热塑性弹性体（TPE）表面可以监测裂缝

 

2009年，美国土木工程师协会（ASCE）评定美国的基础设施综合质量为“D”级，评估过程中称维护结构是提高这个等级的五大关键之一。从那以后，联邦经济刺激资金会拨款给社区，使其有能力修复一些基础设施，但高科技持续监测的方法仍然处于起步阶段。与此相反，大多数对桥梁、水坝、学校和其他结构的评估仍然是通过目视检测，这种方法速度缓慢，价格昂贵，手续繁琐，在某些情况下甚至是危险的。

“这个TPE表面具有明显的优势，不仅能够感知结构的一般性能变化，还能在预先定义的精度水平上知道损坏的位置，”麻省理工学院土木与环境工程（CEE）的研究生Simon Laflamme说, “在健康监测过程中的这种自动化能够使成本大大降低，建造出更多可持续性基础设施，与此同时, 及时维修和检查次数的减少也将使它们的使用寿命明显延长。”Laflamme与麻省理工学院教授Jerome Connor，波茨坦大学的研究人员Guggi Kofod和研究生Matthias Kollosche一起合作研究此项目.。

安装这种“传感表面”就是将它和长宽都合适的表面粘合起来。表面中的矩形补丁能检测出特定部位的裂缝。由方形对角线补丁组成的传感表面（比如3.25英寸×3.25英寸）将会有利于检测由横向和不同方向的叠层运动引起的裂缝。水平面的补丁有利于检测由水平横梁凹陷引起的裂缝。测试使用的最大补丁原型尺寸为8英寸×4英寸。

形成的裂缝会造成补丁下水泥微小的移动，这将会导致传感表面电容的变化（能量会被储存）。计算机系统每天与传感表面进行一次连接，并发送一股电流以测量补丁的电容并检测相邻补丁之间的差异。通过这种方式，它将会在24小时内检测出漏洞并知道它的确切位置，此任务对于已经在试运行或是已经在使用的其他类型传感器很难实现，因为此类传感器往往依赖于通过一些置于关键位置的传感器来检测整体结构的变化。

研究人员最初通过使用已经市场化而且廉价的弹性硅织物与银电极来实验此设想。虽然它在实验室的一些小型或大型混凝土梁受压实验中显示了作用，但材料在安装上显示出一定的局限性，因为它太细，太过容易弯曲。研究人员已经开发出一种传感表面原型，由柔软有弹性的热塑性弹性体混合二氧化钛组成，对裂缝高度敏感，并有炭黑补丁来检测表面电荷的变化。这已经申请了专利，并于2010年3月成功入档。.

“由美国土木工程师协会评级的许多基础设施是由混凝土建成的，它们可能会受益于新的监测系统如传感表面，其中包括已被评为C级的桥梁和被评为D级的水坝和学校，”康纳说, “民用基础设施的安全会因为详细的实时结构健康信息而显著提高。”

Kofod和Kollosche的工作是由德国教育和研究部授权的。