CN102288610B

CN102288610B - 采用透水砂浆封装钢筋锈蚀光纤传感器的方法

Info

Publication number: CN102288610B
Application number: CN 201110202066
Authority: CN
Inventors: 胡文彬
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: CN102288610A

Abstract

采用透水砂浆封装钢筋锈蚀光纤传感器的方法，其采用高渗透性砂浆作为封装材料，为镀有敏感膜材料的光纤或光栅锈蚀传感器提供保护，其具有一定的强度和较高的渗透性。在其制作中，采用直径在1mm与1.5mm之间的间断级配细砂，水和水泥，按质量比为：水∶水泥0.2～0.5∶1，砂∶水泥3～4∶1拌合，制成流动度为200-300mm砂浆；将光纤光栅置于直径为3～30mm的管状容器里，将配置好的砂浆从容器顶端灌入，成型后取出，即得到封装好的光纤传感器。成型后的砂浆其孔隙率为10％～25％，透水系数为3～30mm/s，强度为10～25MPa。本封装方法能为传感器提供具有一定强度的保护，且微观上保持与外界环境的畅通，使得腐蚀性物质可以穿透孔隙。该方法操作简单，安装方便，适于规模化生产和应用。

Description

采用透水砂浆封装钢筋锈蚀光纤传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种基于光栅的钢筋锈蚀监测传感器的封装方法。主要应用于混凝土建筑工程的钢筋腐蚀监测，属于腐蚀防护与监测领域。

背景技术

钢筋混凝土结构是现代土木工程结构的主要形式，其性能依赖于钢筋和混凝土的状态以及两者之间的良好结合。由于混凝土碳化、开裂或者侵蚀盐分渗入等原因，钢筋锈蚀成为混凝土结构中的普遍现象。在我国北方，化冰盐的大量使用是造成混凝土结构破坏的主要原因。在我国南方，海水引起的侵蚀则是大型港口建筑和跨海桥梁的破坏主因。为了及时掌握混凝土结构安全状态，监控运行期间锈蚀的发生和发展，对早期锈蚀进行预警，需要在有高锈蚀风险的混凝土结构上应用钢筋实时锈蚀监测系统。

传统的钢筋锈蚀监测手段包括目测法、机械(力学)试验，以及钻孔取样法。由于混凝土结构内部钢筋所处环境特殊(如难以接触、无法更换、取样常常破坏结构整体性)，使传统腐蚀监测方法的应用存在较大局限性。电化学方法也是被广泛使用的常规方法，包括宏观腐蚀电池电流法、线性极化电阻法、电化学噪音法、电化学阻抗谱、电流脉冲法，以及恒电量法等等。但是此类方法存在探针引线绝缘层老化、不能抗电磁场干扰、仅能获取局部环境的腐蚀信息、不能真实反映钢筋的腐蚀程度等诸多缺点。

光栅是一种具有周期性折射率改变的光学微结构，对满足条件的特定波长的光具有高反射率，该波长称之为布拉格波长。当这种内在微结构的折射率或周期发生变化时，布拉格波长值也随之发生变化。光纤光栅传感器由于其特有的抗电磁干扰、防爆绝缘、体积小，精度高，重复性和操作性较好，以及可进行分布测量等特点，广泛用于建筑物和大型机械的结构健康监测、火灾报警、油库和油田安全监测、以及危险气体报警等等领域。

本申请人发明的基于镀有敏感膜的光栅金属锈蚀的监测方法及其传感器(专利申请号：201010201763.4)将锈蚀敏感膜与光栅对的应变敏感的特点相结合，充分利用现有的光栅分布监测系统和解调技术，将用于结构监测的光栅同时应用于混凝土的钢筋锈蚀监测。为了保证封装后的传感器与混凝土紧密结合，消除两者间的界面所造成的影响，需要将封装传感器直接插入塑性的混凝土中。但是光纤光栅锈蚀传感器由于其载体的柔软特性，在高硬度颗粒较多的混凝土中易受到损伤而折断，并且在混凝土成型过程中不可避免采用搅拌或振捣等机械手段，增加了传感器折断风险。

因此，需要一种封装方法保证传感器的功能和使用寿命。这种封装保护方法既能提供刚性支撑，又能避免外界的机械损伤，而且不会妨碍传感器的传感环境，即外界的腐蚀性离子仍然能穿过孔隙腐蚀光栅表面的锈蚀敏感膜，使得传感器的敏感膜所处的腐蚀环境与所监测钢筋的环境具有一致性。

在现有的光纤锈蚀传感器封装方法中，吴瑾在其专利(申请号200910029971.8)中提到一种光纤传感器的封装方法，同样采用预制件形式，但是其特点在于采用结构致密的砂浆，通过在砂浆中掺入一定比例的硅灰，以提高致密度，使得传感器周围物质渗透速率与混凝土一致。但是这种封装方法由于不具有多孔性和渗透性，实际上阻隔了外界的腐蚀性物质向传感器渗透，因此不能用于专利申请号：201010201763.4所描述的镀有敏感膜的锈蚀传感器。

赵雪峰在其专利(专利申请号：201010159640.9)中提到一种透水封装盒，用于保护所描述的BOTDR光纤腐蚀传感器，但是并未指明该透水封装盒采用何种材料，或者用的是市售封装盒还是自制封装盒。因此有必要发展一种新的封装方法，用以保护基于敏感膜的光纤类型锈蚀传感器。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种采用透水砂浆封装钢筋锈蚀光纤传感器的方法。采用渗透性良好的的多孔砂浆作为金属锈蚀传感器的封装材料，具有一定的硬度以保证传感器在恶劣环境下面的生存，不受混凝土成型过程中的应力和机械撞击的影响，同时具有较好的渗透性，使得外部腐蚀性离子仍然能通过孔隙抵达敏感膜，保证传感器的正常工作。

本发明目的采用下述技术方案来实现。

一种钢筋腐蚀光纤光栅传感器的封装方法，钢筋腐蚀光纤光栅传感器封装在砂浆中做成预制件形式，其特征在于，采用具有高渗透性砂浆为封装材料，固化后的砂浆其强度值为10～25MPa，孔隙率为10～25％，透水系数为3～30mm/s。

本发明技术方案中，所述的封装材料为直径1mm与1.5mm之间的间断级配细砂与水和水泥拌合物，其流动度为200～300mm，其中质量比为：水∶水泥0.2～0.5∶1，砂∶水泥3～4∶1。

本发明的一种钢筋腐蚀光纤光栅传感器的封装方法，包括以下过程：

1)配置渗透性强的砂浆：采用直径在1mm与1.5mm之间的间断级配细砂，水和水泥，按质量比为：水∶水泥0.2～0.5∶1，砂∶水泥3～4∶1拌合，制成流动度为200～300mm的砂浆；

2)将光纤光栅置于直径为3～30mm的管状容器里，将配置好的砂浆从容器顶端灌入，轻轻振捣管壁让砂浆自由下落，确保砂浆将位于容器正中心的光纤侧表面完全裹护，装满后轻振消除气泡和空隙，经自然养护，成型后将容器剥离，制成传感器封装件，成型后的砂浆其孔隙率为10～25％，透水系数为3～30mm/s，强度为10～25MPa。

本发明所保护传感器(专利申请号：201010201763.4)的工作原理在于：

钢筋在正常混凝土的高碱性环境下，由于钢筋表面钝化膜的保护，钢筋是不会发生锈蚀的。但是如果钢筋混凝土位于恶劣环境下，特别有腐蚀性诱因的环境下，表面钝化膜将发生破坏，诱因包括混凝土的碳化，氯离子的侵入。钢筋锈蚀产物包括Fe₃O₄，Fe₂O₃和γ-FeOOH等复杂产物，这些产物造成体积急剧膨胀，在钢筋周围的混凝土产生锈胀力，最终使得混凝土产生开裂。因此，采用与钢筋类似的薄膜镀制在光栅表面，在腐蚀环境下也会产生膨胀。这种膨胀传递到光栅，导致光栅的布拉格波长发生变化。

本发明的工作原理在于：

配制具有高渗透性的砂浆，将柔软的光纤传感器完全包裹，成型后制成内置有光纤传感器的预制件形式。包裹光纤的封装砂浆成型后有较好的强度，可以保护柔软的光纤传感器。当用于混凝土监测时，将该预制件插入未成型混凝土砂浆中，在混凝土砂浆振捣成型过程中为所封装传感器提供支撑和保护。封装砂浆采用间断级配细砂(直径范围1～1.5mm)填充，采取水与水泥质量比为0.2～0.5∶1，浆体与集料质量比为0.38～0.79∶1，使得其具有10％～25％的孔隙率，3～30mm/s的透水系数，保证有足够孔隙让水蒸汽、水分子和腐蚀性离子通过。

本发明的优点为：

为所封装传感器提供刚性保护，保证腐蚀性离子和水蒸汽得以通过砂浆孔隙，使得传感器所处环境与所监测钢筋所处环境具有类比性。其操作过程简单，易于实施。

附图说明

图1钢筋腐蚀光纤光栅传感器封装在砂浆中的预制件形式

图2制作图1所示的预制件过程示意图

图3图1所示的预制件置于混凝土中的示意图

图中：1：光纤(光纤光栅实为光纤的一段局部)，2封装砂浆，3制作预制件所用的容器，4混凝土成型所用容器，5混凝土。

具体实施方式

实施方式如图2所示，选用直径为5～10mm，长度为大约50mm的管状容器3，下端封闭，留小口以便透气，将光纤1插入容器中，从上方缓慢灌入配制好的砂浆2(描述如下)，轻轻振捣管壁让砂浆自由下落，待其填满，确保砂浆将位于正中心的光纤侧表面完全裹护，装满后轻振消除气泡和空隙，经自然养护，成型后将容器剥离，即制成钢筋锈蚀光纤传感器的透水砂浆封装件。

由于所用管状容器较细的原因，需要配制的砂浆除了具有高渗透性的特点外，还需要具备较好的流动性，便于顺着容器下滑至底部。可参考下面所列砂浆：

表1实验用封装光纤光栅砂浆质量配比(g)

粗骨料所用砂：直径在φ1mm和φ1.5mm之间。所配制砂浆流动度为245mm。

所用水泥为为湖北黄石华新水泥厂生产的PI 52.5水泥，其中水泥的化学成分和物理性能详见表2。

表2水泥化学成分及物理性能

制成的钢筋锈蚀光纤传感器的透水砂浆封装件的工作方式如图3。在装有混凝土砂浆5的成型容器4中，插入封装后的传感器2，保证光纤尾纤裸露在外。插入方式由所测钢筋的方向决定。在混凝土砂浆振捣成型过程中，其传感器均能受到保护，避免机械损伤。待混凝土成型后，传感器即跟所监测钢筋处于同等环境。

尽管参照了具体的实施例描述本发明，但该描述并不意味着在局限的意义上来理解。参照本发明的描述，其适用范围可扩大至所有需要跟所测环境相连通的，载体刚性不够强的传感器的封装，例如镀有敏感膜的光纤传感器，测试腐蚀性离子浓度的其他类型传感器等等。

Claims

1.一种钢筋腐蚀光纤光栅传感器的封装方法，钢筋腐蚀光纤光栅传感器封装在砂浆中做成预制件形式，其特征在于，采用具有高渗透性砂浆为封装材料，砂浆固化后具有强度为10~25 MPa，孔隙率为10~25%，透水系数为3~30 mm/s：所述的封装材料为直径1 mm 与1.5 mm之间的间断级配细砂与水和水泥拌合物，其流动度为200~300 mm，其中质量比为：水:水泥0.2～0.5:1，砂:水泥 3～4:1。

2.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀光纤光栅传感器的封装方法，其特征在于：包括以下过程：

1）配置砂浆：采用直径在1 mm 与1.5 mm之间的间断级配细砂，水和水泥，按质量比为：水:水泥0.2～0.5：1，砂:水泥 3～4:1拌合，制成流动度为200-300 mm的砂浆；

2）将光纤光栅置于直径为3~30mm的管状容器里，将配置好的砂浆从容器顶端灌入，振捣管壁让砂浆自由下落，确保砂浆将位于容器正中心的光纤侧表面完全裹护，装满后消除气泡和空隙，经自然养护，成型后将容器剥离，制成传感器封装件，成型后的砂浆其孔隙率为10~25%，透水系数为3~30 mm/s，强度为10~25 MPa。