Inteligentne nawierzchnie drogowe

Transkrypt

1 dr inż. Aleksandra Kostrzanowska-Siedlarz, Politechnika Śląska Inteligentne nawierzchnie drogowe Kompozyty cementowe z wypełniaczami funkcyjnymi, jakimi są nanomateriały węglowe (m.in. nanorurki węglowe, nanowłókna węglowe), mają duży potencjał do monitorowania ruchu, ważenia pojazdów w ruchu i detekcji prędkości pojazdów. Piezorezystancyjny charakter wielościennych nanorurek węglowych w kompozytach cementowych wpływa na dobre relacje między naprężeniami ściskającymi a oporem elektrycznym. Dlatego ww. materiały mają również zastosowanie jako integralne czujniki uszkodzenia konstrukcji, np. mostowych. Obok inteligentnych konstrukcji, mających charakter sensora, są prowadzone badania nad inteligentnymi nawierzchniami drogowymi. To nawierzchnie, które poprzez nagrzewanie potrafią zapobiegać tworzeniu się lodu w warunkach zimowych. Czy istnieje taka możliwość? Odpowiedź na to pytanie można znaleźć w artykule, w którym również przedstawiono szereg informacji dotyczących rodzaju używanych nanomateriałów funkcyjnych, budowy układów pomiarowych, sposobów pomiaru oraz przykłady aplikacji w warunkach laboratoryjnych i terenowych. 30 Magazyn Autostrady 8-9/2017

2 Obciążenie Multimetr cyfrowy Rys. 1. Układ pomiarowy [17] Rys. 2. Przykład rozmieszczenia elektrod w próbce betonu [17] Rys. 3. Schemat ideowy próbki gotowej do przetestowania. Pt100 oznacza czujnik oporowy temperatury, którego rezystancja zmienia się w zależności od zmiany temperatury [25] Fot. 1. Układ pomiarowy odczytujący ruch pojazdów [17] Fot. 2. Czujnik betonowy z nanorurkami węglowymi odczytujący ruch pojazdów [17] Fot. 3. Próbki betonowe z dodatkiem nanorurek węglowych w ilości od 0,25% do 1,5% masy cementu z układem elektrod [22] Summary Intelligent road surfaces and structures with nanomaterials Cement composites with functional materials such as carbon nanomaterials (e.g. carbon nanotubes, carbon nanofibres) have a great potential for traffic monitoring, vehicle traffic weighing and vehicle speed detection. The piezoresistive nature of multi-wall carbon nanotubes in cement composites influences a good ratio between compressive stress and electrical resistance. Therefore, these materials can be also used as integral sensors of the damage of structures such as bridges. Apart from studies on intelligent structures, having the nature of a sensor, research on intelligent road surfaces is being carried out. These are pavements which, by heating, can prevent the formation of ice in winter conditions. Is it possible? The answer to this question can be found in the article, which also presents a series of information on the type of functional nanomaterials being used, the construction of measuring systems, measurement methods and examples of applications in laboratory and field conditions. Keywords: structural health monitoring (SHM), sensors, smart concrete, electrical conductive concrete, heated pavement system, cement nanocomposites, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), nickel powder, carbon black Beton na świecie i w naszym kraju wykorzystywany jest przy budowie obiektów mostowych, nawierzchni dróg i innych obiektów, w których monitorowanie uszkodzeń (structural health monitoring, SHM), kontrola drgań czy monitorowanie ruchu (traffic detection), a nawet odladzanie (heated pavement system) czy monitorowanie korozji (corrosion monitoring) byłyby pożądane. Tradycyjne technologie monitorowania stanu obciążenia konstrukcji oraz wykrywania uszkodzeń oparte są na czujnikach światłowodowych oraz technologii wykrywania uszkodzeń poprzez emisję akustyczną i ultradźwiękową, wiążą się jednak z ponoszeniem wysokich kosztów instalacji i możliwością przedwczesnego uszkodzenia. Metody te nie uwzględniają efektu wzajemnego oddziaływania różnych defektów. Czujniki wykrywają tylko uszkodzenia, które znajdują się w polu działania aparatury, i nie opisują intensywności rozwoju procesów destrukcyjnych i warunków ich inicjacji. Duże możliwości w ocenie procesów destrukcyjnych w elementach konstrukcji stwarza zastosowanie ciągłego monitorowaniem stanu konstrukcji (SHM). W przeciwieństwie do tradycyjnej diagnostyki opartej na badaniach nieniszczących w tym przypadku ocena stanu konstrukcji jest prowadzona na bieżąco podczas cyklu życia obiektu i nawierzchni drogowej. Celem SHM jest analiza kondycji struktury betonowej, głównie zlokalizowanej na terenach sejsmicznych oraz narażonej na oddziaływanie silnych wiatrów (np. budynki wysokościowe), oraz struktury betonowej w postaci wałów przeciwpowodziowych lub poddanym innym rodzajom obciążeń. 31

3 a) b) Fot. 4. Układ pomiarowy dla próbek betonowych z dodatkiem nanorurek węglowych [22] Fot. 5. Kształt elektrody w postaci: a) siatki, b) zbrojenie słupa z rozmieszczeniem siatek stalowych [23] Dodanie do składu mieszanki betonowej m.in. nanowłókien węglowych lub nanorurek węglowych, które charakteryzują się wysoką przewodnością elektryczną, powoduje, że beton staje się sensorem. Beton z materiałami przewodzącymi prąd jest zdolny poprzez pomiar oporności elektrycznej do wykrywania własnego naprężenia, odkształcenia i innych uszkodzeń, jak pękanie. Stosowanie m.in. nanowęgla jako dodatku do betonu z włóknami węglowymi i stalowymi przyczynia się do samodzielnego wykrywania uszkodzenia zamrażania-odmrażania belki betonowej w badaniach przedstawionych w [1]. Inicjacja i ewolucja odkształceń i uszkodzeń w betonie spowodowanych naprężeniami wewnętrznymi w wyniku cyklów zamrażania-odmrażania mogą indukować zmiany ścieżek przewodzących [2, 3], które skutkują zmianą impedancji betonu. Betony przewodzące prąd elektryczny (electrical conductive concrete) z materiałami na bazie nanowęgla stają się coraz lepiej rozpoznane i mogą okazać się przyszłością budownictwa betonowego. Celem artykułu jest przedstawienie składu oraz sposobów działania sensorów w postaci betonów z dodatkiem nanomateriałów węglowych z przykładami aplikacji, głównie czujników monitorujących ruch i uszkodzenie konstrukcji oraz betonu wytwarzającego ciepło. Kompozyty cementowe zdolne do monitorowania stanu konstrukcji to wieloskładnikowe materiały, składające się z funkcyjnych wypełniaczy rozproszonych w matrycy cementowej. Faza wypełniająca rozkłada się w fazie matrycy, tworząc sieć przewodzącą. Faza matrycy za pomocą spoiwa utrzymuje wypełniacze w odpowiednim miejscu. Fazami wiążącymi mogą być: kompozyt cementowy, asfalt lub polimer [4-6]. Funkcyjne wypełniacze głównie mają wymiary z nano- i mikroskali. Częstą praktyką jest, oprócz fazy matrycy i wypełniacza funkcyjnego, stosowanie domieszek wspomagających dyspersję wypełniacza, mogą to być środki powierzchniowo czynne. Do wytworzenia czujnika z kompozytu cementowego konieczne są odpowiedni dobór materiałów i określenie ich proporcji. Najczęściej do składu matrycy kompozytów cementowych wykorzystywany jest cement portlandzki [7, 8], rzadziej są to inne cementy [9]. Wypełniacze funkcyjne w matrycy cementowej nie tylko wykazują właściwości sensoryczne, ale także uszczelniają i poprawiają wytrzymałość betonu [10-12]. Nanomateriałami wypełniającymi mającymi właściwości przewodzące są: nanowłókna węglowe (carbon nanofiber), nanorurki węglowe (carbon nanotube), proszek niklu (nickel powder), sadza (carbon black). Nanorurki węglowe wykazują właściwości sensoryczne już przy dodatku na poziomie 0,05% masy cementu. Sadza charakteryzuje się dużą stabilnością termiczną, stałą przewodnością elektryczną oraz niskim kosztem [13-15]. Warto zauważyć, że niektórzy badacze upatrują sensorycznych właściwości sadzy o średnicy o wymiarach nanometrycznych (30 nm) w betonie [14], dodając, podobnie jak wypełniaczy włóknistych, około 1% masy cementu. Proszek niklu cechuje dobra odporność na korozję pod wpływem alkalii, ma on dobre właściwości mechaniczne oraz charakteryzuje się doskonałą przewodnością elektryczną i ma zdolność wytworzenia efektu emisji polowej [16]. Szczególną cechą nanomateriałów jest predyspozycja do aglomeracji, co wpływa na problem z równomierną dyspersją w matrycy cementowej [12]. Najczęściej stosowaną metodą deaglomeracji jest rozproszenie nanomateriałów w wodzie za pomocą homogenizatorów ultradźwiękowych. Oprócz metod fizycznych, do których należą tradycyjne metody mechaniczne oraz ww. metoda ultradźwiękowa, efektywną metodą dyspersji jest metoda chemiczna, prowadząca bądź do modyfikacji niekowalencyjnej powierzchni przez surfaktant, albo do modyfikacji kowalencyjnej powierzchni. W celu wspomagania dyspersji stosuje się surfaktanty, których zadaniami są zwilżenie i odpychanie elektrostatyczne, oraz dodatki mineralne, które dodatkowo poprawiają zdyspergowanie nanocząstek poprzez adsorpcję i/lub efekty separacji. Układ pomiarowy składa się z elektrod połączonych z multimetrem cyfrowym i odpowiednim oprogramowaniem analizującym odczyty w zależności od przyłożonego obciążenia (rys. 1, fot. 1-2) [17, 18]. Ważnym czynnikiem całego układu jest system elektrod umieszczonych w próbce betonu. Na dokładność pomiaru sygnału mają wpływ zarówno rodzaj materiału, z jakiego jest wykonana elektroda (np.: miedź, stal, ołów), jak i zamocowanie oraz układ elektrod. Elektroda może mieć postać wbudowanej siatki (rys. 2, fot. 3 i 5), perforowanej płytki lub pętli i występować w systemie dwóch lub czterech elektrod. W układzie pomiarowym (rys. 1) sygnał czujnika pochodzi ze zmiany przewodności wewnątrz kompozytu z materiałem funkcyjnym. Najczęściej w obwodzie bada się rezystancję/opór elektryczny [19]. Niektórzy badacze podają także inne parametry użytkowe, jak reaktancja [20] lub impedancja [21], w celu scharakteryzowania zachowania sensora wykrywającego uszkodzenie bądź detekcję ruchu samochodów. Zachowanie czujnika można opisać przez zależność pomiędzy zmianą frakcyjnej rezystywności elektrycznej a siły zewnętrznej lub naprężenia i odkształcenia. 32 Magazyn Autostrady 8-9/2017

4 Fot. 6. Słup żelbetowy z systemem elektrod, gotowy do pomiaru [23] Fot. 7. Most w Roca w stanie Nebraska w USA Betonowe czujniki z materiałami funkcyjnymi, m.in. nanorurkami węglowymi, były wykorzystywane w wielu eksperymentalnych pomiarach prędkości i natężenia ruchu pojazdów oraz monitoringu konstrukcji pod obciążeniem (fot. 1-6) [17, 22, 23]. W [24] wykazano, że mogą być również wykorzystywane do monitorowania wagi przejeżdżających pojazdów. W artykule [17] zbadano samoodczuwalny cementowy kompozyt z dodatkiem nanorurek węglowych do monitorowania ruchu. Kompozyty cementowe wypełnione zostały wielowarstwowymi nanorurkami węglowymi, których właściwości piezorezystancyjne umożliwiają wykrycie naprężeń mechanicznych wywołanych ruchem drogowym. Zdolności sensoryczne materiału były badane w testach laboratoryjnych i polowych (rys. 1-2 i fot. 1-2). Doświadczalne wyniki pokazują, że wytworzony samoodczuwalny kompozyt cementowy wykazuje stabilne reakcje na powtarzające się obciążenia ściskające i obciążenia impulsowe i daje odpowiedź na obciążenia od pojazdu. Te odkrycia wskazują, że cementowy kompozyt z nanorurkami węglowymi ma duży potencjał do monitorowania ruchu, na przykład w wykrywaniu natężenia ruchu, pomiarach ciężaru w ruchu i detekcji prędkości pojazdu. W ramach badań nad structural health monitoring (SHM) [23] obciążeniom cyklicznym poddano słupy żelbetowe z dodatkiem nanowłókien węglowych (fot. 5-6). Po zainstalowaniu układu pomiarowego podłączono zasilacz do górnej elektrody, zapewniając stałe napięcie około 31 V. Natomiast woltomierz przymocowano do dolnej siatki i połączono z powrotem do zasilania, aby zakończyć obwód. Amperomierzem permanentnie rejestrowano natężenie. Odczyty elektryczne wykazywały dużą korelację między szczytami stosowanej siły, odkształceniem a oporem elektrycznym. To dowodzi, że tego rodzaju materiał może z powodzeniem być stosowany jako samoregulujący system monitorowania zdrowia konstrukcji. Odladzanie nawierzchni Stosując różnicę potencjału elektrycznego we wnętrzu matrycy cementowej z dodatkiem materiałów przewodzących nanomateriałów węglowych, takich jak: nanowłókna węglowe, nanorurki węglowe, proszek z włókna węglowego lub proszek grafitowy, można wywołać nagrzewanie materiału. Osiągnięcie odpowiedniej temperatury zależy od mocy elektrycznej, która może być stosowana, co z kolei zależy od rezystancji elektrycznej materiału. W [25] materiały cementowe z nanowęglowymi zostały zbadane w celu określenia możliwości kontrolowania warstw pokrywy lodu w infrastrukturze transportowej. Wykazano, że dodanie węglowych związków do materiałów cementowych umożliwia zmniejszenie oporu elektrycznego powstającego w materiale, tak że stosowanie różnicy potencjałów wytwarza prąd elektryczny przez efekt Joule a, który jest w stanie szybko stopić lód osadzony lub zapobiec jego tworzeniu się na jezdni. Przewodzący układ betonu z materiałami nanowęglowymi o różnej wielkości cząstek był badany podczas projektu odladzania na moście o długości 36 m i szerokości 8,5 m na autostradzie w Roca w stanie Nebraska w USA (fot. 7). System odladzania działał dobrze podczas czterech największych śnieżyc w badanym roku. Średnia gęstość mocy do stopienia śniegu i lodu wynosiła 452 W/m 2. Z mocą wejściową 1134 W/m 2 temperatura na powierzchni płyty podniosła się z -25 C do ponad 0 C w ciągu 2,5 godziny (prędkość wzrostu temperatury wynosiła około 0,17 C/min). We fragmencie nawierzchni zainstalowano cztery kwadratowe płytki o wymiarach 10 cm x 10 cm i grubości 1 cm. Po obu przeciwległych powierzchniach bocznych badanej próbki na srebrną farbę w celu poprawy kontaktu elektrycznego ułożono siatki ze stali nierdzewnej. W próbce zainstalowano cztery oporowe czujniki temperatury Pt100, których rezystancja zmienia się w zależności od zmiany temperatury (rys. 3). Na rys. 4 przedstawiono otrzymane wyniki dla trzech testów z różną ilością dodatku nanorurek węglowych i różnym oddziaływaniem napięcia (CNF 5% i 125 V, CNT 1% i 90 V i CNT 2% i 50 V). Zastosowane napięcie dobrano tak, aby nadać początkową moc elektryczną około 30 W. Wyniki pokazują rząd wielkości stopionego lodu z zastosowaniem energii elektrycznej. Po około 25 minutach zostało stopione aż 120 g lodu na powierzchni próbki [25]. Materiały funkcyjne wypełniające matrycę cementową, jakimi są: nanowłókna węglowe (carbon nanofiber), nanorurki węglowe (carbon nanotube), proszek niklu (nickel powder), sadza (carbon black) i inne nanomateriały węglowe, pod wpływem działania prądu elek- 33

5 trycznego mogą spełniać funkcję sensorów monitorujących stan konstrukcji (budynki, mosty, tunele), czujników detekcji ruchu kołowego oraz pieszego, ważenia środków transportu, jak również mogą służyć do podwyższenia temperatury nawierzchni w kontrolowany sposób, tym samym mogą służyć do odparowania wody deszczowej z boiska sportowego, ogrzewania pomieszczeń przez ściany i/lub podłogi lub topienia lodu na drogach lub pasach startowych na lotniskach bez użycia soli. Z powodzeniem również znalazłyby zastosowanie w konstrukcjach betonowych na terenach sejsmicznych czy wałach przeciwpowodziowych. Czujniki reagują na naprężenia i odkształcenia w początkowym stadium uszkodzenia, dlatego zalicza się tego rodzaju konstrukcję do grupy betonów SHM. Kompozyty cementowe z dodatkiem nanomateriałów z grupy SHM zaliczane są do tzw. materiałów inteligentnych. Niewątpliwie do zalet ww. materiałów można zaliczyć naturalną kompatybilność z betonową konstrukcją/nawierzchnią, identyczną długość życia jak betonu oraz łatwą instalację i konserwację. Cementowe kompozyty z dodatkiem nanomateriałów węglowych przyciągają zainteresowanie w ciągu ostatnich dwóch dekad. Oprócz wielu ww. zalet oraz bardzo dobrych własności mechanicznych są materiałem trudnym do badania. Głównym problemem w ich aplikacji jest trudna dyspersja [12], od której także zależy stopień rezystancji materiału. W przyszłości konstrukcje i nawierzchnie, które samodzielnie będą monitorowały zjawiska zagrożenia, mogą przynieść dużą rewolucję w dziedzinie konwencjonalnych materiałów betonowych. Piśmiennictwo 1. Ding Y., Huang Y., Zhang Y., Jalali S., Aguiar J.B.: Self-monitoring of freeze-thaw damage using triphasic electric conductive concrete. Construction and Building Materials, 101/2015, s Ding Y., Chen Z., Han Z., Zhang Y., Pacheco-Torgal F.: Nano carbon black and carbon fiber as conductive materials for the diagnosing of the damage of concrete beam. Construction and Building Materials, 43/2013, s Ding Y., Han Z., Zhang Y., Azevedo C.: Hybrid use of steel and carbon fiber-reinforced concrete for monitoring of crack behavior. ECCM15 15 th European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, June Wu S.P., Mo L.T., Shui Z.H., Chen Z.: Investigation of the conductivity of asphalt concrete containing conductive fillers. Carbon, 43/2005, s Han B.G., Han B.Z., Yu X.: Experimental study on the contribution of the quantum tunneling effect to the improvement of the conductivity and piezoresistivity of a nickel powder-filled cement-based composite. Smart Mater. Struct., 18/2009, s Sett K.: Characterization and Modeling of Structural and Self- Monitoring Behavior of Fiber-Reinforced Polymer Concrete. Dissertation for the Master of Science in Civil Engineering, USA Hou T.C., Lynch J.P.: Conductivity-based strain monitoring and damage characterization of fiber-reinforced cementitious structural components. Proceedings of the SPIE, 5765/2005, s Lin V.W.J., Mo L., Lynch J.P., Li V.C.: Mechanical and Electrical Characterization of Self-Sensing Carbon Black ECC. Proceedings of the SPIE The International Society for Optical Engineering, 2011, s Cheng X., Wang S.D., Lu L.C., Huang S.F.: Influence of preparation process on piezo-conductance effect of carbon fiber sulfoaluminate cement composite. Journal of Composite Materials, 45 (20)/2011, s Rys. 4. Wykres pokazujący ilość stopionego lodu na powierzchni próbki betonu z nanorurkami węglowymi (CNT) w zależności od czasu [25] 10. Kostrzanowska-Siedlarz A.: Nanomodyfikacja betonu. Magazyn Autostrady, 11-12/2015, s Kostrzanowska-Siedlarz A.: Nowoczesne kierunki rozwoju technologii betonu. Magazyn Autostrady, 4/2017, s Kostrzanowska-Siedlarz A.: Właściwości nanokompozytów cementowych. Magazyn Autostrady, 5/2017, s Li H., Xiao H.G., Ou J.P.: Effect of compressive strain on resistance of carbon black filled cement-based composites. Cement and Concrete Composites, 28/2006, s Lin V.W.J., Mo L., Lynch J.P., Li V.C.: Mechanical and Electrical Cha acterization of Self-Sensing Carbon Black ECC. Proceedings of the SPIE The International Society for Optical Engineering, 2011, s Han B.G., Chen W., Ou J.P.: Study on piezoresistivity of cement-based materials with acetylene carbon black. Acta Mater. Compos. Sinica, 25 (3)/2008, s Li H., Xiao H.G., Ou J.P.: A study on mechanical and pressure sensitive properties of cement mortar with nanophase materials. Cement and Concrete Research, 34 (3)/2004, s Han B., Yu X., Kwon E.: A self-sensing carbon nanotube/cement composite for traffic monitoring. Nanotechnology, 20/2009, s Han B., Ding S., Yu X.: Intrinsic self-sensing concrete and structures: A review. Measurement, 59/2015, s Meehan D.G., Wang S.K., Chung D.D.L.: Electrical-resistance-based sensing of impact damage in carbon fiber reinforced cement-based materials. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 21 (1)/2010, s Fu X.L., Ma E., Chung D.D.L., Anderson W.A.: Self-monitoring in carbon fiber reinforced mortar by reactance measurement. Cement and Concrete Research, 27 (6)/1997, s Zheng L.X.: Study on the Compression Sensibility of Smart Concrete and its Structure. Dissertation for the Master Degree in Science, D Alessandro A., Ubertini F., Materazzi A.L.: Self-sensing concrete nanocomposites for smart structures. World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering, Vol. 10, 5/ Howser R.N., Dhonde H.B., Mo Y.L.: Self-sensing of carbon nanofiber concrete columns subjected to reversed cyclic loading. Smart Materials and Structures, 20/2011, s Klein L.A., Mills M.K., Gibson R.P.: Traffic Detector Handbook, third ed. U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Gomis J., Galao O., Gomis V., Zornoza E., Garcés P.: Self-heating and deicing conductive cement. Experimental study and modeling. Construction and Building Materials, 75/2015, s Magazyn Autostrady 8-9/2017