基于传感涂层的混凝土裂缝电阻层析成像检测.pdf

无损检测2023年第45卷第8 期8.DOI:10.11973/jc202308002混凝土无损检测专题基于传感涂层的混凝土裂缝电阻层析成像检测朱俊波，赵冠华，向小旭，周小勇（1.中交第二航务工程局有限公司，武汉430 0 40；2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉430 0 7 4）摘要：为验证传感涂层在钢筋混凝土梁电阻层析成像技术（ERT)裂缝检测中的可行性，提高裂缝的ERT检测精度，首先通过试验获得传感涂层力学性能与电学性能的相关性，再将传感涂层用于采集钢筋混凝土梁三点弯曲试验过程中的电势差数据，最后用差分ERT算法对混凝土梁裂缝进行成像检测。试验结果表明，传感涂层的力学韧性及其与混凝土的连接性较好，应变小于0.35%时应变与电导率呈线性相关，裂缝处传感涂层未出现脱离现象，ERT检测的原始数据可靠性较高。差分算法重建图像可提供混凝土裂缝的定性信息，能可视化检测出裂缝的位置及分布形态，较传统的直接ERT混凝土缺陷检测方法精度更高，实用性更强。关键词：传感涂层；差分电阻层析成像；无损检测；裂缝定位；结构工程中图分类号：TU528.07;TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 8-0 0 0 8-0 6Electrical resistance tomography detection of concrete cracks based on sensor coatingsZHU Junbo,ZHAO Guanhua,XIANG Xiaoxu,ZHOU Xiaoyong?(1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan 430040,China;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)Abstract:In order to verify the feasibility of sensing coating in crack detection of reinforced concrete beam byelectrical resistance tomography(ERT)and improve the ERT detection accuracy of cracks,firstly,the correlationbetween mechanical properties and electrical properties of sensing coating was obtained through experiments.Then,the sensing coating was used to collect the potential difference data of reinforced concrete beam during three-pointbending test.Finally,the differential ERT algorithm was used to detect the cracks of concrete beam.The testresults showed that the mechanical toughness of the sensing coating and its connection with concrete were good.When the strain was less than 0.35%,it was linearly related to the conductivity.The sensing coating at the crackdid not appear to be detached,and the reliability of the original data of ERT detection was greatly improved.Thereconstructed image of the difference algorithm can provide qualitative information of concrete cracks,and canvisually detect the location and distribution of cracks.Compared with the traditional direct ERT method,themethod of detecting concrete defects was more accurate and practical.Key words:sensing coating;difference electrical resistance tomography;nondestructive testing;crack location;structural engineering混凝土是一种用途广泛、安全可靠、坚固耐用的建筑材料，具有抗压强度高、热工性能稳定等优点，收稿日期：2 0 2 3-0 5-11基金项目：国家自然科学基金资助项目（42 2 7 7 16 5）作者简介：朱俊波（1993一），男，本科，工程师，主要研究方向为桥梁施工建设与管理通信作者：周小勇（197 8 一），男，博士，副教授，主要研究方向为工程结构仿真分析与无损检测，广泛应用于各类建筑结构上。但混凝土的裂缝会大大加剧混凝土结构性能的过早退化，缩短其使用寿命。目前混凝土损伤检测分为破坏性检测和无损检测，其中无损检测具有非破坏性特点而更加受到青。土木工程中最常用的无损检测方法有超声法1、红外射线法2、探地雷达法3等。近年来电阻层析成像技术（ERT)由于其快速、无辐射、成本低廉、空间可视化的优点，在土木无损检测领域获得了无损检测2023年第45卷第8 期9基于传感涂层的混凝土裂缝电阻层析成像检测朱俊波，等：广泛的关注，其首次应用于医学领域4，并在地球物理勘探领域取得了卓越的成效5。在无损检测领域,HALLAJI等6 将导电铜漆制备的传感皮肤应用于聚合物基材和混凝土梁检测中，提供了关于基材表面的裂缝和其他损伤的定量信息；曲抒旋等7 采用碳纳米管薄膜开发了一种具有在线损伤监测能力的树脂基复合材料并利用ERT对其内部电导率分布变化进行成像，其定位精度达毫米级。混凝土属于大阻抗材料，由于ERT硬件设备和软件算法的局限，混凝土构筑物裂缝的检测存在缺陷图像伪影大、缺陷定位不准确的问题。基于此，提出了一种柔性、可喷涂的水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜传感涂层并将其应用于混凝土梁裂缝的无损检测中，利用该传感涂层与混凝土易和，且随混凝土开裂其内部电导率会发生变化的特点，通过检测涂层电导率分布变化来定位混凝土裂缝位置，实现了混凝土裂缝的检测。1ERT基本原理研究表明碳纳米管（MWCNT)薄膜传感涂层的电阻对施加的应变很敏感8，由于材料的电阻与其电导率直接相关，因此笔者使用低频交流电来激励传感涂层。ERT技术实质上是低频交流电场的逆问题计算，主要包括正问题和逆问题的研究。1.1ERT正问题ERT正问题是在已知被测物体内部电导率分布和激励电流大小及激励方式的前提下，求解边界电压的大小。正问题一般可通过数值解法直接求解，目前求解正问题最常用的方法是有限元法。目前，解决该问题最精确的模型是完全电极模型(CEM)9。在准静态假设下,其包含线性各向同性介质的麦克斯韦方程和边界条件，即对于待检测区域2,有V.(oVp)=0(1)(2)anF2:(3)an式中：V为哈密顿算子；为被测物体的内部电导率；9为被测物体内部的电势分布；Ii和2 为被测对象的边界条件（F1为Dirchlet边界条件，其代表了进行电压测量的电极上的电位；T2为Neumann边界条件，表示注入电流的电极上的电流密度）；为接触阻抗；n为边界i的向外单位法线；S为刚度矩阵；I，为第1个电极上的注人电流；9为对应的电势；N是电极数9在此基础上，采用已知内部电导率。的有限元法求解正问题1.2ERT逆问题在CEM框架内相应的ERT逆问题就是根据一组实测的边界电压数据来反算被测区域内部电导率的分布。但边界电压数据有限，就导致没有足够的信息来确定唯一的方程组的解，绝大部分ERT逆问题都是典型不适定和高度非线性的，即使是很小的测量和建模误差也会引起较大的重建误差10。采用TIKHONOV正则化的单步反演求解器，根据两种状态之间的边界电压变化（V)，重建电导率变化(。),即A=(J TJ+I)-1 JTAV(4)式中：为重建参数；I为重建矩阵；J为雅可比矩阵；JT为雅可比矩阵J的转置。矩阵J的计算采用灵敏度法11，J的每一项（即Jin,k）为测量的边界电压对每个元素的电导率的导数，则有aUTk订J,i,j=l,2,Nel(5)ii，n，don式中：U为电极i和i测得的第k个边界电压；on为第n个元素的电导率。2试样制备与试验方法2.1ERT硬件系统与测量方法对于ERT测量，笔者采用自组装的16 电极ERT系统，ERT硬件系统组成如图1所示，该系统包括：主要用于数据处理和图形显示的计算机；LCR 数字精密电桥（ApplentAT2818型）；提供低恒定交流电流的KEITHLEYModel6221型电流源；用于电压数据采集的KEITHLEY型3706A系统；电极阵列：由不锈钢螺纹杆、导电海绵、弹簧和亚克力板组装而成，用于在试样表面对不同区域进行数据采集。为了提高测量精度，每个不锈钢螺纹杆的头部都贴有导电泡沫，以适应传感涂层的表面；电极均穿过母板的限位孔，以保证电极排列整齐，定位准确；弹簧用于缓冲上部亚克力板所受荷载，使电极均匀受力。根据图像重建方式的不同，ERT技术可分为绝无损检测2023年第45卷第8 期10基于传感涂层的混凝土裂缝电阻层析成像检测朱俊波，等：电极侧面弹宝导电海绵螺母电极正面亚克力板52电极序列3电极416图1ERT硬件系统组成对成像和差分成像12。在差分成像中，电导率的变化是由两种状态对应的电势测量值重建的。差分成像通常是基于ERT非线性观测模型的全局线性化,因此，在本质上，重建往往是定性的，特别是当电阻率的时间变化较大或线性化点选择不佳时。另一方面，差分成像对建模和测量误差的容忍度较高，因此在ERT技术上得到了广泛应用。在该研究中，ERT重建是在差分成像框架内进行的，以试验加载开始前的传感涂层为参考状态进行差分成像。选取相邻模式进行电流刺激和电压测量，电流依次在电极1-2,2-3,3-4，15-16,16-1之间注人，在每一次电流注人后，测量其余电极上的电压。由于接触电阻的存在，驱动电极上的测量电压误差较大，不能作为图像重建的数据源，导致ERT图像重建总共需要2 0 8（16 13）个边界电压测量数。2.2试样制备传感涂层以水性聚氨酯作为分散介质，以纳米硅粉作为增强介质，以碳纳米管作为导电介质，其制备流程为：取碳纳米管于烧杯中，倒人超纯水，采用超声波均质机超声分散得到碳纳米管分散液；加入水性聚氨酯乳液，采用乳化搅拌机高速充分搅拌，转速为2 0 0 0 转/min，得到混合分散液组分；搅拌结束后向混合分散液组分中加人硅粉固体粉末组分再采用乳化搅拌机高速充分搅拌，转速为1500转/min得到固液混合体系；按照质量比1:1分别称取光引发剂与紫外线吸收剂混合试剂，然后将高浓缩消泡液原液、活性稀释剂、分散助剂加入固液混合体系充分搅拌，得到水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合溶液；最后将所得水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉混合溶液加入高压喷枪喷壶中，使用高压喷枪以固定流量、喷口形式将混合溶液均匀喷涂至基体上，静置30 6 0 min后再平放于紫外光固化机中固化或者放置室温自然光下，即可得到水性聚氨酯/碳纳米管/硅粉复合薄膜电传感涂层。传感涂层制备流程示意如图2 所示。碳纳米管超纯水硅粉稀释剂分散助剂消泡液光引发剂紫外线水性聚氨酯吸收剂超声匀质乳化搅拌所得传感涂层高压喷涂图2传感涂层制备流程示意混凝土梁试件的材料由普通硅酸盐水泥、粉煤灰、标准砂组成，水灰比为0.6，浇筑成尺寸为50 cmX6cmX4cm（长宽X高）的混凝土梁，在距离梁底10mm处放置2 根纵向布置的30 4不锈钢条（直径为3 mm)并在两端配有箍筋以满足试验中裂缝产生的适筋破坏的配筋率要求。浇筑后放人温度为（2 0 士2），相对湿度大于95%的养护箱中养护2 4h，脱模后注人水养护2 1d，养护完成后在混凝土梁侧面中心位置喷涂上尺寸为10 cm6cm（长宽）的传感涂层，干燥凝固后布置16 电极装置（见图3）。试件正视图uo荷载混凝土梁试件导电海绵电极试件俯视图何载10-cm.26传感涂层混凝土梁试件5cm5cm支座中心50cm支座中心图3试件与电极阵列排列示意3试验与结果分析为了验证基于传感涂层的ERT检测混凝土裂缝的可行性，采用万能试验机与LCR数字精密电桥对所制备的传感涂层进行拉伸率与电导率关系测无损检测2023年第45卷第8 期11基于传感涂层的混凝土裂缝电阻层析成像检测朱俊波，等：试，采用三点弯曲试验机对喷涂有传感涂层的钢筋混凝土梁试件进行压弯裂缝试验，并利用自行搭设的16 电极 ERT成像系统对其进行检测，最终基于MATLAB软件和开源的EIDORS数据处理软件进行图像重建。3.1传感涂层应变与电阻率关系试验将传感涂层以2 mm5mmX50mm(厚宽X长）的标准尺寸喷涂在最大抗拉强度为4.0 MPa，伸长率为2 0 0%的橡胶板中心。喷涂传感涂层时在其两端接入铜丝导线，采用胶带固定在橡胶板上。传感涂层单轴拉伸与电导率试验现场如图4所示，采用CMT5504/5105型万能试验机对喷涂有传感涂层的橡胶板进行拉伸试验，预载力为10 N,拉伸速率为0.1 mmmin-1,恒温2 5,引伸计夹在传感涂层两端以检测涂层实际拉伸量。同时采用LCR数字精密电桥（Applent AT 2818型）连接铜丝导线以实时测量不同拉伸率情况下的传感涂层电导率变化值。引伸计橡胶板传感涂层LCR电极夹拉伸试验机图4传感涂层单轴拉伸与电导率试验现场不同CMWNT（羧基化碳纳米管）含量传感涂层应变与电导率变结果如图5所示，可见不同百分比含量CMWNT的传感涂层在应变小于0.35%时，应变与电导率呈线性关系，随着应变的增大电导率逐渐减小，应变值0.35%可认为是电导率与应变呈直线关系的比例极限点；测得该涂层最大拉伸率可20比例极限点(r-uu.S)/率吉甲1612-CMWNT3%-CMWNT4%8ACMWNT5%直线阶段非直线阶段400.10.20.30.40.5应变/%图5不同CMWNT含量传感涂层应变与电导率关系达133%，同时循环加载试验表明传感涂层在2%应变内呈弹性应变，涂层复原后电阻变化值随即变为零。而常见的建筑材料（如混凝土)最大应变为0.33%，因此使用该传感涂层作为ERT无损检测载体，可以满足对混凝土梁进行裂缝监测的需求。3.2ERT裂缝检测试验与结果分析试验中将制备的混凝土试件放置在三点弯曲试验机上，在试验开始前采集一次电压数据，并在试验机加载到一定程度（裂缝开裂至一定程度）时再各采集一次电压数据，所制备的两根混凝土梁试件均进行同样的加载及数据采集。ERT裂缝检测试验现场如图6 所示，试验装置由以下9部分组成：计算机；交流电电源；电压采集仪；温度湿度计；万能试验机；试验机控制器；混凝土试件；电极阵列；受力垫块。试件背面试件正面85643图6ERT裂缝检测试验现场试验前，采用LCR精密电桥设备测量传感涂层的电阻，以确定合适的电流电压和激励频率参数(10mA，10 V,1k H z）。试验加载的混凝土梁尺寸（长X宽高为50 cm6cmX4cm），试验前对梁进行了轻微加固（以所需最小配筋率配筋），以使梁在最终破坏前能够形成弯曲或剪切裂缝。在混凝土梁与万能试验机压轴中间放置受力垫块，使得荷载能准确集中地施加在梁段中心。通过计算混凝土梁试件开裂弯矩得知试件在三点受弯状态下开裂荷载约为1.5kN，当荷载达到混凝土梁开裂荷载时，保持该荷载10 min并在观察混凝土梁裂缝情况的同时进行ERT数据测量，且由于该混凝土梁试件跨中极限荷载约为5.0 kN，为防止梁完全破坏断裂致使无法采集完善的ERT电流电压数据，在荷载施加到4.0 kN时停止继续加载，保持荷载直到ERT数据采集以及裂缝观察结束。另外，试验时为了防止梁突然断裂，应控制三点弯曲万能试验机无损检测2023年第45卷第8 期12基于传感涂层的混凝土裂缝电阻层析成像检测朱俊波，等：以很缓慢的速度进行加载（0.5mmmin-1）。两次混凝土试件裂缝检测试验均以开始加载前的传感涂层作为参考状态进行差值成像。将采集的两组边界电压数据输人完全电极模型框架（CEM)中进行图像重建，图像重建结果如图7 所示，图7（a），（b）分别为试件1，2 传感涂层正面状态（涂层遮挡裂缝用细线标记）；图7（c），（d）分别为试件1，2传感涂层电导率分布变化图像重建结果；图7（e），(f)分别为试件1,2 背面状态，为了使真实裂缝与重建图像对应，笔者进行了左右镜像处理。664裂缝4裂缝涂层遮挡，涂层遮挡，2采用细线标记2采用细线标记02468100246810ac/cmc/cm（a）试件1正面涂层状态（b）试件2 正面涂层状态真实裂缝、电极传感涂层1真实裂缝电极传感涂层26644伪影o/f24214103121002468100246810a/cmac/cm(c)试件1涂层重建结果(d）试件2 涂层重建结果66裂缝製缝44加黑突显加黑突显22镜像处理镜像处理02468100246810a/cma/cm(e)试件1背面状态(f)试件2 背面状态图7混凝土试件裂缝及其图像重建结果ERT图像以单个色阶显示，即以每个ERT重建电导率分布变化的最小值和最大值分别作为每个ERT图像中色阶的最小值和最大值。重建图像中电导率变化用蓝色表示时，表明该处传感涂层。发生负变化，该处涂层发生拉伸变形，电导率减小，可认为该处混凝土发生形变。值得注意的是，重建图像中白色区域表示几乎为零，可认为混凝土在该处未发生变形。重建图像中黄红色区域表示传感涂层。发生正变化，是由差分成像方法中的线性化以及ERT逆问题的不适定性所导致的伪影，即传感涂层发生拉伸变形，电导率相较于初始状态是减小的。图7(c），（d)所示的ERT重建图像较好地捕捉出混凝土裂缝的位置分布及形态，电导率减小（蓝色)区域与混凝土梁试件真实裂缝所在区域图7(e)(f)所示裂缝对应较好。图7(c)，（d)中电导率减小（蓝色）区域上窄下宽且底端颜色更深，与实际裂缝损伤趋势一致，表明在三点弯曲试验中混凝土梁试件底端损伤较严重，产生的裂缝略宽。值得注意的是，由于混凝土是大阻抗材料，干燥环境下无法通过ERT直接测量混凝土缺陷，而传感涂层受环境影响小。若试验中出现裂缝区域涂层未发生破坏，按照混凝土自身应变，涂层可达到测量混凝土裂缝的要求。该方法不足之处在于无法定量分析，因无损检测2023年第45卷第8 期13基于传感涂层的混凝土裂缝电阻层析成像检测朱俊波，等：为笔者所采用的差分成像是针对电导率分布变化的图像重建，本质上是定性的，所以重建图像无法准确展示出裂缝的绝对宽度及长度。由于使用的TIKHONOV正则化的单步反演求解器具有一定局限性，图像分辨率与实际相差较大。4丝结论首先制备了复合薄膜传感涂层并测试其应变与电导率的变化关系；其次制备了喷涂传感涂层的钢筋混凝土梁试件并进行三点弯曲试验，在加载前和裂缝产生后进行了ERT数据采集；最后利用差分电阻层析成像对传感涂层内部电导率分布变化进行图像重建，以表征混凝土表面裂缝，得出以下结论。（1）传感涂层应变小于0.35%时，可认为其应变与电导率呈线性关系；使用该传感涂层作为ERT无损检测载体，可满足混凝土ERT无损检测的要求。（2）基于传感涂层的混凝土ERT成像法比常规方法的数据采集精度要高，能够显示裂缝的位置分布及形态，可用于混凝土或其他材料的实时定性检测。参考文献：1郭冬兵，何金凤。混凝土灌注桩的常见缺陷及超声检测法分析J科技信息，2 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