水泥基碳纤维传感器 在土木工程的应用探讨 大型土木工程结构和重要基础设施在长达多年，经历 环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应和突变 效应等灾害因素的共同作用下将不可避免地出现结构系统 的损伤累积和抗力衰减，从而导致抵抗自然灾害甚至正常 环境作用的能力下降，并且有的构件损伤可能扩展很快， 极端情况下容易引发灾难性的突发事故。例如，２００１年巴 西Ｈｅｉｄｒｕｎ海洋石油平台破坏倒塌，２００４年法国巴黎夏 尔・戴高乐机场屋顶部分坍塌，２００６年俄罗斯莫斯科鲍曼 市场屋顶几乎全部坍塌等等。这些事故不仅造成重大的人 员伤亡和财产损失，而且造成恶劣的社会影响。 为了保障结构的安全性、完整性、使用性与耐久性， 已建的重大工程结构和基础设施急需采用有效的技术手段 检测和评定其安全状况，并及时修复和控制结构损伤：对 新建的大型结构和基础设施应总结以往的经验和教训，在 工程建设的同时安装长期的结构健康监测系统，以监测结 构的服役安全状况，同时为研究结构服役期间的损伤演化 规律提供有效和直接的试验平台。因此，重大工程结构的 健康监测已经成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方 向。 １．水泥基碳纤维传感器材料及制作方法 １．１电极及导线 电极：将废旧的电脑数据线拨开，抽出铜丝制成电 极，并且在电极外面镀上锡，防止其长期放置在空气中被 氧化。 导线：普通多股铜芯线。 １．２碳纤维毡材料 实验采用材料为桐乡市蒙泰增强复合材料有限公司生 产的ＰＡＮ基碳纤维毡（规格ｌＯｇ／ｍ ），其主要技术参数如 表１。 名称 。‘ 指标 单位面积质量（ｇ／ｍ ） １Ｏ 纵向拉伸强度（Ｎ／ＳＯｍｍ）（未浸胶） ≥１５ 纤维直径（ｍ） ７．０Ｏ±２ 含水率（％） ≤０．５ 含胶率（％） ７—１２ 纤维密度（ｋｇ／ｍ。） １７００ 单纤维模量（ＧＰａ） ２００ 表１碳纤维毡的技术参数 １．３碳纤维毡材料制作方法 麓黄敏宋鲁侠刘恒俊 将碳纤维毡裁剪成２０ｍｍ×ｌＯＯｍｍ的长方形薄片，另外分别 将四个电极用导电银胶粘贴于碳纤维毡表面作为电极，等 １２ｈ后银胶完全固化。采用银胶粘的目的是降低自制电极与碳 纤维粘结处的接触电阻。为了防止电极长期放置在空气中被 氧化，在自制的电极表面镀上锡。因碳纤维毡很薄，容易变 形折断，用５０２胶将碳纤维毡的两端固定在一张３０ｍｍ× １２０ｍｍ的中空长方形纸条上，以便对其进行操作，在整个制样 过程中要防止碳纤维毡被折或被扭，制成如图ＩＮ示的试样。 图１ 碳纤维毡拉伸试样图 将铺设有水泥基智能表层的混凝土试件置于三点弯曲夹 具上，在夹具和试件之间垫张白纸保证电绝缘，用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ２４００可编程数字电源向水泥基智能表层两端供２０ｍＡ直流恒流 电流，用Ｉｎｓｔｒｏｎ５８８２电子万能材料试验机给试件加载使其产 生弯曲变加载速率ｉＫＮ／ｍｉｎ。具体如下图。 ｆ＿Ｉ口ｌ一、 、２ｊ『ｑ一 ２．结果讨论 ２．１电阻变化率与平均应变的关系 一ｌ Ｏ ２ｏｏ ４００ ｘ｛ 图２ 水泥基智能表层受压工况下各段的电阻变化率 Ｏ ２０Ｏ ４００ ，ｍｍ 图３ 水泥基智能表层受压工况下各段的电阻变化率 通过这２个图可以看出，水泥基智能表层受压时电阻 减小，随着载荷的增加，电阻变化率也成比例减小；水泥 基智能表层受拉时电阻增加，随着载荷的增加，电阻变化 率也成比例增加。水泥基智能表层表现出良好的压敏性。 ２．２智能层的静态特性 从电阻变化率及平均应变关系可以得出，灵敏度。当 水泥基智能层受压时，各段灵敏度大约为２Ｏ－－３０，其灵敏 度远大于电阻应变片的灵敏度２。 在弹性阶段，各段电阻变化率随载荷的变化是可逆 的，且重复性很好。水泥基智能层良好的静态特性。 ２．３小结 从影响碳纤维毡电导率的因素来分析碳纤维毡电阻随 变形所发生的变化，给碳纤维毡施加单调拉伸，直到最后 破坏；在增幅、等幅循环载荷下，研究碳纤维毡的变形与 电阻之间的变化规律；为进一步研究碳纤维毡的导电机 理，对其通电处理后，在等幅循环载荷作用下研究其变形 工程技术 ｒ ？ ｌ， ｌ Ｉ２ｊｆ ｑ 鞣孥 与电阻之间的变化规律，探究碳纤维毡的传感机理。 研究结果表明：碳纤维毡作为传感器的灵敏度可达到 ２００多，远高于应变计的灵敏度；影响其电导率大小的因素包 括纤维接触数目、接触电阻、间隙大小和网络形成等因素， 碳纤维毡导电网络已经形成，接触数目大，整个电阻变化规 律比较平稳。而在阈值范围内，导电网络刚形成，搭接间隙 大，接触点少，因此，接触电阻与间隙大小对电导率影响 大。通电处理后，电流产生热量，纤维外表面的化学胶合剂 粘结更稳定，因此，通电处理后碳纤维毡的电性能更稳定。 从而得出下面结论： 智能层与传统的传感元件相比，主要区别在于： （１）与结构材料（普通混凝土）的相容性： （２）传感材料的广覆盖性与观测数据的完备性（区别于 离散传感器）： （３）耐久性与经济性。 智能层与离散型智能夹层相比，主要区别在于： （１）通过其功能特性，可实时感知结构的应变响应，并 将这种将应变场响应转化为易于检测的电场； （２）碳纤维智能层具有良好的电性能，可利用电阻率层 析成像方法，使监测结呆图像化、可视化； （３）它不是以“点”的检测信息来识别其邻域或结构域 的性能，而是通过以敏感“场 信息对服役结构特性进行诊 断识别。 ３．水泥基碳纤维传感器在土木工程中的研究与应用展望 把智能材料结构系统应用于传统的土木工程结构的健康 检测与诊断是一个崭新的研究领域．它彻底地改变了土木工 程结构传统的以人工目视检查为主的检测手段，使检测技术 进入了自动化和职能化的研究领域。利用其功能特性和导电 性，将结构的应变或者应力转化为智能层的易于检测的电参 数，结合电阻率层析成像技术，实现土木工程结构场域监测 的可视化。它不仅能给古老的土木工程学科带来勃勃生机， 而且也具有重大的科学意义和社会效益。 （作者单位：黄敏，湖北工业大学土建学院；宋鲁侠， 湖北省建筑材料工业研究设计院；刘恒俊，阳新县恒博水利 勘测设计院）