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提要： 本团队针对危害在役钢桥服役安全的开裂、腐蚀等典型病害监测难题，从迫切需求出发，多学科交叉协同，以纳米涂层传感新材料为切入点，研发了一种空气喷涂式的三维随形纳米涂层材料和涂层结构，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，实现了钢桥病害的长期监测，具有广阔的推广应用前景。其主要特点和功能有： （1）布设便利：三维随形纳米涂层材料成熟、稳定，可喷涂成型或3D打印成型； （2）鲁棒性高：能够有效避免温漂问题，耐久性好，桥梁服役环境下长期稳定好； （3）适用性好：适用于结构钢、混凝土、金属材料、木材等多种材料结构的监测； （4）精度高：亚毫米级精度，能够实现从亚毫米到厘米级裂纹扩展全过程高精度监测； （5）拓展性好：适用于隐蔽部位钢表面腐蚀状态监测，可重构腐蚀范围和测算腐蚀面积；可用于刚度突变等复杂构造部位的循环应变监测，应变监测最大可达1600微应变。 0 引 言 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中之重。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。《交通强国建设纲要》、《“十四五”交通领域科技创新规划》中明确要求强化交通基础设施性态精准感知和监测检测。研发钢桥病害监测传感技术，构建疲劳裂纹扩展失效全过程的有效表征和感知方法，实现钢桥病害的智能监测，有效规避钢桥服役性能大幅劣化和灾难性事故风险，是我国交通强国建设和交通领域科技创新的战略需求。 针对上述问题，本团队从迫切需求出发，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，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。 1 感知材料的制备与性能试验 1.1 三维随形涂层传感材料制备 涂层传感材料作为一种导电复合材料，其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。本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。最后，通过空气喷涂方式完成传感器的制备。图2展示了具体的制备工艺。 为了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。将硅烷偶联剂与蒸馏水混合并充分搅拌，在室温环境(25℃)下放置4~6个小时后便得到硅烷偶联剂水解液。图1显示了偶联剂、导电填料与聚合物的反应机理示。  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，此后用蒸馏水冲洗基材表面。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的示意图 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是实现良好导电性能的关键，这种连续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展示了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，如图5所示。  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 (b) 导电填料适中时平面扫描   (c) 导电填料不足时断面扫描 (d) 导电填料适中时断面扫描 图5不同导电填料掺量下的涂层传感材料SEM图 1.2 温度敏感性试验 因桥梁结构一天中的温度变化较大，裂纹监测过程中，温度变化会导致涂层传感材料电阻也随之变化，从而可能淹没因疲劳开裂、腐蚀等导致的电势变化。为了确保涂层传感材料不因温度变化导致监测失效，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用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涂层传感材料的温度环境。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。采用直流稳压电源为试验电路供电。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) 试件尺寸 (b) 试件与涂层传感器实物图 (c) 试验系统组成及试件布置 (d) 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了试验。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。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FCR在45℃附近达到最大值1.82%；当温度由70℃降至室温时，传感层的相对电阻率呈下降趋势，这是由于在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。在第一次温度循环后，试样的电阻率并没有完全恢复到初始值，相对电阻率FCR下降为2.8%。这是一种轻微的滞后现象，滞后的原因可能为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。对于第二次温度循环，其变化趋势与第一次循环过程类似，但整个循环过程的宽度变窄，该循环的相对电阻率滞后仅为1.2%。这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。此后的三次温度循环，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，可以注意到，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增加-降低现象，相对电阻率变化FCR最大范围不超过2%。在温度范围为室温~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，在本节中更重要的发现是，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的变化FCR，这会显著降低涂层传感材料电阻的温度敏感性。 图7 温度循环下涂层传感材料的FCR与温度关系 1.3 长期耐久稳定性试验 钢结构桥梁服役年限长，且暴露于较为复杂的气候环境，这对于涂层传感材料的稳定性和耐久性提出了更高的要求。通过封装层材料的合理设计确保传感器的耐久性。团队自主设计了一种环境耐久试验仓用来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方便电性能测试。长期测试结果表明，在外界恶劣环境下，其长期性能基本保持稳定，可满足实际桥梁运营要求。 (a)试验现场 (b)试件情况 （c）电阻和表观长期观测结果 图 8 试件阻值试验观测统计 1.4 外部环境干扰影响 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9（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9（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9（c）所示，可以看出整个试验过程中，涂层与金属基材保持了良好的随附损伤特性，涂层没有因为温度干扰以及裂纹加载出现局部剥脱或者脱离基体的情况，裂纹未通过区域的涂层也没有因为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及裂纹形貌 图9 温度与荷载环境干扰试验 图10展示了涂层传感器在三个温度干扰范围内的输出电位(OP)。可以看出，传感器数据在放大后有一定波动，这是由于输入信号波动、数据采集偏差和试件加载等因素造成。当循环加载到6分钟，并且试样表面没有裂纹出现时，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10 (a)）可以发现，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2.4 mV，大于由循环加载引起的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10 (b)），可以注意到，疲劳裂纹产生引起的OP1和OP2的变化分别为16 mV和54 mV，而由循环温度引起的OP最大变化不超过1.4 mV。这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4.2 mV。此时，由循环温度引起的OP最大变化不超过1.8 mV，显著小于由裂纹扩展引起的变化。OP 1随着裂纹的扩展而逐渐增加，OP 2逐渐下降，温度变化并没有对裂纹扩展过程中的电信号产生明显干扰。如图10 (c)所示。 (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10 温度干扰范围内输出电位 (OP) 放大图 上述结果表明，与裂纹引起的输出信号变化相比，环境温度的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。 2 涂层的裂纹感知性能 2.1 疲劳裂纹感知 针对疲劳微损伤检查难、损伤演变全过程监测难等问题，本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，提出了裂纹萌生和扩展过程中纳米涂层传感器电势场理论模型，并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，最小可感知亚毫米级的疲劳裂纹，为疲劳裂纹的“早发现、早处置”和有效规避疲劳开裂导致的结构安全风险提供了监测检测关键技术支撑，如图11所示。 图11 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12所示。 图12 三维随形涂层传感器应用与试验验证 2.2 腐蚀状态监测 本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，制备方法与以上传感器保持一致，仅在涂层材料进行专门设计，通过涂层导电性能与腐蚀的相关关系实现对钢结构表面腐蚀情况的实时监测和预警。图13展示了暴露在大气环境下时，涂层材料中铜的腐蚀过程。 图13 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，进而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，本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，具体可以参考本团队相关研究论文。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。制备完成的试件如表1所示。 通过盐雾腐蚀试验来腐蚀涂层传感器中所设计的暴露区域。盐雾腐蚀试验参照《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进行试验。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，整个涂层的电导率分布在腐蚀区域发生重大变化，腐蚀区域的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，为方便对比前后腐蚀图像的电导率分布变化，将色标进行统一设置。由于涂层的实际电导率不能为负值，因此色标的最小值被设置为0，而反演得到的电导率的最大值被设置为色标的最大值，试验结果如图14所示。 图14 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） 从整体试验结果来看，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进行预警，以及对腐蚀发展期的监测与评估。 2.3 复杂部位应变测试 针对复杂部位应变监测，本团队设计研发了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。为了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，验证了该电路设计的可靠性，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15所示。试验结果如图16所示，结果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，不受环境温度和加载重复性的显著影响。这部分研究不仅证明了传感器设计与制备的可行性，还为后续试验研究和实际工程应用奠定了坚实的基础。 图15 应变试验测试 图16 应变测试结果 3 工程实践 (a) 母材测点 (b) 焊缝测点 图 17 测点现场布置图 两典型测点的电势差U12变化过程如图18所示，图中仅展示了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扩展至15mm，扩展长度为11mm，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，实际观测中裂纹未扩展，电势信号波动幅值仅为0.15mV，其电势信号受外界环境干扰影响极小；（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。 (a) 母材测点 (b) 焊缝测点 图18 疲劳裂纹扩展监测结果 4 结 论 针对危害在役疲劳服役安全的开裂、腐蚀等典型病害监测难题，从迫切需求出发，多学科交叉协同，以纳米涂层传感新材料为切入点，研发了一种空气喷涂式的三维随形纳米涂层材料和涂层结构，研制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，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。 （1）基于空气喷涂式的纳米涂层传感器，实现了对微小裂纹的早期识别和裂纹扩展的高精度感知，三维随形特征更是适用于任意三维复杂结构的裂纹监测，监测精度高，受车辆荷载等干扰小，温度敏感性低，避免了传统传感器“温漂”问题； （2）结合电阻层析成像（ERT）技术的智能涂层传感器则通过实时监测涂层表面电阻率分布变化精准识别腐蚀区域的位置和范围，具备高分辨率和可靠性，为钢桥腐蚀的早期预警和发展监测提供了重要技术支持； （3）压阻式柔性复合材料涂层传感器利用复合材料的压阻效应监测应变，具备高灵敏度和良好的重复性，尤其适应不规则表面和应变梯度较大的部位，其灵敏性能在传感层结构优化后得到了显著提升。 本团队在该领域已发布的部分相关研究成果： [1] 崔闯, 邵少兵, 郑秋松, 等. 钢桥疲劳裂纹扩展监测的纳米涂层传感表征方法[J/OL]. 土木工程学报, 1-13[2024-12-09]. https:///10.15951/j.tmgcxb.24020134 . [2] Zhang Q H, Chen J, Huang Q B, Shao S B, Cui C. Performance and Characteristics of Sprayed Flexible Sensor for Strain Monitoring of Steel Bridges[J]. Structural Control and Health Monitoring, 2024, 2024(1): 2966457. [3] Li Q, Cui C, Huang Q B, Chen J, Zhang Q H, Xia S. Sprayed piezoresistive flexible composite coating sensor for measuring strain measurement in steel structures[J]. Case Studies in Construction Materials, 2023, 19: e02509. [4] Zhang X, Cui C, Chen J, Shao S B, Zhang Q H. Electrical properties of low temperature-sensitive coating sensor for fatigue crack monitoring in steel bridges[J]. Construction and Building Materials, 2023, 406: 133422. [5] Xu W, Cui C, Luo C K, Zhang Q H. Fatigue crack monitoring of steel bridge with coating sensor based on potential difference method[J]. Construction and Building Materials, 2022, 350: 128868. [6] Shao S B, Cui C, Chen J, Xu S J, Zhang Q H. A sprayed grid coating sensor for the quantitative monitoring of fatigue cracks in steel bridges, Journal of Civil Structural Health Monitoring, accepted. [7] 崔闯, 张清华, 陈俊, 等. 一种基于3D打印技术的智能涂层传感器制备方法及系统[P]. 四川省: CN202410074235.9, 2024-06-21. [8] 崔闯, 张清华, 曾杰, 等. 一种桥梁钢结构的腐蚀监测系统、腐蚀监测方法及介质[P]. 四川省: CN202310682067.7, 2023-10-27. [9] 张清华, 崔闯, 张宇杰, 等. 一种用于正交异性钢桥面板的涂层传感器[P]. 四川省: CN202310675837.5, 2023-10-10. [10] 崔闯, 李晴, 张清华, 等. 一种钢桥焊缝应变测试的测试装置及其制作方法[P]. 四川省: CN202310741910.4, 2023-11-10. [11] 张清华, 崔闯, 欧志攀, 等. 一种基于智能涂层的桥梁钢结构监测系统[P]. 四川省: CN202010637206.0, 2020-11-06. 原创文章 版权所有 欢迎转发 学术观点 如有讹误 敬请指正 作者简介：
张清华，博士，教授，博导，西南交通大学钢结构桥梁疲劳研究方向带头人和研究团队负责人，四川省学术与技术带头人，中国钢结构协会钢结构杰出人才奖获得者。兼任中国钢结构协会桥梁钢结构分会副理事长、中国钢结构协会焊接与连接分会副理事长、中国钢结构协会专家委员会专家委员、《中国公路学报》编委等。目前主要从事钢桥服役性态和结构安全问题研究，在钢桥智能建造和疲劳性能调控、疲劳失效机理与性能提升、结构性能智能监测和感知等方面取得系统性研究成果。近年来主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等课题100余项，研究成果在常泰过江通道、深中通道、港珠澳大桥等重大桥梁工程中得到成功应用。以第一完成人获得四川省科技进步一等奖和中国钢结构协会科技技术进步特等奖各1项，获湖北省科技进步一等奖1项（排名2）、中国钢结构协会科技技术进步一等奖（排名3），获中国公路学会科学技术奖特等奖2项、一等奖1项，中国公路建设行业协会科学技术进步特等奖1项。发表论文150余篇；出版专著4部，参编规范2部，获国家授权发明专利和软件著作权20余项。 崔闯，男，博士/博士后，副教授、博导，四川省学术与技术带头人后备人选。兼任《中国公路学报》、《建筑钢结构进展》、《市政技术》和《交通科学与工程》青年编委和《Sustainability》编委，中国钢结构协会焊接与连接分会理事、秘书长等。主要从事钢桥疲劳失效机制、性能评估和性态演化智能监测检测研究，主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、国家重点研发计划子课题、四川省科技计划项目等17项。发表高水平学术论文68篇（第一/通讯52篇），授权发明专利15件和软件著作权3项，主编专著1部，参编标准3部。研究成果在常泰过江通道、深中通道、港珠澳大桥等60余座重大桥梁工程中实现产业化应用。获四川省科学技术进步一等奖1项（排名2）、中国钢结构协会科学技术特等奖1项（排名2）、中国钢结构协会科学技术一等奖1项（排名1）、湖北省科学技术进步一等奖1项（排名6）、华夏建设科学技术一等奖1项、中国钢结构协会科学技术二等奖1项和中国公路学会科学技术二等奖1项。 |
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