土工筋帶變形測試傳感器研發(fā)與試驗研究*

廖 波，常傳源，季雨坤，張 澤

（1.浙江工商大學(xué)技術(shù)與工程管理系，杭州310018；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221008；3.正榮蘇南（蘇州）房地產(chǎn)有限公司，江蘇蘇州215000）

土工筋帶變形測試傳感器研發(fā)與試驗研究*

廖 波1，2*，常傳源2，季雨坤2，張 澤3

（1.浙江工商大學(xué)技術(shù)與工程管理系，杭州310018；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221008；3.正榮蘇南（蘇州）房地產(chǎn)有限公司，江蘇蘇州215000）

工程上，土工加筋帶變形測試一直是個難題，主要是因為其應(yīng)變較大且加筋帶外層是相對較軟的聚合物結(jié)構(gòu)。利用納米導(dǎo)電炭黑顆粒充填聚合物獲得敏感材料，再通過印刷技術(shù)將其印刷在塑料薄片上，制作成傳感元件。通過拉伸試驗測試了四種不同底板傳感元件的傳感性能，試驗結(jié)果表明，四種元件均具有拉伸敏感性，電阻值隨拉伸應(yīng)變的增大而增大，且滿足模量匹配與較大應(yīng)變要求。對比分析發(fā)現(xiàn)，PVC底板傳感元件的綜合性能最佳，適合作為土工筋帶變形測試元件使用。另外，這種方法制作的傳感元件可批量化生產(chǎn)，無需逐個標(biāo)定，極大地提高了它的實用性。

土工筋帶；變形測試；導(dǎo)電復(fù)合材料；大應(yīng)變

土工加筋帶是聚合物制成的條帶狀抗拉土工合成材料，在土木工程中置于土體內(nèi)部或各種土體之間，發(fā)揮加強或保護土體的作用。為了分析土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)的變形行為，了解加筋特性，需對土工合成材料拉伸負(fù)荷和局部變形情況進行量測。目前，對土工合成材料的變形測試主要是采用普通電阻式應(yīng)變片和柔性位移計的方法［1］。由于普通應(yīng)變片的應(yīng)變量程有限，國內(nèi)普通應(yīng)變片的量程約為0.5%左右，并不適合土工合成材料的大變形測試；而高延伸率應(yīng)變片價格昂貴，在國外有一些應(yīng)用［2-3］，但這種應(yīng)變片在現(xiàn)場使用時，破壞率較高，甚至達到50%以上［4］，主要由于應(yīng)變片與土工合成材料之間的模量不匹配造成的，土工合成材料一般較軟。曹國福、孔晶等利用大剛度SDW-100型位移傳感器安裝在高強土工布上進行室內(nèi)拉伸試驗和現(xiàn)場加筋墊層的變形測試，試驗成果表明SDW-100型位移傳感器用于高強土工布加筋墊層變形的測試具有適用性［5-6］。徐林榮等使用柔性位移計在樁網(wǎng)復(fù)合地基的測試斷面上量測基底不同位置土工格柵變形分布，計算土工格柵的應(yīng)變［7］。楊廣慶等在土工格柵加筋土擋墻的現(xiàn)場試驗中，在各層位土工格柵拉筋末端埋設(shè)柔性位移計，量測拉筋變形量，計算土工格柵的應(yīng)變值［8］。測試時，柔性位移計通常設(shè)置于土工格柵的上覆土（砂）層中，或是筋材的末端，無法直接反映筋材不同位置的應(yīng)變分布。高江平利用機電百分表測試加筋土擋墻沿墻位移來了解加筋帶應(yīng)變［9］，這種方法也無法獲得筋帶應(yīng)變分布情況。

為獲得較好的土工合成材料大變形測試傳感器及測試方法，筆者所在的團隊做了大量工作。前期，利用導(dǎo)電復(fù)合材料成功研發(fā)了大變形傳感元件，并對傳感元件及導(dǎo)電復(fù)合材料進行了大量的試驗與理論研究工作［10-12］，研究的土工筋帶變形傳感器，由于工藝等條件的限制，在可靠性、可重復(fù)性、操作性等方面還存在部分不足。基于此，團隊擬利用印刷工藝，研發(fā)新型傳感元件并開展試驗研究。

本文首先介紹了土工筋帶變形測試傳感元件的制作方法以及拉伸試驗方法，然后對四種傳感元件的測試結(jié)果進行對比分析，最后獲得綜合性能最佳的土工筋帶變形測試傳感元件。

1 試驗介紹

1.1 傳感元件制作

傳感元件由塑料薄片，印刷在塑料薄片上的敏感材料、電極，與電極連接的端子、測試線組成。

首先需制作敏感材料，敏感材料基體選用環(huán)氧樹脂材料，導(dǎo)電材料選用納米炭黑（型號為ECPCB-1，平均粒徑40 nm）。先將炭黑加入溶劑，然后加入樹脂攪拌，炭黑質(zhì)量相對樹脂的質(zhì)量占比為20%，并進行超聲波震蕩，直至炭黑分散較均勻，最后使用印刷機印刷在塑料片（底板）上；導(dǎo)電電極使用市售的導(dǎo)電銀漿印刷而成。印刷好的傳感元件如圖1所示，黑色部分為敏感材料，白色為導(dǎo)電電極，底板為半透明的塑料薄片。傳感元件長度為32 mm，寬度為6 mm。

印刷的材料固化后，經(jīng)裁剪并安裝端子，端子上連接測試導(dǎo)線，便完成傳感元件制作，可進行試驗測試。

圖1 傳感元件

1.2 傳感元件試驗安裝

對土工筋帶變形測試，一般是將傳感元件粘貼在筋帶的表面上。土工筋帶是由聚合物制成的條帶狀抗拉土工合成材料，聚合物一般為高密度聚乙烯（PE）塑料。對土工筋帶變形的測試，實際上測試的是外層聚合物的變形。故為簡化試驗，利用長條形PE塑料片代替土工筋帶進行拉伸試驗，這種模擬方法可在較小的拉力下完成，普通的拉力試驗機便可滿足試驗要求，塑料片也更易夾持。如圖2所示，左圖為兩個傳感元件粘貼在半透明長條形PE塑料片上；右圖為長條形PE塑料片夾持在拉伸試驗機上。

圖2 試驗安裝圖

1.3 試驗方法

分別對不同塑料底板的傳感元件進行拉伸試驗，包括PE底板、聚酰亞胺（PI）底板、聚氨酯（TPU）底板以及聚氯乙烯（PVC）底板四種，上面印刷的敏感材料及電極形狀相同。試驗時，拉伸速度均為0.5 mm/min，四種底板傳感元件均粘貼在長條形PE塑料片上拉伸，傳感元件的電阻值采用DateTakers 800數(shù)據(jù)采集儀采集。

2 試驗結(jié)果

2.1 PE底板傳感元件

將PE底板傳感元件粘貼在長條形PE塑料片上進行拉伸試驗，獲得其電阻值關(guān)于應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖3所示。

從圖3可知，傳感元件電阻值隨著應(yīng)變的增大而增大，在變形初期（應(yīng)變0.025范圍內(nèi)）電阻值與應(yīng)變值之間近似線性關(guān)系，應(yīng)變超過0.025后，電阻值變化速率加快。整體來看，應(yīng)變在0.03范圍內(nèi)時，PE底板傳感元件的電阻值與應(yīng)變之間有較好的關(guān)系，拉伸敏感性較好；應(yīng)變超過0.03后，電阻值變化不再線性。應(yīng)變由0變化到0.03 h，電阻值由4 550 Ω變化到了4 850 Ω。

圖3 PE底板傳感元件電阻關(guān)于應(yīng)變的曲線

試驗中還發(fā)現(xiàn)，在拉伸試驗后期，印刷在PE底板上的黑色敏感材料層逐漸發(fā)生開裂甚至脫落的現(xiàn)象，如圖4中黑色圓圈區(qū)域所示。敏感材料與PE底板之間并沒有較好的粘結(jié)在一起，當(dāng)PE底板受到拉伸變形后，兩者發(fā)生了脫離。

圖4 PE底板傳感元件發(fā)生脫落現(xiàn)象

2.2 PI底板傳感元件

同理，將PI底板傳感元件粘貼在長條形PE塑料片上進行拉伸，獲得電阻值關(guān)于應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 PI底板傳感元件電阻關(guān)于應(yīng)變的曲線

由圖5可知，傳感元件電阻值也隨應(yīng)變的增大而增大，在應(yīng)變大于0.015后，電阻值變化速率逐漸減??；在應(yīng)變0～0.015范圍內(nèi)，電阻值與應(yīng)變之間呈近似線性關(guān)系。應(yīng)變由0變化到0.015 h，電阻值由10 700 Ω變化到11 200 Ω，在此應(yīng)變范圍內(nèi)，傳感元件的拉伸敏感性較好。

2.3 TPU底板傳感元件

類似方法，獲得TPU底板傳感元件電阻值關(guān)于應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 TPU底板傳感元件電阻關(guān)于應(yīng)變的曲線

由圖6可知，TPU底板傳感元件電阻值也隨應(yīng)變的增大而增大，但電阻值變化并不光滑，有跳動現(xiàn)象；應(yīng)變大于0.01后，電阻值變化速率逐漸增大。應(yīng)變由0變化到0.014時，電阻值由6 000 Ω變化到8 500 Ω，相對來說，電阻值變化較大。

2.4 PVC底板傳感元件

圖7為PVC底板傳感元件電阻值關(guān)于拉伸應(yīng)變的關(guān)系曲線。由曲線可知，PVC底板傳感元件電阻值同樣隨拉伸應(yīng)變的增大而增大，且電阻值變化平滑，電阻變化速率呈先小后大再小的趨勢，電阻值與應(yīng)變之間沒有呈現(xiàn)線性關(guān)系。應(yīng)變由0變化到0.025時，電阻值由6 900 Ω變化到7 850 Ω，在此應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，傳感元件的拉伸敏感性較好。

圖7 PVC底板傳感元件電阻關(guān)于應(yīng)變的曲線

3 結(jié)果分析

上述系列試驗表明，四種傳感元件均具有拉伸變形敏感性，這主要是由于敏感材料層的應(yīng)變敏感性。所使用的敏感材料是由納米導(dǎo)電炭黑顆粒充填聚合物復(fù)合而成，目前，關(guān)于這種功能材料的導(dǎo)電傳感機理尚無統(tǒng)一的理論。Wang等在對炭黑填充硅橡膠基復(fù)合材料的壓-阻特性研究中，以隧道效應(yīng)理論為基礎(chǔ)建立了導(dǎo)電壓-阻模型［13］：

式中，h為普朗克常數(shù)；m、e為電子質(zhì)量和帶電量；φ為勢壘高度；S為有效隧道通道平均截面積；N與ω分別為有效導(dǎo)電通路數(shù)目和導(dǎo)電粒子間隙，都是關(guān)于應(yīng)力σ的函數(shù)；M為一條有效導(dǎo)電通路上的平均導(dǎo)電顆粒數(shù)目。此模型較好的解釋了試驗獲得的壓-阻特性。

上述模型，可從定性上描述充填型導(dǎo)電復(fù)合材料的敏感機理。當(dāng)敏感材料受到拉力F產(chǎn)生拉伸變形后，炭黑顆粒之間的間距ω會逐漸變大。間距ω增大后，會導(dǎo)致部分顆粒之間隧道效應(yīng)導(dǎo)電失效，產(chǎn)生斷路，有效導(dǎo)電通路數(shù)M減小。如圖8所示，根據(jù)式（1）可知，ω增大，M減小，電阻R隨之增大。

圖8 敏感材料受到拉伸變形

在四種傳感元件拉伸試驗中，傳感元件粘貼于長條形PE塑料片上，當(dāng)塑料片受拉后，傳感元件隨之發(fā)生拉伸變形，傳感元件中的敏感材料電阻增大，試驗結(jié)果均與之吻合。在此過程中，敏感材料是間接受到拉力產(chǎn)生變形的，PE塑料片（模擬筋帶）受拉后，粘貼在上面的傳感元件塑料底板首先受力，然后再傳遞給敏感材料。這個傳遞過程必須是同步的，否則測試結(jié)果將不準(zhǔn)確，這就必須要求塑料底板材料模量必須與筋帶材料模量相互匹配，底板材料的拉伸模量要小于或等于筋帶。

在加筋土工程設(shè)計時，通常以土工合成材料2%變形時的強度值為控制值［14］，故研制的傳感元件應(yīng)變測試量程一般應(yīng)大于2%，即應(yīng)變的最大值應(yīng)超過0.02。從試驗結(jié)果來看，PE與PVE底板傳感元件均能滿足，TPU元件的數(shù)據(jù)不理想，PI元件在應(yīng)變超過0.015后，電阻值趨緩，特別是在應(yīng)變0.02附近，電阻趨緩明顯。另外，PI材料的模量要明顯大于PE塑料，從模量匹配角度考慮，該元件也不太適合。

從4種底板傳感元件的拉伸試驗數(shù)據(jù)也可看到，只有TPU底板傳感元件的電阻值穩(wěn)定性較差，其他三種均較好；PE底板傳感元件數(shù)據(jù)雖較好，但測試后期出現(xiàn)了敏感材料脫落現(xiàn)象，無法作為測試元件使用。

根據(jù)上述分析，可以得到四種傳感元件相關(guān)性能的對比，如表1所示。

表1 四種傳感元件性能對比

根據(jù)表1，以及對試驗過程的綜合分析，最終選擇使用PVC底板傳感元件作為土工筋帶變形測試元件，這種傳感元件的綜合性能相對最佳。

圖9所示為4個PVC底板傳感元件電阻變化率與拉伸應(yīng)變之間的關(guān)系曲線，從曲線可知，4個曲線基本是重合的，這也說明印刷的元件具有相似性。根據(jù)這一點，在保證所有工藝一致且工藝控制質(zhì)量高的情況下，所開發(fā)的土工筋帶變形測試元件具備批量的可能，且不需逐個進行標(biāo)定，只要任意選取部分進行標(biāo)定即可，這一點與常規(guī)應(yīng)變片是相同的。

圖9 4個PVC底板傳感元件拉伸試驗曲線

為驗證工程現(xiàn)場操作的方便性及可靠性，將2個PVC底板傳感元件使用瞬干膠粘貼于土工加筋帶上，如圖10所示。使用的筋帶為CAT鋼塑帶，斷面尺寸30 mm×2 mm，破斷荷載及伸長率約為9.4 kN和2.9%，是工程現(xiàn)場常用的土工筋帶。

圖10 PVC傳感元件粘貼在土工筋帶上

結(jié)果證明，PVC底板傳感元件可使用瞬干膠與筋帶粘貼，粘貼迅速方便，且效果好。對筋帶多次彎曲，仍可保證粘貼效果。

4 總結(jié)

①利用導(dǎo)電敏感復(fù)合材料及印刷工藝，研制了四種不同底板的變形測試傳感元件，并分別進行了拉伸試驗測試。

②試驗結(jié)果表明，四種傳感元件均具有拉伸敏感性，電阻值均隨拉伸應(yīng)變的增大而增大。

③對試驗過程及試驗結(jié)果綜合比較來看，PVC底板傳感元件相對最佳，初步確定其作為土工筋帶測試傳感元件使用。

④研制適合土工筋帶變形傳感元件，必須考慮到應(yīng)變大量程、模量匹配、靈敏度、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、成本、操作方便等因素。研制的PVC底板傳感元件基本滿足條件，且可批量生產(chǎn)，無需逐個標(biāo)定，直接粘貼在土工筋帶上便可。

⑤目前，研發(fā)的傳感元件已在工程現(xiàn)場進行大批量的應(yīng)用試驗，其實用性還需進一步的嚴(yán)格檢驗。

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廖 波（1985-），男，博士，現(xiàn)為浙江工商大學(xué)技術(shù)與工程管理系講師，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，主要從事傳感功能材料特性及其應(yīng)用研究，liaobo2003@cumt.edu.cn。

Development and Experimental Research on Deformation Test Sensor of Geotextile Reinforcement Tape*

LIAO Bo1，2*，CHANG Chuanyuan2，JI Yukun2，ZHANG Ze3
（1.Department of Technology and Engineering Management，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou310018，China；2.State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，
Xuzhou Jiangsu221008China；3.Zhenro Suzhou Real Estate Projet，Suzhou Jiangsu215000，China）

The deformation test of geotextile reinforcement tape is always a problem which mainly due to the strain is large and the outer layer of tape is soft polymer structure in engineering.The sensitive materials were obtained by polymer filled with nano-particles conductive carbon black.The plastic sheets were printed on the material by printing technology and made into sensing elements.The sensing properties of four different plate sensors were tested by tensile tests.The results showed that four kinds of elements at the same time having a tensile sensitivity that the resistance value increases with strain，and meet with the requirements of greater strain and modulus matching.The PVC sensor element’s overall performance was best and which was more suitable for the deformation test of geotextile reinforcement tape according to comparative analysis.In addition，the developed sensor can be mass production and the sensor does not need to be individually calibrated.

geotextile reinforcement tape；deformation test；conductive composites；large strain

TU443

A

1004-1699（2016）12-1931-05

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.025

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（51404210）；博士后科學(xué)基金項目（2014M551698）；深部巖土力學(xué)與國家重點實驗室開放基金項目（SKLGDUEK1412）

2016-05-26修改日期：2016-06-29