CN102445452A

CN102445452A - 用于实时监测钢筋腐蚀的方法

Info

Publication number: CN102445452A
Application number: CN2011102985555A
Authority: CN
Inventors: 孙丽; 孙茜茜
Original assignee: Shenyang Jianzhu University
Current assignee: Shenyang Jianzhu University
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102445452B

Abstract

本发明公开一种用于实时监测钢筋腐蚀的方法。包括以下步骤：（a）先将钢管封装的光纤光栅应变传感器表面涂一层锈转化涂料，涂装环境控制在温度为0℃~40℃，空气相对湿度小于等于80%范围；（b）使用打磨机对选用钢筋表面进行打磨，使其表面平整光滑，待用；（c）将步骤（a）所得的钢管封装的光纤光栅应变传感器，用胶粘贴在步骤（b）待用钢筋的打磨处；（d）用光纤光栅解调仪实时监测波长漂移量，同时，布设一根钢管封装的光纤光栅温度传感器，用来监测温度的变化，完成温度补偿工作。本发明不仅可以监测结构中钢筋的早期腐蚀，而且在监测过程中对光纤光栅传感器能够起到较好的保护作用，可实现性较强。

Description

用于实时监测钢筋腐蚀的方法

技术领域

本发明涉及一种结构工程中钢筋腐蚀的早期监测方法，尤其涉及一种用于实时监测钢筋腐蚀的方法。属于传感技术领域。

背景技术

1978年加拿大通信研究中心K.O. Hill制作出了世界上第一根光纤布拉格光栅。1989年，美国联合技术研究中心G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。之后，日本、美国、德国等许多国家的研究人员先后对光纤传感系统在土木工程中的应用进行了研究，迄今为止，光纤光栅被广泛应用于多个领域的多个方面。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有更多优势：体积小、重量轻、电绝缘性好、化学稳定性好、频带宽、灵敏度高、易于实现远距离多通道的遥测与控制等，同时可以实现对结构的在线实时监测，克服目前常规检测方法只能对钢筋混凝土中钢筋进行定期检测的不足。

钢筋混凝土结构是现在土建工程中主要的结构体系，它最主要的破坏原因之一就是钢筋的腐蚀，而钢筋腐蚀大部分都是由于钢筋表面的钝化膜遭到破坏。钢筋腐蚀对混凝土结构的耐久性和安全性有很大影响，同时也会使维护费用增加，甚至导致结构坍塌。所以，由钢筋腐蚀引起结构的过早破坏，已经成为世界各国普遍关注的一大灾害。如果能够对钢筋的腐蚀情况进行实时监测，发现缺陷后及时采取措施补救，这样就会增加结构的使用年限并且减少事故的发生。

在已有监测钢筋早期腐蚀的众多方法中，都仅仅考虑钢筋腐蚀状况的监测，而往往忽略传感器在监测过程中容易发生腐蚀损坏这一现象。如现有技术之一的利用钢筋锈蚀体积膨胀来监测钢筋锈蚀，如图2将裸光纤光栅6拉伸后紧紧地绕在钢筋4上，并用胶粘贴住起始点5和终止点7；在粘贴过程中始终保持对裸光纤光栅6的拉伸，这样给裸光纤光栅预先施加了一个应力。当钢筋受到腐蚀后，钢筋的直径会减小，相应裸光纤光栅受到的拉伸应变就会减小，直到应力被完全释放，传感器失效，相应光纤光栅受到的拉伸应变就会减小，能比较直接地反映锈蚀过程。但由于裸光纤光栅缠绕粘贴在钢筋上，裸光纤光栅长期处于弯曲状态，寿命缩短，不适合钢筋锈蚀的长期监测，并且裸光纤光栅无法胜任土木工程的粗放式施工，实用性较差。

发明内容

本发明就是针对上述问题提出来的，其目的是提供一种不仅可以监测钢筋的早期腐蚀，而且在监测过程中对光纤光栅传感器能够起到较好的保护作用，延长传感器的使用寿命，使其成为耐腐蚀传感器，继续监测钢筋应变变化，用以防止建筑结构由于钢筋腐蚀而突然破坏的实时监测钢筋腐蚀的方法。

为实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：

用于实时监测钢筋腐蚀的方法，包括：采用钢管封装的光纤光栅应变传感器及锈转化涂料，包括以下步骤：

（a）、先将钢管封装的光纤光栅应变传感器表面涂一层锈转化涂料，涂装环境控制在温度为0℃~40℃，空气相对湿度小于等于80%范围；

（b）、使用打磨机对选用钢筋表面进行打磨，使其表面平整光滑，待用；

（c）、将步骤（a）所得的钢管封装的光纤光栅应变传感器，用胶粘贴在步骤（b）待用钢筋的打磨处；

（d）、用光纤光栅解调仪实时监测波长漂移量，同时，布设一根钢管封装的光纤光栅温度传感器，用来监测温度的变化，完成温度补偿工作。（d）、用光纤光栅解调仪实时监测波长漂移量，同时，布设一根钢管封装的光纤光栅温度传感器，用来监测温度的变化，完成温度补偿工作。

步骤（b）所述的钢筋再用砂纸进一步打磨，使钢筋表面更加平整光滑。

步骤（b）所述的钢筋用脱脂棉球蘸无水酒精将打磨处擦洗干净，以防打磨的碎屑污染物质的影响。

所述的步骤（c）需在钢管封装的光纤光栅应变传感器的两端设涂胶区，保证钢管封装的光纤光栅应变传感器与钢筋紧密接触。

步骤（a）所述的涂装环境控制在温度为5℃~40℃。

为了证明本方法的优良效果，与现有技术的方法进行比较试验，两种方法采用相同的常温常压的自然条件下进行，具体过程包括：

（1）按照钢筋锈蚀体积膨胀来监测钢筋锈蚀的方法：选取五根裸光纤光栅直接作为传感器进行试验。由于裸光纤光栅非常纤细，它的外径约为125μm，主要成分是SiO₂，特别脆弱，尤其是它的抗剪能力很差，无外界保护时，特别容易脆断，所以在安装过程中，其中三根遭到破坏，无法继续进行腐蚀试验。而本发明的方法，采用由大连理工大学抗震研究所研发的钢管封装的光纤光栅应变传感器，使安装变的很容易，不用担心传感器在这一过程中就会被损坏，成活率可达99%。

（2）余下的两根裸光纤光栅安装成功，即将裸光纤光栅拉伸后紧紧地绕在钢筋上，并用502胶粘贴起始点和终止点；在粘贴过程中始终保持对裸光纤光栅的拉伸，这样给裸光纤光栅预先施加了一个应力。当钢筋受到腐蚀后，直径会减小，相应裸光纤光栅受到的拉伸应变就会减小，直到应力被完全释放，传感器失效。采用高精度电子秤称量腐蚀前后钢筋质量，得到钢筋的实际腐蚀率。按本发明的方法安装后也用高精度电子秤称量钢筋腐蚀前后的质量，得到钢筋的实际腐蚀率。在自然条件下钢筋腐蚀，用光纤光栅解调仪实时监测波长漂移量，再通过观察钢管封装的光纤光栅应变传感器和裸光纤光栅的波长漂移值，就可以间接得到钢筋的腐蚀率与应变之间的变化情况，在相同环境下，布设一根由大连理工大学抗震研究所研发的钢管封装的光纤光栅温度传感器，用来监测温度的变化，完成温度补偿工作，从而完成腐蚀程度的监测。

经过比较可以看出，在自然腐蚀的较长过程，截止到作为传感器的裸光纤光栅其中一根裸光纤光栅受外界影响较大，信号逐渐消失；而另一根裸光纤光栅的信号较弱，很难分析钢筋的腐蚀情况时，监测到采用本发明方法的钢管封装的光纤光栅应变传感器完好无损。因此，将裸光纤光栅直接作为传感器应用到实际工程中，将无法胜任土木工程中浇注等粗放式施工以及恶劣的服役环境，更不用提及对钢筋进行长期的监测。而本发明的方法，能够应用于土木工程的施工环境，不仅可以监测结构中钢筋的早期腐蚀，还会在监测过程中使其成为耐腐蚀传感器，继续监测钢筋应变变化，并且使得传感器的使用寿命延长，更适合钢筋腐蚀情况的监测。

本发明与现有技术相比具有如下优点效果：

本发明的方法操作简单、安装方便，对建筑结构无损坏，不仅达到对钢筋早期腐蚀进行在线实时监测，更利于及时发现缺陷部位。此外，待腐蚀后的产物与锈转化涂料完全反应后，生成的混合物质还可以对传感器起到保护作用，使传感器在监测过程中成为耐腐蚀光纤光栅传感器，延长传感器的使用寿命，可实现性强，极大限度的解决了结构工程中钢筋腐蚀的监测问题。

附图说明

图1：为按本发明方法安装的结构示意图；

图2：为按现有技术方法安装的结构示意图。

图中：1. 尾纤，2. 钢管封装的光纤光栅应变传感器，3.涂胶区，4. 钢筋，5. 起始点，6. 裸光纤光栅，7.终止点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

下述实施例采用了大连理工大学抗震研究所研发生产的钢管封装的光纤光栅应变传感器，深圳市惠特普科技公司研发生产的TF锈转化涂料。

实施例1

如图1所示，用于实时监测钢筋腐蚀的方法，包括以下步骤：

（a）、先将钢管封装的光纤光栅应变传感器2表面涂一层锈转化涂料，涂装环境控制在温度为25℃，空气相对湿度为80%范围；

（b）、为了保证钢管封装的光纤光栅应变传感器2与钢筋4表面能够充分接触，避免应变传递导致的测量误差，首先使用打磨机对钢筋4表面进行打磨，然后用砂纸进一步打磨，使钢筋4表面更平整光滑，为了防止打磨的碎屑等污染物质的影响，用脱脂棉球蘸取无水酒精将打磨处擦洗干净，待用；

（c）、将步骤（a）所得的钢管封装的光纤光栅应变传感2两端涂胶区3处，用502胶将其粘贴在步骤（b）待用钢筋4打磨处的，要能保证钢管封装的光纤光栅应变传感器2其它部位与钢筋4紧密接触，避免钢管封装的光纤光栅应变传感器问题对结果产生影响，粘贴完之后用高精度电子秤称其质量，并记录数据；

（d）、用光纤光栅解调仪实时监测波长漂移量，同时，布设一根钢管封装的光纤光栅温度传感器，用来监测温度的变化，完成温度补偿工作。

实施例2

（a）、先将钢管封装的光纤光栅应变传感器2表面涂一层锈转化涂料，涂装环境控制在温度为5℃，空气相对湿度为60%范围；其它同实施例1，不再赘述。

实施例3

（a）、先将钢管封装的光纤光栅应变传感器2表面涂一层锈转化涂料，涂装环境控制在温度为40℃，空气相对湿度为20%范围；其它同实施例1，不再赘述。

实施例4

（a）、先将钢管封装的光纤光栅应变传感器2表面涂一层锈转化涂料，涂装环境控制在温度为0℃，空气相对湿度为45%范围；其它同实施例1，不再赘述。

实施例5

（a）、先将钢管封装的光纤光栅应变传感器2表面涂一层锈转化涂料，涂装环境控制在温度为30℃，空气相对湿度为50%范围；其它同实施例1，不再赘述。

本发明的工作原理：

1、光纤光栅传感原理：光纤光栅的中心波长与有效折射率的数学关系是研究光栅传感的基础。光栅反射波长的基本表达式为：

λ _B =2n _eff·Λ （1）

其中，n _eff是光纤芯区的有效折射率；Λ为光纤周期。从公式（1）中可以看出，光纤光栅波长的变化由光纤光栅的有效折射率和光纤周期决定，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光纤光栅的波长漂移。在所有引起光纤光栅波长漂移的外界因素中，最直接的为应变(或应力)和温度参量。当光纤光栅受到外界应变(或应力)，无论是对光纤光栅拉伸还是挤压，都势必导致光纤光栅周期Λ的变化。

2、温度补偿原理：由于光纤光栅同时对温度和应变敏感，当温度和应变同时发生变化时，仅测量单个光纤光栅的波长变化量，将无法区分由温度和应变分别引起的波长变化，因此，当温度变化较大时，用光纤光栅做应变传感必须考虑如何去掉温度的影响，否则，会因为温度的变化而影响应变测量的精度，尤其在结构健康长期监测中，可以说没有考虑温度补偿的光纤光栅实际结构应变长期监测是没有意义的。在同一温度场中可以同时布置两根光纤光栅传感器，其一为光纤光栅应变传感器，用于测量被测物的应变，它同时受温度和应变的影响；另一个为光纤光栅温度传感器，布设在与被测物材料一致且不受力的构件上，用于测量被测物温度，它只受温度影响，这样就保证了两根光纤光栅发生相同的温度效应。假定温度与应变对光纤光栅中心波长的影响相互独立并且是严格线性的，温度与应变共同产生的波长变化可用下式表示：

Δλ _B =α _ε· ε+α _T· ΔT （2）

式中，α _ε为光纤光栅应变的灵敏度系数；α _T为光纤光栅温度的灵敏度系数；ΔT为温度变化量；ε为应变。从式（2）中可以看出，应变和温度对波长的作用可以当作是独立、线性叠加的。由于光纤光栅应变传感器和温度传感器处于同一个温度场中，两者发生相同的温度效应，对于应变传感器，消除掉温度变化引起的波长漂移，就可以得到应变单独引起的波长漂移。在同一温度场中，可使用一个光纤光栅温度传感器，实现对多个光纤光栅应变传感器的温度补偿。因此，在监测过程中，还需放置一根处于自由状态的光纤光栅，以测得由现场温度变化引起的波长漂移，扣除此漂移量才是由钢筋腐蚀引起的波长变化值。

3、钢筋早期腐蚀过程的测量：在构件的使用早期，定期检测光谱仪的波长变化，并做好记录。当钢筋未受到侵蚀介质的影响，腐蚀尚未发生时，波长没有变化；一旦在自然条件下钢筋发生腐蚀，涂料中的合成物质能渗入到疏松的锈蚀层间，与铁锈起化学反应，使有害的铁锈转化为无害的具有一定保护作用的络合物或螯合物，附着在钢筋表面，这种物质存在一定的厚度，会对与钢筋紧密接触的应变传感器产生一定的挤压力，使传感器的波长产生漂移。波长的漂移量越大，说明生成的保护物质越厚、铁锈量越大，间接的说明了钢筋腐蚀程度越大，以此判断钢筋的腐蚀情况。

Claims

1.用于实时监测钢筋腐蚀的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（d）、用光纤光栅解调仪实时监测波长漂移量，同时，至少布设一根钢管封装的光纤光栅温度传感器，用来监测温度的变化，完成温度补偿工作。

2.根据权利要求1所述的用于实时监测钢筋腐蚀的方法，其特征在于：步骤（b）所述的钢筋再用砂纸进一步打磨，使钢筋表面更加平整光滑。

3.根据权利要求1或2所述的用于实时监测钢筋腐蚀的方法，其特征在于：步骤（b）所述的钢筋用脱脂棉球蘸无水酒精将打磨处擦洗干净，以防打磨的碎屑污染物质的影响。

4.根据权利要求1所述的用于实时监测钢筋腐蚀的方法，其特征在于：所述的步骤（c）需在钢管封装的光纤光栅应变传感器的两端设涂胶区，保证钢管封装的光纤光栅应变传感器与钢筋紧密接触。

5.根据权利要求1所述的用于实时监测钢筋腐蚀的方法，其特征在于：步骤（a）所述的涂装环境控制在温度为5℃~40℃。