《Sensors and Actuators A: Physical》：Critical application technologies and challenges in the prognostics and health management (PHM) technology system: A review
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紫外固化原位管道（UV-CIPP）修复中树脂基复合材料固化度监测技术研究进展，分析光引发聚合机理与性能关联，对比传统方法（如FTIR、DSC）与在线技术（光纤传感）的原理、适用场景及工程限制，提出多技术融合、AI与数字孪生赋能的智能闭环控制发展方向，为提升管道修复质量与长期可靠性提供理论支撑。
王培杰|于恒静|景文琳|张武|曹京国|高春燕
中国建筑基础设施集团有限公司，北京 100029，中国
摘要
紫外线固化原位管道（UV-CIPP）修复技术作为一种高效且环保的非开挖管道修复方法，其修复质量在很大程度上取决于树脂基复合材料的固化程度。固化不足会损害材料的机械性能并增加长期使用风险，因此需要可靠且精确的固化监测技术。本文系统地探讨了UV-CIPP树脂基复合材料固化程度监测技术的最新进展。首先详细介绍了UV树脂的光引发自由基聚合机制及其相应的结构-性能关系。接着，全面比较了传统的表征方法和新兴的在线监测技术，涵盖了它们的基本原理、关键特性、适用范围和局限性。虽然传统方法具有较高的准确性，但缺乏实时反馈能力；而在线监测虽然可以实现原位监控，但仍受到环境干扰、实施成本较高以及模型通用性有限等挑战的影响。最后，文章讨论了未来的发展方向，包括集成多技术策略、人工智能和数字孪生技术，以及灵活的传感器设计和提升的工程应用性。这些发展有望促进UV-CIPP修复过程中的智能闭环过程控制和可靠的质量保证。
引言
随着城市地下管道系统的普遍老化，结构故障、泄漏及相关安全事件日益威胁到城市运行和公共安全。自2008年引入中国以来，紫外线固化原位管道（UV-CIPP）技术已成为广泛采用的非开挖修复方法。由于其快速的固化能力和优异的耐腐蚀性，UV-CIPP能够有效恢复雨水和污水管道的结构完整性和功能，显著延长管道使用寿命并降低长期维护成本。因此，这项技术在提高城市管道系统的可靠性和可持续性方面发挥着重要作用[1]、[2]、[3]。
树脂-玻璃纤维复合材料是UV-CIPP系统的核心材料，具有优异的拉伸和压缩强度[4]。在各种性能指标中，固化程度是评估修复质量的关键参数，因为它直接影响管道修复后的机械性能和服务寿命。Xia等人[5]通过三点弯曲试验和微观形态分析表明，固化不足会显著降低UV-CIPP复合材料的抗弯强度。在一定范围内，抗弯性能随紫外线照射时间和灯强度的增加而提高；然而，一旦固化条件超过最佳范围，过度的放热反应温度可能导致基体开裂、界面脱粘和层间分层，最终降低抗弯强度和模量。Akderya[6]报告称，UV固化复合材料的抗弯强度随后固化时间逐渐增加，在大约30分钟后达到峰值；进一步延长照射时间会导致强度下降，这是由于表面老化和内部结构缺陷所致。Mohammed等人[7]进一步指出，过度的固化条件会引发过度的放热反应，导致树脂交联网络退化，从而使材料的断裂伸长率显著降低，脆性增加。因此，固化不足会导致材料交联不完全，使得管道难以满足强度、刚度和耐腐蚀性的设计要求；相反，过度固化可能会增加材料的脆性并降低韧性，这也可能对管道的长期可靠性产生不利影响。
UV-CIPP复合材料固化程度的在线监测面临多重技术挑战。首先，固化过程具有高度动态性，需要实时跟踪其变化以便及时调整工艺参数（如紫外线强度和固化时间），从而确保固化质量[8]。其次，监测技术必须具有高准确性和可靠性，测量结果应真实反映材料的实际固化状态，以支持合理的工程决策。此外，由于管道的复杂几何形状和多样尺寸，在固化过程中复合材料内部可能发生不均匀固化，需要全面监测不同区域[9]。
此外，地下管道环境通常具有高湿度、黑暗、空间狭小以及可能存在腐蚀性介质的特点，这对监测设备的耐腐蚀性、稳定性和环境适应性提出了严格要求。同时，固化过程涉及多种物理化学现象的耦合，包括光化学反应、热传递和机械变形，导致固化程度与监测信号之间的关系复杂，难以建立准确的表征模型[10]。此外，由不同树脂基体和增强材料组成的UV-CIPP复合材料表现出不同的固化行为，使得通用监测方法和模型往往不适用，需要针对特定材料系统进行定制研究。
尽管现有的综述总结了复合材料的固化监测技术，但大多数研究关注的是通用复合材料系统。很少有研究将UV-CIPP非开挖管道修复作为特定工程场景，系统地探讨固化程度监测、工程适用性、现场部署挑战及其与长期性能的相关性。本文基于实际的UV-CIPP施工要求，回顾了用于UV-CIPP修复的复合材料固化过程监测技术的最新研究进展。系统分析了复合材料固化反应的基本机制，并确定了与固化程度直接相关的关键物理参数。结合不同固化阶段的物理化学特性，全面讨论了两种主要的固化程度监测方法——传统方法和新兴技术，阐明了每种方法在实际施工过程中的原理、特点、适用场景和工程价值。
节选内容
光引发自由基聚合机制
树脂固化是指在引发剂和促进剂的作用下，不饱和聚酯和交联剂的混合物通过自由基聚合反应从粘稠的线性液体转变为不可熔且不溶的固体，形成三维交联网络（如图1所示）。现代紫外线固化技术主要基于两种类型的化学反应，即自由基聚合和阳离子聚合
傅里叶变换红外光谱（FTIR）
傅里叶变换红外光谱（FTIR）通过探测化学键的振动吸收带来分析固化前后的化学结构变化。作为一种中红外响应分析技术，FTIR基于分子官能团对不同波长红外辐射的选择性吸收，从而能够识别分子结构和化学组成。在测试过程中，红外辐射穿过样品
光纤传感方法
近年来，光纤技术的进步为复合材料固化过程的监测提供了重要支持。光纤传感器利用光纤的光导特性，将测量对象的物理或化学参数变化转换为相应的光信号变化。用于复合材料固化监测的光纤传感器包括折射率传感器、红外传感器等
工程适用性分析
已经开发出多种技术来监测复合材料的固化行为，每种技术都有其独特的优势和局限性。光谱方法（如FTIR）能够直接表征化学键的变化，而热分析技术（如DSC）可以准确评估固化动力学；然而，这两种方法通常限于实验室环境，因为它们需要离线操作和专门的仪器。相比之下，传感技术
展望与未来方向
UV-CIPP树脂基复合材料的固化程度监测是确保修复管道结构完整性和长期服务性能的关键技术基础。该领域已从高精度的离线表征发展到原位实时监测，并正朝着智能化的闭环过程控制方向发展。然而，这一领域仍存在一些核心挑战需要解决。
首先，大多数现有的传感单元
结论
本文综述了当前UV-CIPP复合材料固化状态监测的技术现状，对从基本原理到实际应用的限制进行了全面评估。传统的表征技术（如FTIR和DSC）在评估树脂基复合材料的固化程度方面具有较高的准确性；然而，它们的离线特性限制了实时反馈的功能，使其主要应用于实验室研究
CRediT作者贡献声明
王培杰：撰写——综述与编辑、初稿撰写、可视化、监督、资源协调、项目管理、方法论、概念构思。于恒静：初稿撰写、可视化、概念构思。景文琳：初稿撰写。张武：综述与编辑、初稿撰写。曹京国：综述与编辑、初稿撰写、可视化、监督、资源协调、项目管理、方法论、概念构思。
声明
在准备本手稿的过程中，作者使用了ChatGPT来提高语言的清晰度和可读性。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国建筑基础设施集团有限公司的科学技术研发项目的资助（CSCIC-2024-KT-03）。
王培杰（第一作者）在中国天津科技大学获得环境工程硕士学位。她的研究重点是紫外线（UV）原位固化修复技术在管道系统中的应用。她目前的研究兴趣包括固化行为表征、原位监测技术以及UV-CIPP复合材料的性能评估。
