CN102095677A

CN102095677A - 一种钢筋混凝土锈裂监测方法及传感器

Info

Publication number: CN102095677A
Application number: CN 201010571592
Authority: CN
Inventors: 何勇; 金伟良; 毛江鸿
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN102095677B

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监测方法，利用传感器内部埋设的钢筋和不锈钢段，由电化学工作站定期检测其极化电流判断钢筋初始锈蚀时间，利用传感器内部铺设的环绕钢筋布置的传感光纤，由分布式光纤传感技术实时监测光纤应变，并推断钢筋混凝土处于锈胀或锈裂阶段，同时由标定曲线判断锈胀或锈裂程度。本发明还公开了实施了上述方法的传感器，通过对腐蚀钢筋极化电流及传感光纤应变监测，可以实现不损伤混凝土结构的前提下，对结构任意部位的钢筋混凝土进行锈裂的全过程监测，准确确定钢筋混凝土锈裂所处阶段及程度，应用于土木工程领域中钢筋混凝土结构的耐久性监测和评估。

Description

一种钢筋混凝土锈裂监测方法及传感器

技术领域

本发明涉及土木工程健康监测技术领域，尤其是钢筋锈蚀引起的混凝土锈胀开裂全过程监测方法及传感器。

背景技术

钢筋混凝土内钢筋锈蚀是导致结构耐久性失效的一个最主要因素，由钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构的过早破坏，已经成为世界各国普遍关注的一大灾害。由我国沿海桥梁、码头和工业建筑的调研结果可知，沿海混凝土结构存在着较为普遍的“钢筋锈蚀”问题且形势严峻，严重影响了结构的使用寿命。因此，准确的监测钢筋混凝土结构内钢筋初锈、混凝土膨胀开裂、结构承载力破坏的全过程，对于混凝土结构的使用性能评估和剩余寿命的预测均具有重要意义。

传统的钢筋锈蚀监测方法主要有间接参数监测和直接参数监测两大类。间接参数监测方法主要包括电化学方法和锈蚀影响参数监测法。上述方法受环境因素、混凝土材料性质、影响参数耦合、电磁干扰等影响，难以直接建立测试得到的参数和钢筋锈蚀之间一一对应的数学关系；直接监测法则是对钢筋锈蚀后的物理量进行监测，包括铁锈颜色变化、钢筋体积膨胀、混凝土开裂、混凝土与钢筋间粘结强度下降、钢筋截面积减小等，该方法能直观的观测钢筋锈蚀情况，但实际工程应用中往往难以实现混凝土的凿除和检查。

目前，钢筋锈蚀监测的光纤传感器研制方面已有相关研究。中国发明专利101566580A中公开了一种混凝土中感觉锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器，可监测钢筋锈蚀初始阶段Cl-含量和锈蚀过程中钢筋附件液态铁锈含量的监测。该专利能有效测试钢筋锈蚀产物变化，但无法评价锈蚀产物对钢筋混凝土结构性能的影响。

中国发明专利101008620B中公开了一种钢筋混凝土构件中钢筋锈蚀的监测方法，该方法将应变光纤光栅粘贴在同工程同材质的两根钢筋棒顶面，钢筋锈蚀后将产生直径变化，通过测量光纤光栅的波长移动量及速率推断钢筋腐蚀程度与速率。

中国发明专利101042328B中公开了一种长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器，利用贴着钢筋的位置平直地放置一根长周期的光纤光栅，定期由光谱仪观察长周期光纤光栅的投射谱变化，以此判断光栅时候发生了弯曲，并推断钢筋腐蚀程度与速率。上述专利均采用光纤光栅作为传感器监测钢筋锈蚀情况，能有效克服传统传感器寿命短、抗电磁能力差的缺点，但存在只能进行点式的监测，难以满足钢筋混凝土结构非均匀锈蚀的特点，无法准确的评价钢筋锈蚀整体情况，存在漏测和误判的风险。

中国发明专利1300571C中公开了一种埋入式微弯光纤传感器和微弯光纤传感器埋入与测试方法，由OTDR测试光纤因岩体变形、大变形岩体裂隙产生和发展、微观变形、宏观变形监测引起的微弯，该专利可捕捉到岩层初始变形，甚至是材料损伤，属于分布式光纤监测。该方法实现了岩体变形的分布式监测，但不能直观地从材料应变大小的角度判读材料开裂和裂化的全过程。

发明内容

本发明提供一种基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监测方法以及实施该方法的传感器，将该传感器埋入待测钢筋混凝土结构中，对钢筋锈蚀引起的混凝土锈胀开裂全过程进行监测。

以下论述基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的基本原理。

布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生互相作用而产生的光散射现象。当光纤沿线的温度发生变化或存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移。频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向布里渊散射的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。分布式光纤传感技术从光纤的两端分别注入脉冲光信号和连续光信号，当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率，可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率。光纤应变量、温度变化量与布里渊频率漂移量之间的关系如下式所示：

v_{B} (ϵ, T) - \frac{d v_{B} (T)}{dT} (T - T_{0}) = v_{B} (0) + \frac{d v_{B} (ϵ)}{dϵ} ϵ

式中，v_B(0)为初始应变、初始温度时布里渊频率频移量，v_B(ε，T)为在应变ε、温度T时布里渊频率漂移量，dv_B/dT温度比例系数，dv_B/d ε为应变比例系数，T-T₀为光纤温度差；ε为光纤应变变化量。

发生散射的位置至脉冲光的入射端的距离Z如下所示：

Z = \frac{c \cdot t}{2 n}

式中，c为真空中光速；n为光纤折射率；T为发出脉冲光至接收到散射光的时间间隔。

为实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：

钢筋混凝土锈裂的全过程监测包括钢筋初始锈蚀时间、混凝土锈胀和混凝土锈裂三个阶段的监测，为实现全过程监测，本发明采用的方法为：

一种基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监测方法，包括以下步骤：(a)传感器制作：采用圆柱形的混凝土浇筑模具，选取与工程所用材质相同的模拟钢筋并放置在模具中心，模拟钢筋长度略短于模具高度，在模具内埋设和模拟钢筋长度一致的不锈钢棒，钢筋端头和不锈钢端头用导线连出后用环氧树脂封闭，将传感光纤环绕钢筋布置，形成3道环向应变监测光纤，另外布置1道环境参数补偿光纤，该道光纤中心无钢筋穿过；选取与工程所用配合比相同的混凝土，浇筑进模具内部，养护完成后传感器制作完成；

(b)传感器标定：该标定试验采用钢筋通电加速锈蚀方法，将步骤(a)制作的传感器的待锈钢筋和不锈钢分别于恒流电源正负极连接，采用布里渊光时域分析仪(BOTDA或BOTDR)记录光纤应变值；将3道传感光纤所测的应变值减去设置1道的环境补偿光纤的应变值，通过最小二乘法拟合建立光纤应变值与钢筋锈胀率、体积膨胀率及裂缝宽度之间的关系曲线；

(c)传感器安装：在结构混凝土施工过程中，将步骤(a)制作的若干个传感器通过和结构钢筋绑扎的方式直接埋入不同结构部位的混凝土内部；各传感器之间通过冗余光纤和法兰接头相互连接，所有传感器埋设完毕后，通过传输光纤将其串联接入电化学工作站并连入中央控制室，用以监测数据分析和钢筋混凝土锈蚀状态评估。

所述的步骤(b)中若干个传感器的每个传感器沿钢筋长度方向等间距布置多道环向监测断面。

一种实施上述的基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监测方法的传感器，包括由混凝土浇筑的圆柱体试件，置于试件内部的模拟钢筋和不锈钢棒，3道环绕钢筋布置的传感光纤和1道用于环境参数补偿的传感光纤，钢筋端头和不锈钢端头用导线连出后用环氧树脂封闭。

所述的钢筋模拟钢筋和待测结构内部埋设的钢筋一致。

所述的圆柱体试件的半径和待测结构的混凝土保护层厚度大小一致。

所述的环绕钢筋布置的传感光纤距离混凝土表面不小于5mm，且每道冗余光纤长度大于1.0m。

所述的环境参数补偿光纤的直径和环绕钢筋布置的传感光纤一致。

当待测钢筋开始出现锈蚀后将产生锈蚀产物，该产物将填充混凝土空隙，从而导致的混凝土体积膨胀，最后使得混凝土拉应力值超过极限拉应力而开裂。将直径为900μm紧套光纤环绕钢筋并距离钢筋一定深度埋设传感光纤作为环向应变监测环，为消除空间分辨率对测量精度的影响，每个监测环处共需环绕长度大于1.0m的传感光纤，采用基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(BOTDA或BOTDR)记录应变监测环的光纤应变值，该值与钢筋锈胀率、混凝土体积膨胀率及裂缝大小有关。为提高监测准确性，每个传感器沿钢筋长度方向等间距布置多道环向监测断面以达到分布式监测要求，且可消除测试误差，各监测断面之间通过1m的冗余光纤连接进行定位，冗余光纤通过粘结在在圆柱体传感器外壁。

为准确获取待测钢筋混凝土锈裂状态，由传感器标定试验建立的光纤应变值与钢筋锈胀率、混凝土体积膨胀率及锈裂裂缝宽度之间的对应关系，再对传感器所测应变进行分析判断钢筋混凝土锈蚀状态。该标定试验采用钢筋通电加速锈蚀方法，将传感器待锈钢筋和不锈钢分别于恒流电源正负极连接，采用布里渊光时域分析仪(BOTDA或BOTDR)记录光纤应变值，通过最小二乘法拟合建立光纤应变值与钢筋锈胀率、体积膨胀率及裂缝宽度之间的关系曲线。环境中温度、湿度、混凝土含水量等参数变化均会引起混凝土膨胀和收缩，从而影响光纤应变值大小，对判断钢筋混凝土锈蚀状态产生影响。为消除该影响在传感器端部埋设环境参数补偿光纤，该光纤监测环中心位置不埋设钢筋和不锈钢，其光纤应变值仅受环境参数影响，利用该值可对应变监测光纤值进行修正，剔除环境参数影响以获得准确的钢筋混凝土锈裂信息。

实际工程结构中的钢筋锈蚀情况受水位、潮位、氯离子浓度、二氧化碳浓度、环境湿度等参数综合影响，为实现土木工程结构钢筋锈蚀全面、分布式监测，需在结构不同部位埋设传感器，各传感器通过法兰接头相互连接，该接头可在结构施工过程中埋入混凝土预留线盒内部。所有传感器埋设完毕后，通过传输光纤将其串联并连入中央控制室，用以监测数据分析和钢筋混凝土锈蚀状态评估。

本发明具有的有益效果如下：

本发明利用分布式光纤传感技术设计了钢筋混凝土锈裂监测方法及传感器，具有分布式、耐久性，抗电磁干扰、稳定性好等特点，能监测钢筋混凝土锈裂的全过程中混凝土体积膨胀、裂缝发展等各阶段的不同特性，实现对混凝土结构锈裂的全过程监测，使结构维护部门更有效的追踪了解和管理在役混凝土结构，为混凝土结构的耐久性预测和结果维护决策管理提供更有效的信息。本发明方法和仪器是一种专门用于钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀引起混凝土锈胀开裂监测，普遍适用于桥梁、堤坝、工业民用建筑等结构的长期耐久性监测。

附图说明：

图1为本发明的传感器的结构示意图。

图2为本发明传感器的原理图

图3为传感器在混凝土结构中埋入示意图。

图4为钢筋混凝土锈胀监测原理图。

图5为钢筋混凝土锈裂监测原理图。

图6为本实施方式传感器所测锈裂的全过程监测数据曲线图。

图7为本实施方式传感器所测膨胀至锈裂监测数据曲线图。

具体实施方式

进一步说明本发明技术方案，以下结合附图进行详细说明：

一、传感器制作

本实施方式的传感器在结构混凝土施工过程中，通过和结构钢筋绑扎的方式直接埋入混凝土内部，其结构特征如图1所示。

该传感器为特定长度的圆柱形混凝土试件1，半径和待测结构的混凝土保护层11厚度保持一致，其模拟钢筋15及混凝土材料和待测结构保持一致。传感器内部模拟钢筋15和不锈钢16长度略短于传感器长度，两端用环氧树脂密封后于导线连接，接入电化学工作站17判断其钢筋初始锈蚀时刻。

为达到分布式监测目的以及减少测试随机误差，在模拟钢筋段15范围内埋设多道环向应变传感光纤12等间距分布在钢筋段范围内。为消除环境温度、湿度、混凝土含水量变化对测量结果的影响，在模拟钢筋15范围内设置一道环境参数补偿光纤13，各道传感光纤之间通过冗余光纤14连接，该冗余光纤长为1.0m，一方面用以连接各道传感光纤，另一方面用以对各道传感光纤进行定位。

为保证传感光纤安全运行，传感光纤距离传感器表面不小于5mm，且为消除空间分辨率影响提高测量精度，每道环向应变传感光纤处环绕长度大于1.0m的传感光纤，使得每道监测位置存在多环监测传感光纤。传感器最后通过传输光纤18连入布里渊光时域分析仪19，从而实现结构锈裂的全过程监测。

二、传感器监测总体方法

如图2所示，本实施方式的基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监测光纤传感器的数据采集设备主要由两部分组成，分别是电化学工作站和分布式光纤传感技术(BOTDA或BOTDR)。其中电化学工作站的正负极分别连接本传感器中的锈蚀钢筋和不锈钢棒两端，可通过极化电流判断钢筋的初始锈蚀时刻。基于布里渊散射技术的分布式光纤传感技术(BOTDA或BOTDR)连接本传感器的监测光纤，该监测光纤包括应变监测环向传感光纤和环境参数补偿光纤，其中环境参数补偿光纤可滤去温度、湿度、混凝土含水量等环境因素对应变监测光纤测量值的影响。应变监测环向传感器起到同时监测混凝土锈胀和混凝土锈裂两个阶段，当光纤应变小于混凝土极限开裂应变时，实际混凝土结构处于锈胀阶段，可由传感器标定试验获取的混凝土膨胀率和光纤应变之间的关系判断混凝土的锈胀程度；当光纤应变超过混凝土极限开裂应变，则实际混凝土结构处于锈裂阶段，可由传感器标定试验获取的裂缝开展和光纤应变之间的关系判断混凝土的锈裂裂缝宽度。

三、传感器在实际钢筋混凝土结构中的埋设方法

钢筋混凝土锈裂时将在混凝土保护层位置出现沿着钢筋纵向方向的通长裂缝，将传感器埋设在保持层可有效监测裂缝的开展过程，如图3所示。在建筑结构设计规范中，待监测钢筋32的结构保护层11厚度会根据结构重要性、所处环境不同，本实施方式设计的传感器1的半径和待测结构的混凝土保护层11厚度一致，传感器的模拟钢筋也依据待测钢筋选取。为减少监测数据的随机性，可在相同位置埋设多个传感器，各传感器之间通过连接法兰34连接。同时，钢筋混凝土结构腐蚀状况受水位、潮位、氯离子浓度、二氧化碳浓度、环境湿度等参数综合影响，将传感器1在结构不同部位、不同高程后，通过转输光纤18和连接法兰34可将各传感器进行串联，最后连入监测中央控制室。

四、传感器锈裂过程监测基本原理

钢筋出现初始锈蚀后，锈蚀产物填充混凝土空隙，使得混凝土出现体积膨胀，在混凝土应变达到极限拉应变之前，混凝土体积不断增加，如图4所示。体积膨胀前传感光纤位置41图中实线所示，当体积膨胀后传感光纤被均匀拉伸至虚线位置42，此时光纤长度变化产生使得光纤产生拉应变值，该值可通过分布式光纤传感技术(BOTDA或BOTDR)量测，一般小于200με。当混凝土应变超过混凝土极限拉应变时，混凝土将产生初始裂缝，如图5所示。产生锈胀裂缝51以后，未开裂处52传感光纤仍然与混凝土存在很好的粘结作用，而开裂位置53的传感光纤12将在裂缝位置被显著拉伸，使得光纤产生较大的拉应变，通过标定试验获取的光纤应变与裂缝宽度的关系可获得光纤位置处的裂缝宽度信息。

五、传感器标定曲线分析

将本实施方式的钢筋混凝土锈裂监测光纤传感器进行标定试验，传感器浸泡在5％的盐溶液中，并将传感器内部钢筋和不锈钢连接至恒流电源正负极，对其进行加速通电锈蚀，锈裂的全过程监测数据如图6所示，锈胀至开裂阶段监测数据如图7所示。图中绘制了其中一道应变监测环的标定数据，在该数据中已剔除环境参数影响。由图6监测数据可知，该标定试验经历了三个主要阶段，0小时至15小时为混凝土膨胀阶段，15小时至45小时为裂缝稳定开展阶段，45小时至60小时为裂缝不收敛开展。图7显示了混凝土锈胀至开裂阶段的详细信息，由图可知，0小时至14小时，此时混凝土处于膨胀阶段混凝土应变小于150με，当通电至14小时后，混凝土应变急剧增加，采用裂缝观测仪可发现宽度0.05mm的微裂缝，随着通电时间的增加，裂缝宽度不断增加，光纤所测应变逐步增大，两者存在明显的一致性，标定试验充分说明本传感器的工作性能。

六、现场实际监测

在现场实际应用时，制造由现场应用的钢筋和混凝土材料组成的传感器，并利用室内通过加速锈蚀试验建立光纤应变和混凝土膨胀及锈裂的关系曲线对所测数据进行分析，从而评估结构的耐久性。

Claims

1.一种钢筋混凝土锈裂监测方法，包括以下步骤：

(a)传感器制作：采用圆柱形的混凝土浇筑模具，选取与工程所用材质相同的模拟钢筋并放置在模具中心，模拟钢筋长度略短于模具高度，在模具内埋设和模拟钢筋长度一致的不锈钢段，模拟钢筋端头和不锈钢端头用导线连出后用环氧树脂封闭，采用电化学工作站测量钢筋和不锈钢之间的极化电流，判断钢筋初始锈蚀时间；将传感光纤环绕钢筋布置，形成3道环向应变监测光纤，另外布置1道环境参数补偿光纤；选取与工程所用配合比相同的混凝土，浇筑进模具内部，养护完成后传感器制作完成；

(b)传感器标定：该标定试验采用钢筋通电加速锈蚀方法，将步骤(a)制作的传感器的待锈钢筋和不锈钢分别于恒流电源正负极连接，采用布里渊光时域分析仪记录光纤应变值；将3道传感光纤所测的应变值减去设置1道的环境补偿光纤的应变值，通过最小二乘法拟合建立光纤应变值与钢筋锈胀率、体积膨胀率及裂缝宽度之间的关系曲线；

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土锈裂监测方法，其特征在于：所述的步骤(b)中若干个传感器沿钢筋长度方向等间距布置。

3.一种实施上述钢筋混凝土锈裂监测方法的传感器，其特征在于：包括由混凝土浇筑的圆柱体试件，置于试件内部的模拟钢筋和不锈钢棒，3道环绕模拟钢筋布置的传感光纤和1道用于环境参数补偿的传感光纤，钢筋端头和不锈钢端头用导线连出后用环氧树脂封闭。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述的模拟钢筋和待测结构内部埋设的钢筋一致。

5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：圆柱体试件的半径和待测结构的混凝土保护层厚度大小一致。

6.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：环绕钢筋布置的传感光纤距离混凝土表面不小于5mm，且每道传感光纤长度大于1.0m。

7.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：环境参数补偿光纤的直径和环绕模拟钢筋布置的传感光纤一致。