有良好的柔軟性，傳感器不僅能敏銳地感知裂縫的發生，而且可以準確獲取裂縫擴展直至破壞全過程中的縫寬數據，定量評估裂縫的發展趨勢，真正做到全程監測。

（4）低成本，監測系統采用傳統的電阻值作為識別變量，傳感器與采集儀均是在成熟原材料與元器件上制造成型，成本均為長標距光纖等其他分布式監測方式的50%左右。

3.2 現場實施

為保證在不破壞混凝土結構原有性能的前提下，及時采集到箱梁各階段的相關數據，裂縫監測系統的布設主要采用膠結方式進行，主要過程有6個步驟。

（1）標定。導電膜在拉伸過程中，電阻不斷變大，在安裝前首先對導電涂料傳感器的電阻與應變的變化關系進行標定。通過分析典型導電涂料傳感器標定曲線，可看出該導電膜應變與電阻值變化的線性相關系數R2＝0.9986，兩者為高度線性相關。

（2）選點。在V墩頂板表面關鍵部位選擇測點布置位置，對混凝土表面進行初步打磨，使得布設面基本平整。本橋V墩第一節段結構受力影響最大，是最復雜的斷面，采用涂刷的方式分別在主橋3個V墩第一節段的馬累側、機場側各布置4個點，每個V墩共8個點，每個測點柔性導電涂料長度1.2 m，在V構后續施工過程中進行實時監測。測點分布以20#墩為例（圖1）。

圖1 柔性導線涂料裂縫監測測點分布

（3）表層處理。采用環氧樹脂膠對混凝土表面進行處理，增加導電涂料與混凝土之間的連接性，同時填補結構表面的細小孔洞。

（4）電極安裝。待環氧樹脂膠凝固后，打磨表面，并在兩端粘貼制式電極，方便焊接引線采集數據；

（5）傳感器設置。在設定的區域涂刷導電涂料，待導電涂料凝固后在兩端電極處焊接引線。

（6）系統組成。在V墩施工平臺上安裝導電涂料采集儀，將傳感器端頭引線加固后另一端連接至采集儀，數據通過內置SIM（Subscriber Identity Module，客戶識別模塊）卡無線發送至云端服務器。

3.3 監測數據分析

在節段進行混凝土澆筑時，對V腿根部進行全程監測，通過分析施工時各測點處裂縫監測傳感器電阻值變化情況及電阻變化率發現：①在混凝土澆筑過程中，V腿根部各監測點位處傳感器電阻變化趨勢較為平穩，但由于現場人員及機械施工，導致出現大量＜初始值的測值；②參考初始值對各點位實測值進行電阻變化率計算，發現混凝土澆筑期間，監測部位傳感器電阻變化率基本在2%～11%，各點位變化情況較為一致。

4 監測結論

采用柔性導電涂料涂覆在混凝土構件表面，依靠測試導電膜電阻變化值的大小（即時電阻變化率），可實現對混凝土構件實現對混凝土構件變形、開裂、裂縫發展的實時的分布式監測。通過應用橋梁裂縫分布式實時監測系統，得出3個結論。

（1）通過電阻變化曲線和電阻率變化曲線可知，20#墩V腿混凝土澆筑施工過程中，各測點電阻變化趨勢平穩，且電阻變化率曲線均在15%以內，根據計算公式可知監測部位縫寬均為0 mm，表明混凝土澆筑過程中V墩根部監測部位未出現裂縫情況。

（2）傳感器沿V墩橫向均勻分布，現場實測值反應在澆筑過程中各測點整體電阻變化率趨勢基本一致，相差在5%左右，表明澆筑過程中V墩橫向荷載分布均勻，未發生偏載情況。

（3）導電涂料裂縫監測傳感器大多在內陸地區使用，本次系首次在海洋環境下實施，內陸地區往往通過信號線即可將多點連接至監測采集儀，而海洋條件下相鄰橋墩間很難實現，若采用無線傳輸的方式省去布線的過程，將大大提高工程的便捷性和經濟性。

5 結束語

導電涂膜能即時、準確判斷混凝土構件裂縫出現的時機，電阻變化率的變化與裂縫寬度發展保持同步，能有效地對混凝土構件面區域內變形、開裂、裂縫發展進行監測，并成功應用在中馬友誼大橋施工過程中。導電膜裂縫監測技術在工程中具有較高的實用價值，后續將對裂縫識別、精確定位的機理分析、計算模型等方面進一步研究完善。