CN103344193B - 光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器，包括单模抗弯光纤缠绕线圈、温度补偿光纤光栅、直径5cm-8cm的混凝土圆柱体、水泥砂浆保护层、钢管、光缆。采用与被测混凝土材料相同配比的混凝土制作混凝土圆柱体，利用光纤缠绕线圈直接测量圆柱体混凝土的冻融引起的圆周向变形。可以监测整个测点处混凝土从服役期开始，在经历若干个冻融循环周期作用过程，以及最后保护层开裂，剥离整个过程中混凝土圆柱体的圆周向变形，实现对混凝土冻融膨胀应变的精确监测。同时采用光纤传感器技术，将大大提高传感器的耐久性。该封装方法制作的传感器适于桥梁、大坝等混凝土结构的冻融膨胀应变监测，具有工艺简单，布设方便，精确度高，寿命长等特点。
Description
技术领域
本发明属于结构工程安全监测和光纤传感技术领域，涉及到一种新型光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器。
背景技术
光纤传感技术是用于土木工程结构长期安全监测的理想传感元件，它具有高分辨率、高精度、体积小、耐久性好、抗电磁干扰、可进行长距离准分布式/分布式实时监测等优点，因而在结构健康监测传感技术中有广阔的应用前景，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，探测其损伤的传感器。
钢筋混凝土的冻融破坏是引起混凝土结构耐久性下降的重要影响因素之一。混凝土冻融破坏是由于混凝土中的水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土极限强度从而导致混凝土产生局部破坏。在我国东北、华北和西北地区的水利大坝，尤其是东北严寒地区的混凝土结构物，几乎100%的工程局部或者大面积地遭受不同程度的冻融破坏。对混凝土结构的冻融膨胀破坏进行实时监测，评估从而进一步的指导结构的科学维护是十分必要的。
目前，对于混凝土结构冻融监测的报道非常少，大部分的工作都是集中在实验室内对混凝土标准试块进行慢速、快速冻融试验，测量动弹模与质量损失率等相关参数，从而实现对标准试块混凝土材料冻融特性的评定。该种方法不适合在役钢筋混凝土结构冻融监测。
路新瀛，周勇等人提出一种实时在线监测混凝土冻融破坏的方法（CN102507661A），先在监测混凝土表面0～50mm内埋入成对梯度电阻探针，成对梯度电阻探针采用耐蚀金属棒，不同电阻探针对的埋深梯度为1～20mm，接近表面的电阻探针对间埋深梯度不超过5mm，然后将成对梯度电阻探针测得的混凝土阻抗值传输到监测中心进行处理，最后通过混凝土阻抗值的突变来判定混凝土的冻融剥离情况，该发明依据电阻探针和监测中心能够实现在线监测混凝土冻融破坏。该方法应用耐腐蚀金属棒作为探针，金属材料的应用必然引入传感器耐久性的问题。另外该传感器主要通过探针列阵实现混凝土冻融剥离的监测，而对于剥离前混凝土内部的冻融膨胀破坏却难以测量。
针对上述问题，为了实现对混凝土冻融破坏从初始状态到剥离范围内的高精度监测，本发明提出一种光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器，该传感器具有高耐久性，高精度等特点，可以实现对混凝土冻融膨胀破坏的表征参量，即冻融引起的圆周向变形的长期监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器。该传感器采用缠绕在细骨料混凝土圆柱体表面的抗弯单模光导纤维作为传感单元，可以应用该传感器对钢筋混凝土冻融冻胀引起的圆周向应变进行长期，稳定的监测。
本发明的技术方案是：
一种光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器，其封装结构包括：单模抗弯光纤缠绕线圈、温度补偿光纤光栅、直径5cm-8cm的混凝土圆柱体、水泥砂浆保护层、钢管、光缆。本发明将普通的单模抗弯光纤缠绕在直径为5cm-8cm的混凝土圆柱体表面，缠绕15-20圈，形成光纤缠绕线圈。为了保证单模抗弯光纤缠绕线圈与圆柱体的紧密结合，需要在缠绕过程中，对光纤施加应变为200-800με的预张拉应力。同时，打磨保证混凝土圆柱体的表面光滑。本发明采用与被测混凝土材料相同配比的混凝土制作混凝土圆柱体，利用光纤缠绕线圈测量圆柱体混凝土冻融循环引起的圆周向膨胀应变。可以应用光纤布里渊传感器技术或光纤白光迈克尔逊干涉传感技术实现对混凝土冻融引起的混凝土圆柱体的膨胀应变监测。通过传感器内部的另一温度补偿光纤光栅来修正环境温度对应变监测结果的影响，使应变监测更加精确的同时，同时实现钢筋混凝土结构内部温度的测量。
冻融膨胀应变在实际应用过程中，将该传感器直接固定安装在混凝土构件内部测点处后，进行混凝土浇筑即可。传感器靠近保护层一侧表面距离保护层表面5mm。当测点处混凝土受到外界环境冻融作用时，传感器内部的混凝土圆柱体将产生冻融引起的圆周向变形，该变形将引起光纤缠绕线圈的变形，即线圈的应变变化。基于该变形传递途经，应用光纤布里渊传感器技术或光纤白光迈克尔逊干涉传感技术可以实现测点冻融变形的监测。
本发明的效果和益处是，本发明采用与被测混凝土材料相同配比的混凝土制作混凝土圆柱体，利用光纤缠绕线圈直接测量圆柱体混凝土的冻融膨胀变形。可以监测整个测点处混凝土从服役期开始，在经历若干个冻融循环周期作用过程，以及最后保护层开裂，剥离整个过程中混凝土圆柱体的圆周向变形，实现对混凝土冻融膨胀应变的精确监测。同时本发明采用光纤传感器技术，将大大提高传感器的耐久性。
附图说明
图1是光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器封装结构示意图。
图2是光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器封装结构截面示意图A。
图3是光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器封装结构截面示意图B。
图中：1单模抗弯光纤缠绕线圈；2温度补偿光纤光栅；3混凝土圆柱体；4水泥砂浆保护层；5钢管；6光缆。
具体实施方法
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器的封装结构包括：单模抗弯光纤缠绕线圈、温度补偿光纤光栅、细骨料混凝土圆柱体、水泥砂浆保护层、钢管、光缆。
首先，应用模具或钻孔取样方式制作与待测混凝土相同材料配比的混凝土圆柱体，圆柱体直径范围为5-8cm，可根据具体混凝土测点情况选取具体直径。圆柱体位置预埋设用于保护温度补偿光纤光栅的钢管，在圆柱体制作过程中，将温度补偿光纤光栅埋入，一端自由，一端光纤引出，如图1，图3所示。待混凝土圆柱体养护完毕，将圆柱体表面打磨光滑，在圆柱体表面横向单层缠绕光导纤维形成光纤缠绕线圈。缠绕15-20圈，缠绕长度需要保证大于3m，缠绕过程中，保证每个小线圈之间的紧密接触。缠绕过程中，保证光纤线圈内部具有一定预张拉应力，预张拉水平以600-1500με为宜。待线圈缠绕完毕，采用502粘结剂将缠绕光纤两端固定在圆柱表面，两端光纤引出。最后在圆柱体外侧浇筑一层厚度为2-5mm的水泥砂浆保护层，完成对传感器的封装，如图2所示。
Claims (3)
1.一种光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器，其特征在于，该光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器包括单模抗弯光纤缠绕线圈、温度补偿光纤光栅、混凝土圆柱体、水泥砂浆保护层以及用于保护温度补偿光纤光栅的钢管；温度补偿光纤光栅一端自由，一段固定放置于钢管中，钢管埋设于混凝土圆柱体内；混凝土圆柱体的表面横向单层紧密并排缠绕15-20圈单模抗弯光纤，形成光纤缠绕线圈；单模抗弯光纤两端固定在圆柱体表面，两端光纤引出；最后在圆柱体外侧浇筑一层厚度为2-5mm的水泥砂浆保护层。
2.如权利要求1所述的光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器，其特征在于，缠绕过程中对单模抗弯光纤施加应变为600-1500με的预张拉，使其紧密缠绕在直径为5cm-8cm的混凝土圆柱体表面。
3.如权利要求1或2所述的光纤混凝土冻融膨胀应变监测传感器，其特征在于，光纤缠绕线圈的长度大于3m。
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