损伤感知的新路径——钢桥病害智能监测的三维随形涂层传感技术

钢桥具有跨越能力强、工业化制造程度高、绿色环保等突出优点,是下阶段我国交通强国战略基础设施建设的重点。但近年来由疲劳开裂、腐蚀等导致的钢桥结构病害、服役性态退化甚至垮塌问题日趋严峻,已成为交通基础设施的重大风险源。当前以人工巡检为主的钢桥病害监测技术精度差、效率低、漏检率高,难以支撑钢桥高品质安全服役的迫切需求。

针对上述问题，研究团队经多学科交叉协同，以纳米涂层传感新材料为切入点，研制了一种空气喷涂式的涂层传感材料和涂层结构，并研发了适用于智能监测的三维涂层传感器及配套的传感数据采集设备，为钢桥病害和性态感知与监测提供了全新的技术路径。

作为一种导电复合材料，涂层传感材料的原料选择是智能涂层传感器研究的基础，直接影响传感器的基本性能。团队研发的涂层传感材料由导电填料、成膜基质、溶剂、助剂等成分组成，通过空气喷涂方式制成传感器。

为确保导电填料在传感涂料中均匀分散，首先制备了硅烷偶联液的水解液。偶联剂、导电填料与聚合物的反应机理，见图1。

图1 偶联剂、导电材料和助溶剂反应机理示意图

使用工业酒精清洗金属基材表面，再用蒸馏水冲洗基材表面，并通过在金属基材表面布设的镂空防水贴纸，制备涂层传感器。首先， 制备绝缘层，在其上布设传感层，待传感层固化后喷涂封装层。

图2 涂层传感器制备工艺示意图

制备过程中，需在导电填料中形成电子流动的“隧穿效应”。导电填料形成连续的导电网络为实现良好导电性能的关键，该网络通常在导电填料的掺量超过特定的渗流阈值时形成，此时填料微粒间的接触足以构建起一个电子可以自由流动的导电通路网络，其导电机制示意如图3所示。

图3 传感材料电路等效示意图

图4反映涂层传感材料的导电机理。通过扫描电子显微镜对制备的不同导电填料含量下的微观结构进行观测（图5）。

图4 涂层传感材料系统 微观结构示意图

(a) 导电填料不足时平面扫描图

(b) 导电填料适中时平面扫描图

图5 不同导电填料掺量下的 涂层传感材料SEM图

因桥梁结构一天中的温度变化较大，裂纹监测过程中，温度的起伏会使涂层传感材料电阻也随之改变，从而可能淹没因疲劳开裂、腐蚀等导致的电势变化。为确保涂层传感材料不因温度的波动引起监测失效，开展了温度敏感性测试。团队自主设计了一套试验测试系统来测量涂层传感材料试样在不同温度下的电阻率变化，其实验装置及电路组成如图6所示。将涂层传感材料试样置于温控箱内，通过温控箱施加的温度荷载模拟该材料的温度环境。温度变化范围为室温（RT）～110℃，速率为5℃/min。在该材料试样背面固定热电阻温度传感器探头，并将其连接到温度数据采集卡上，以监测实验过程中的温度变化。试验过程中的所有监测数据通过导线同步传输到计算机。

(a) 试件与涂层传感器实物图

(b) 试验系统组成及试件布置 

(c) 系统电路组成

图6 电性能的温度敏感性试验测试系统

对涂层传感材料的温度循环稳定性进行试验。该试验包括了循环温度范围在室温至70℃内的5次升温－冷却循环。图7描述了涂层传感材料的相对电阻率变化（FCR）对温度的响应结果。

(a)试验现场

（b）电阻和表观长期观测结果

图 7 试件阻值试验观测统计

试验结果表明，对于第一次温度循环，当温度从室温升高到70℃，传感层相对电阻率在45℃附近达到最大值1.82%；当温度由70℃降至室温时，因冷却过程中聚合物基体体积的缓慢收缩致使导电填料接触增多，传感层的相对电阻率呈下降趋势，在第一次温度循环后，试样的电阻率并未完全恢复到初始值，相对电阻率下降为2.8%。这种轻微的滞后现象，可能源于助剂聚合物在升温过程中的热熔收缩致使复合材料内部导电网络无法逆转。

第二次温度循环的变化趋势与第一次循环过程类似，但整个过程的宽度变窄，该循环的相对电阻率滞后仅为1.2%，表明在第二次温度循环作用下，涂层传感材料的相对电阻率变化趋于稳定。此后的3次温度循环，相对电阻率变化（FCR）无明显滞后，并且循环曲线细长，这意味着在温度循环作用下，与特定温度水平相对应的涂层传感材料的电阻率变化值相对恒定。此外，在第3～5次温度循环作用下，在升温-降温过程中仍存在轻微的相对电阻率波动现象，FCR最大范围不超过2%。在温度范围为室温至70℃的循环加载期间，该材料的相对电阻率变化最大范围不超过6.4%。然而，通过1～2次合适温度范围的升温－降温处理，可以有效降低涂层传感材料相对电阻率变化（FCR），并显著降低该材料电阻的温度敏感性。

钢结构桥梁服役年限长，且暴露于较为复杂的气候环境，对于涂层传感材料的稳定性和耐久性提出了更高的要求。团队自主设计了一种环境耐久试验仓以测量涂层传感材料在大气暴露环境下电性能随时间的变化情况并观察涂层表面腐蚀状况，其户外试验布置如图8所示。试样表面均匀喷涂涂层，并在表面制作接线端子以便于电性能测试。

通过系列疲劳试验验证了涂层传感器监测疲劳裂纹的准确性和可靠性。在此基础上通过试验验证了温度变化对钢结构基体疲劳裂纹监测过程的影响问题。加载及测试系统如图8（a）所示。该试验在室温、空气环境中进行，采用红外加热板为试验提供温度干扰。将热电阻固定在试件背部，由温度采集卡同时采集涂层传感器周围环境温度变化。温度干扰与加载时间的关系如图8（b）所示；变环境温度下疲劳裂纹监测试验完成前后的试件涂层裂纹形貌如图8（c）所示，可发现在整个试验过程中，涂层与金属基材保持良好的随附损伤特性，涂层未因为温度干扰以及裂纹加载出现局部剥脱或脱离基体的情况，裂纹未通过区域的涂层也未因疲劳加载而造成开裂。

（a）加载及测试系统

（b）温度干扰施加流程

（c）涂层传感器输入输出信号布置

图8 温度与荷载环境干扰试验

图9展示了涂层传感器在3个温度干扰范围内的输出电位(OP)。可以看出，因受输入信号波动、数据采集偏差和试件加载等因素影响,传感器数据在放大后出现一定波动。当循环加载到6分钟，且试样表面无裂纹出现时，施加第一次温度扰动，其最高温度为83.7℃。通过第一次温度干扰输出信号细节放大图（图9(a)）可发现，测试点处的OP在升－降温过程中有微小波动，波动值不超过0.8 mV，而由循环温度引起的OP变化的振幅为2.4mV，大于由循环加载所引起的OP波动。当试件出现一定长度的明显裂纹后，停止加载并在此期间施加第二次温度干扰，以观察温度干扰对带有裂纹的涂层传感器是否具有显著 影响。此时，观察到CPD为37.98mV，涂层传感器表面裂纹长度为11mm，第二次温度扰动最高温度为62℃。通过第二次温度干扰输出信号细节放大图（图9(b)），找出疲劳裂纹引起的OP1和OP2的变化分别为16mV和54mV，而由循环温度引起的OP最大变化不超过1.4mV，表明由裂纹产生和扩展引起的OP比由循环温度引起的OP大得多。最后，在疲劳裂纹扩展期间，施加第三次温度干扰，最高温度为82.2°C。由循环加载引起的OP波动不超过4.2mV。此时，由循环温度引起的OP最大变化不超过1.8mV，显著小于由裂纹扩展所导致的变化。OP1随着裂纹的扩展而逐渐增加，OP2则逐渐下降，温度变化并未对裂纹扩展过程中的电信号产生明显干扰，如图9(c)所示。

上述结果表明,与裂纹引起的输出信号变化相比,环境温度变化对涂层传感器输出信号的影响很小。因此,本文制备的涂层传感材料适用于钢结构桥梁裂纹检测涂层传感器,可以有效监测钢结构桥梁在不同温度环境下的裂纹。

(a) 第一次温度干扰

(b) 第二次温度干扰

(c) 第三次温度干扰

图9 温度干扰范围内输出电位 (OP) 放大图

针对疲劳微损伤检查难、损伤演变全过程监测难等问题，团队研发了基于纳米涂层材料的多种疲劳损伤感知传感器，搭建了基于涂层传感器感知裂纹的智能监测系统。通过系列试验，揭示了涂层材料的随附损伤特性和随裂纹扩展的电势场演化机理，验证了所提出的涂层传感器感知裂纹萌生和扩展的有效性。研究结果表明，所研发的纳米涂层传感器感知精度高，可感知亚毫米级的疲劳裂纹，为疲劳裂纹的“早发现、早处置”和有效规避因疲劳开裂导致的结构安全风险提供关键技术支撑，如图10所示。

图10 基于纳米涂层的疲劳裂纹扩展感知与监测技术

以此为基础，进一步拓展其适用范围，开展了不同复杂构造部位疲劳裂纹扩展萌生与监测试验，进一步验证了其三维随形的广泛适用性和可行性，如图11所示。

图11 三维随形涂层传感器应用与试验验证

团队设计了一种腐蚀监测涂层传感器，仅由绝缘层和敏感层组成，制备方法与前述传感器保持一致，仅对涂层材料进行专门设计，通过涂层导电性能与腐蚀间的关系实现对钢结构表面腐蚀情况的实时监测和预警。图12展示了暴露在大气环境下时，涂层材料中铜的腐蚀过程。

图12 大气环境下的涂层腐蚀示意图

电阻层析成像 (Electrical Resistance Tomography，ERT) 技术探测涂层传感器感应层的表面电阻率分布的变化，并识别出潜在的腐蚀区域。通过对边界电压（电势差）的测量和分析，ERT可以生成具备空间位置信息的电阻率分布图像，清晰地表征出腐蚀区域的位置和程度。为实现ERT技术在智能涂层传感器上的实际应用，团队设计并构建一个完整的ERT系统，包括电极阵列的布置、对应激励模式的激励测量控制、数据采集系统的搭建以及图像重建算法的开发。使用快干胶将电极终端与纳米涂层的边界连接并固定，用密封剂固定和密封终端。确定涂层的暴露部分，并用透明密封剂密封剩余部分。制备完成的试件见表1。

表1 涂层试件示意

团队参照《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》中的相关方法，配制中性盐雾腐蚀试验溶液，并采用连续喷雾的方式开展盐雾腐蚀试验。经过盐雾腐蚀箱加速腐蚀后，涂层试样暴露区域中的导电填料被腐蚀并转化为金属化合物，形成盐基膜覆盖在涂层表面。涂层试件经过干燥后，在腐蚀区域整个涂层的电导率分布发生重大变化，使其电导率显著降低甚至丧失导电性能。因此，利用ERT技术重建涂层的电导率分布图像，并反向推断实际的腐蚀区域。反演得到的电导率分布被绘制成云图，为便于对比，前后腐蚀图像的电导率分布发生变化，将色标进行统一设置。由于涂层的实际电导率不能为负值，故将色标的最小值设为0，而反演所得的电导率的最大值被设置为色标的最大值，试验结果如图13所示。

图13 试件腐蚀前、后电导率分布，及实际腐蚀样貌

（表面电导率单位：S）

就整体试验结果而言，将ERT技术应用于涂层传感器进行腐蚀监测时，对腐蚀区域分布位置、形状特征、面积大小的识别均具有较高的可靠性，适用于对腐蚀起始期的预警，以及对腐蚀发展期的监测与评估。

针对复杂部位应变监测，团队研发的柔性应变传感器由绝缘层、传感层和保护层组成。与前文所述在材料上保持一致，但配比有所变化。为实现高精度的信号采集和输出，传感器的电路设计采用四电极法，其中恒定电流输入传感层，采集卡实时记录输出电压的变化，实验结果表明电压信号的变化与传感层所受的应变呈线性关系，确保传感器在不同电流输入条件下具有高精度、低噪声的信号输出性能。最后，通过一系列初步加载试验，验证了传感器的基本性能,如图14所示。试验结果(图15)表明该传感器在平面应变监测中具有高灵敏度，并表现出良好的信号稳定性和一致性，不受环境温度及加载重复性的显著影响。

图14 应变试验测试

为验证纳米涂层传感器在钢桥疲劳裂纹表征中的监测能力和方法的正确性,在服役钢桥上加以验证和应用。根据桥梁实际工况和施工便捷性,监测中选用方块式涂层传感器，并选择了母材和焊缝两处已开裂的关键部位进行布置，以提高裂纹扩展监测的效率和准确性。母材测点的涂层尺寸为50mm×50mm。焊缝测点的涂层尺寸为150mm×50mm。为便于工程应用，测点设计为可粘贴式导线和接头结构，方便与数据采集卡快速连接，并通过无线传输设备将实时采集的裂纹扩展数据上传至服务器，实现远程数据监控与分析。应用结果表明，涂层传感器在母材和焊缝裂纹扩展监测中均表现出较高的精度和适应性。

两典型测点的电势差U12变化过程展示了70天的监测数据。研究结果表明：（1）对于母材部位裂纹已扩展，已浸入涂层的初始裂纹长度从4mm扩展到15mm，涂层电势差变化U12约为64mV，信号变化明显；（2）因车辆荷载、环境温度等导致的涂层电势变化约为0.5mV，与裂纹扩展导致的电势变化存在数量级差异，外界环境对涂层监测裂纹扩展基本无干扰；（3）实际裂纹扩展测试值与理论值吻合良好；（4）裂纹方向监测表明其从涂层左侧扩展，与实际一致；（5）对于焊缝部位，实际观测中裂纹并未扩展，电势信号受外界环境干扰影响极小，其波动幅值仅为0.15mV；（6）裂纹扩展过程中，涂层始终与钢桥基体同时扩展且无起皮脱落等情况，涂层随附损伤性较好。总体而言，该方法可有效监测实际复杂服役环境中的疲劳裂纹扩展过程。

笔者团队所研制的适用于智能监测的三维涂层传感器及配套的传感数据采集设备，实现了钢桥病害的长期监测，并将研究成果在腐蚀感知和应变监测等应用领域进行了成功拓展，为钢桥和其他材料桥梁的病害感知或监测提供了成套技术解决方案。

图15 应变测试结果