CN103616325B - 一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合 - Google Patents

Abstract

一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合由光纤传感器和补偿传感器组成，光纤传感器和补偿传感器有：钢筋元件；增强纤维玻璃钢支座；光纤布拉格光栅及连接光纤；护套管；硅胶片；钢筋元件涂装区；钢筋元件未涂装区；砂浆外壳；其光纤传感器的钢筋元件为被测钢筋，补偿传感器钢筋元件为316L不锈钢钢筋。一定程度抵消砂浆的反作用力；有利于监测钢筋局部腐蚀，并提高监测的灵敏度；采用316L不锈钢代替普通钢筋的方式制作补偿传感器，原理简单，操作方便。结构简单、制作方便、成本低廉，灵敏度好、准确性高、抗电磁干扰强，可靠性高、耐久性好、稳定性高，适用于多种环境下如盐碱地、海水、除冰盐等钢筋混凝土结构的长期耐久性监测。

Description

一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合

技术领域

本发明属于光纤传感器，特别涉及可对腐蚀环境下钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀进行在线无损定量监测的一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合，可应用于土木工程结构的耐久性监测和评估。

背景技术

处于腐蚀环境下的钢筋混凝土结构在使用过程中材料性能往往会逐步劣化，导致整体结构的耐久性不足。目前，混凝土结构耐久性问题已成为当今世界工程界普遍关注的焦点。影响钢筋混凝土结构耐久性的常见因素包括混凝土碳化、钢筋腐蚀、冻融破坏等。其中，钢筋腐蚀是影响耐久性的首要原因，且具有普遍、隐蔽以及后期加速发展、更难维修等特点。钢筋腐蚀监测可实时监测钢筋腐蚀的发生与发展，为尽早分析结构腐蚀破坏因素，及时采取应对措施提供必要条件，是提高结构耐久性的有效措施。

目前，常用的钢筋腐蚀检/监测方法主要有：钻芯取样法、半电池电位法、线性极化法、宏电流法、脉冲电流法等。钻芯取样法能较准确地测量钢筋腐蚀率，但这种方法会破坏结构的完整性。半电池电位法对结构破坏较小，但其只能定性判断钢筋腐蚀状况。其它三种技术与半电池电位法一样，属于电化学测试技术，理论上讲能够定量测量钢筋腐蚀率。然而实际上，由于混凝土介质中引起钢筋腐蚀的因素很多（包括Cl^-浓度、O₂含量、pH值等），而且电化学测试容易受介质条件影响，导致单种电化学测试技术往往很难真实反映钢筋腐蚀状况，必须将多种技术和参数结合综合分析才能合理地判断真实状况。此外，传统的检测方法需要逐点检测，工作量大，而且易受人为因素和自然条件（如风浪、天气等）的影响，耗费人力物力。而且，由于是人工定时采集数据，可能会导致腐蚀监测在时间上的不连续性。

与传统钢筋腐蚀检/监测方法相比，钢筋腐蚀光纤传感器不仅具有抗干扰能力强、体积小、精度高、耐腐蚀、耐久性好等优点，而且可方便快捷的现已成为国内外钢筋腐蚀监测技术研究的新热点。下面对钢筋腐蚀光纤传感器的研究进展作简要介绍：

目前，国内外开发的钢筋腐蚀光纤传感器基于的原理大致包括：“腐蚀保险丝”、铁锈颜色检测、弹簧锈蚀、腐蚀敏感膜、钢筋腐蚀膨胀等。

1995年，Bennett等人提出一种基于“腐蚀保险丝”（钢丝）的光纤传感器，其原理是将光纤弯曲后用钢丝绑扎，当钢丝锈断后，由于光纤的微弯效应，光纤信号会发生突变，从而判断钢丝腐蚀。该传感器结构简单，但只能定性判断腐蚀发生与否，无法监测腐蚀过程，且传感器未封装很难满足工程应用要求。

1995年，Fuhr等人提出一种基于铁锈颜色检测的光纤传感器，其原理是通过腐蚀过程中钢筋颜色的变化确定腐蚀程度。该传感器信噪比较小，准确度差，而且同样属于定性分析，无法定量监测腐蚀过程。

2005年，阳莎等人提出一种基于弹簧锈蚀的光纤传感器，其原理利用弹簧锈蚀后弹性系数改变所导致的光纤光栅中心波长漂移来反映钢筋的锈蚀程度。该传感器可监测钢丝的腐蚀程度，但弹簧与支架之间的摩擦力导致波长变化不平滑，而且其定量关系的标定比较复杂。

基于腐蚀敏感膜的光纤传感器是目前研究比较多的传感器类型，主要研究单位有重庆大学、天津大学、中国矿业大学、厦门大学、香港科技大学、美国德州大学等。其原理是通过将Fe-C合金膜局部取代光纤介质包层，构成腐蚀敏感膜，从而获取钢筋腐蚀信息。这种传感器灵敏度高，可灵敏的分辨腐蚀的反生与否。但还存在下述问题：腐蚀敏感膜制作工艺复杂；目前只能定性判断腐蚀发生与否；腐蚀敏感膜有成块掉落的风险，且腐蚀敏感膜厚度往往不均匀；传感器比较脆弱，无法满足混凝土结构的粗方式施工要求。

基于钢筋腐蚀膨胀的光纤传感器是近年来研究最多的传感器类型。其原理是通过监测钢筋腐蚀过程中体积变化引起的光信号改变来判断腐蚀程度。下面介绍几种基于该原理的传感器。

中国发明专利101008620B公开了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法。该方法所用传感器直接应变光纤光栅粘贴于两根靠紧固定的钢筋顶面，并放置一根自由状态的光纤光栅用于温度补偿。其工作原理是利用两根钢筋腐蚀膨胀所产生推力引起的光栅波长变化来获得钢筋腐蚀程度和腐蚀速率等信息。该传感器光纤贴于表面不利于光纤保护，而且易导致粘贴点失效。此外，钢筋上下表面易发生不均匀腐蚀，使得传感器传递的信息不准确。

中国发明专利101509876B公开了一种钢筋腐蚀光纤传感器的封装方法。该方法所用传感器将光纤光栅固定于两根中间剖开且靠紧固定的钢筋中，并用特殊砂浆对传感器进行了封装。其原理是利用钢筋紧靠处之间的膨胀使光纤光栅中心波长发生改变从而判断腐蚀程度。与前述传感器相比，该传感器将光纤夹于钢筋之间，解决了光纤的保护问题。然而，其还存在以下问题：剖开两半再粘合的钢筋与原来整体钢筋的腐蚀形式存在差异，故使模拟效果存疑；由于钢筋与砂浆之间有间隙（砂浆收缩所致），腐蚀产物将先填满间隙，导致监测灵敏度不够，而且很难监测到紧靠处部位之外的局部腐蚀；当腐蚀产物填满间隙后，传感器四周都会受到膨胀力，会抵消紧靠处之间的膨胀力，使监测结果不准确。

李俊提出了一种改进的双筋光纤光栅腐蚀传感器，将剖开的两根钢筋固定于中间开孔的不锈钢工字钢架上，其原理是利用钢筋腐蚀后与不锈钢之间的膨胀力导致光纤光栅波长变化来表征腐蚀程度。这种传感器灵敏度更高，但将不锈钢与钢筋直接接触，会产生电偶腐蚀，使钢筋腐蚀过程加速，过早使得光纤光栅被拉断，无法正常监测钢筋腐蚀过程。

中国发明专利101042328B公开了一种长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及传感器。该传感器将单根钢筋置于不锈钢基座之上，利用钢筋腐蚀后导致的长周期光纤光栅的微弯效应来表征腐蚀程度和腐蚀速率。该传感器使用长周期光纤光栅，监测的腐蚀膨胀范围更大，但其监测精度却不如光纤光栅传感器。传感器采用整根钢筋能较好模拟钢筋腐蚀过程，但由于将不锈钢基座与钢筋直接接触，存在电偶腐蚀，严重影响监测效果。

中国发明专利101923057B公开了一种BOTDR（布里渊光时域发射计）光纤腐蚀传感器。该传感器将裸光纤均匀紧密的缠绕在单根螺纹钢的润滑层上，并用带孔洞的透水封装盒封装。传感器较好地利用BOTDR测量技术，但由于将裸光纤紧密缠绕在钢筋润滑层表面，会影响腐蚀介质的侵入，使钢筋表面腐蚀环境发生改变，导致传感器模拟钢筋腐蚀的准确性受到影响。

发明内容

本发明目的是针对上述传感器的突出问题，提供一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合（即光纤传感器及其补偿传感器），以提高钢筋腐蚀光纤传感器监测的准确性、灵敏性和可靠性，使其更好地实现混凝土中钢筋腐蚀的无损、定量、在线监测。

混凝土中钢筋腐蚀的机理与特点：

通常情况下，混凝土中的普通钢筋处于高碱环境下，表面有致密的钝化膜，保护钢筋免受腐蚀。然而，当混凝土受腐蚀因素（氯离子侵蚀、碳化等）影响时，钢筋周围环境碱性下降，导致钢筋钝化膜局部破坏。当维持腐蚀的水和氧都具备时，钢筋将发生腐蚀。钢筋腐蚀产生铁锈，其体积与元素铁体积相比，胀大2.5～6倍。本发明利用了钢筋腐蚀膨胀这一原理。

光纤布拉格光栅的工作原理：

光纤布拉格光栅满足λ=2d·t，其中λ、d和t为布拉格中心波长，光纤芯层的有效折射率和光栅周期。当光纤布拉格光栅所探测的物理量变化（本发明为钢筋直径）时，d或t将随之改变，造成λ漂移。光纤布拉格光栅传感器利用中心波长的漂移探测被测物理量的变化。本发明利用了光纤布拉格光栅传感原理。光纤布拉格光栅的波长漂移受到温度和应变两者的影响。

本发明的基本原理：

本发明提供的光纤传感器组合，包括光纤传感器和光纤传感器的补偿传感器（以下简称“补偿传感器”）。

本发明提供的光纤传感器利用了钢筋腐蚀膨胀原理与光纤布拉格光栅传感原理，其基本过程是通过钢筋腐蚀所产生的直径变化对光纤布拉格光栅的中心波长进行调制来获得钢筋的腐蚀信息。光纤传感器中心波长的偏移由两部分组成，一部分是钢筋腐蚀膨胀造成的应变所引起的，另一部是温度和外界荷载导致的应变引起的。为了得到准确的腐蚀信息，有必要对温度和荷载引起的波长偏移进行补偿。

本发明提供的补偿传感器为光纤传感器补偿温度和荷载引起的波长偏移，其基本过程是将用于发生腐蚀膨胀的钢筋（普通钢筋）换为不锈钢筋，其它组成部分相同。这种传感器可实现补偿效果的原因是：①不锈钢在混凝土中腐蚀甚微，可忽略不计，那么可认为不锈钢不腐蚀，传感器的波长变化只受温度和外界荷载影响，不受腐蚀导致的应变影响；②不锈钢筋的线膨胀系数基本与普通钢筋的相同，可认为这两种钢筋在温度影响下与其它部分之间的膨胀作用力基本相同。

本发明具体包括如下内容：

一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合，其特征在于：由一个光纤传感器和一个补偿传感器组成。

所述光纤传感器有一个与被测工程所用钢筋等直径同材质的圆钢钢筋元件1，其长度为圆钢半径的π倍，在钢筋元件两端圆截面处用涂料涂装，在钢筋元件中心位置处开有贯穿的固定孔2，固定孔内穿有光纤布拉格光栅4及其连接光纤5；在钢筋元件外有增强纤维玻璃钢支座3，增强纤维玻璃钢支座的内径与钢筋元件外径相吻合，增强纤维玻璃钢支座与钢筋固定孔位置对应处也开有贯穿用于固定光纤布拉格光栅及其连接光纤的固定孔；增强纤维玻璃钢支座的上下两侧各开数条长与圆钢半径相当、宽1mm左右、间隔5mm的助透（帮助渗透）缝隙11，作为腐蚀介质扩散的通道；固定孔用凝固硬度在Shore D 80以上的结构胶水灌封；所述光纤布拉格光栅4为裸光纤布拉格光栅，其光栅部分外有护套管6，护套管为涂装的金属管或高分子管；连接光纤穿过硅胶片7，硅胶片用封堵结构胶水封于固定孔内；钢筋元件以中心线为界限，与增强纤维玻璃钢支座3接触的半圆柱部分未涂装，即为钢筋元件未涂装区9；相对的另外半圆柱部分涂有高弹性的涂料，即为钢筋元件涂装区8。涂装区与增强纤维玻璃钢支座接触处留有1mm左右的缝隙为腐蚀介质扩散提供通道，在钢筋元件和增强纤维玻璃钢支座外有砂浆外壳10，其所采用的砂浆与被测工程用混凝土标号相同。

所述补偿传感器的结构和组成部分与光纤传感器完全一样，只是钢筋元件为同直径的316L不锈钢筋。

本发明的有益效果如下：

(1)该传感器组合与前述传感器相比，有如下优点：对光纤布拉格光栅用护套管保护有助于提高传感器的成活率；利用整个钢筋作为钢筋元件，避免了钢筋破开导致的腐蚀形式改变，能更真实地反映钢筋腐蚀过程；利用增强纤维玻璃钢支座，避免了采用不锈钢支座导致的电偶腐蚀；钢筋元件与砂浆接触的部分涂有弹性涂料，一方面可防止两侧同时腐蚀造成的膨胀力抵消，另一方面可在钢筋腐蚀膨胀到一定程度抵消砂浆的反作用力；钢筋元件与增强纤维玻璃钢支座直接接触，有利于监测钢筋局部腐蚀，并提高监测的灵敏度；采用316L不锈钢代替普通钢筋的方式制作补偿传感器，原理简单，操作方便。

(2)该传感器组合结构简单、制作方便、成本低廉，适合产业化；采用与工程用钢筋同材质的钢筋元件和与混凝土同标号砂浆，更贴近实际情况；传感器布设方便、安装简单，易于将多个传感器联网，实现对结构中钢筋的全面腐蚀监测。

(3)该传感器组合灵敏度好、准确性高、抗电磁干扰强，可实现混凝土中钢筋的无损、定量和在线监测，为及早发现腐蚀及时采取应对措施提供条件。

(4)该传感器组合可靠性高、耐久性好、稳定性高，适用于多种环境下（如盐碱地、海水、除冰盐等）钢筋混凝土结构的长期耐久性监测。

附图说明

图1为光纤传感器和补偿传感器的结构示意图。

图2为增强纤维玻璃钢支座的俯视图。

图中，1—钢筋元件（普通钢筋或不锈钢筋）；2—固定孔；3—增强纤维玻璃钢支座；4—光纤布拉格光栅；5—连接光纤；6—护套管；7—硅胶片；8—钢筋元件涂装区；9—钢筋元件未涂装区；10—砂浆外壳；11—助透缝隙。

具体实施方式

如图所示的光纤传感器

光纤传感器包括以下组成部分：(1)钢筋元件；(2)固定孔；(3)增强纤维玻璃钢支座；(4)光纤布拉格光栅；(5)连接光纤；(6)护套管；(7)硅胶片；(8)钢筋元件涂装区；(9)钢筋元件未涂装区；(10)砂浆外壳；(11)助透缝隙。

光纤传感器的结构特点如下：钢筋元件1是与工程所用钢筋等直径同材质的圆钢，其长度为圆钢半径的π倍，两端圆截面处用涂料涂装。在钢筋中心位置处开有贯穿的固定孔2，用于固定光纤布拉格光栅4及其连接光纤5。增强纤维玻璃钢支座3的内径与钢筋元件外径相吻合，与钢筋固定孔2位置对应处也开有贯穿的固定孔2，用于固定光纤布拉格光栅4及其连接光纤5。增强纤维玻璃钢支座3的上下两侧各开数条长与圆钢半径相当、宽1mm左右、间隔5mm的助透缝隙11，作为腐蚀介质扩散的通道。固定孔2用凝固硬度在Shore D 80以上的结构胶水灌封。光纤布拉格光栅4为裸光纤布拉格光栅，其光栅部分由护套管6保护。护套管6为涂装的金属管或高分子管，既能保护光栅，自身也不会受腐蚀。连接光纤5穿过硅胶片7，硅胶片7封于固定孔2内，用于封堵结构胶水，以免其流入光栅部分。钢筋元件1以中心线为界限，与增强纤维玻璃钢支座3接触的半圆柱部分，未涂装，称为钢筋元件未涂装区9；另外半圆柱部分，涂有高弹性的涂料，称为钢筋元件涂装区8。涂装区与增强纤维玻璃钢支座接触处留有1mm左右的缝隙，为腐蚀介质扩散提供通道。砂浆外壳10所采用的砂浆与工程用混凝土标号相同。

光纤传感器的工作原理：当腐蚀介质渗透至钢筋元件表面时，钢筋元件未涂装区腐蚀膨胀，与增强纤维玻璃钢支座之间产生作用力，该作用力垂直于光纤光栅方向的分力由支座的支持力抵消，而沿光纤平行方向的分力则会使粘固好的光纤光栅发生应变变化，导致中心波长偏移，从而可以用来定量表征钢筋的腐蚀程度。钢筋元件涂装区不发生腐蚀，可避免两侧同时腐蚀带来的作用力抵消。另外，当腐蚀膨胀较大时，弹性涂料还可抵消钢筋元件涂装区一侧砂浆的挤压作用。

补偿传感器的结构和组成部分与光纤传感器完全一样，不同点在于将工程用普通钢筋换成同直径的316L不锈钢筋。

补偿传感器的工作原理：将补偿传感器置于紧邻光纤传感器的部位，相对庞大的钢筋混凝土结构，认为两者所处的温度和荷载环境相同。由于光纤传感器的中心波长受温度、荷载和腐蚀三者影响，而补偿传感器的只受温度和荷载的影响，因此只要将光纤传感器的中心波长与补偿传感器的对比补偿即可获得只反映腐蚀信息的中心波长。该中心波长便可用于定量表征钢筋的腐蚀程度。

本发明的具体实施步骤：

(1)在钢筋元件和增强纤维玻璃钢支座中心位置打固定孔，接着在支座上刻上数条助渗缝隙，并在钢筋元件两端和涂装区刷涂涂料。

(2)将钢筋元件和增强纤维玻璃钢支座固定在一起，然后将配有护套管的光纤布拉格光栅及其连接光纤穿过固定孔，接着在两端连接光纤上穿上硅胶片，并固定于指定位置，随后用结构胶水进行灌封。

(3)待胶水完全固化后，将传感器置于模具中，然后用配制好的砂浆进行封装，待砂浆固化后拆模，并置于养护箱中养护一定时间，最终形成稳定的砂浆外壳。

(4)光纤传感器与补偿传感器组成钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合。

Claims (1)

1.一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合，其特征在于：由一个光纤传感器和一个补偿传感器组成；

所述光纤传感器有一个与被测工程所用钢筋等直径同材质的圆钢钢筋元件，其长度为圆钢半径的π倍，在钢筋元件两端圆截面处用涂料涂装，在钢筋元件中心位置处开有贯穿的固定孔，固定孔内穿有光纤布拉格光栅及其连接光纤；在钢筋元件外有增强纤维玻璃钢支座，增强纤维玻璃钢支座的内径与钢筋元件外径相吻合，增强纤维玻璃钢支座与钢筋固定孔位置对应处也开有贯穿用于固定光纤布拉格光栅及其连接光纤的固定孔；增强纤维玻璃钢支座的上下两侧各开数条长与圆钢半径相当、宽1mm左右、间隔5mm的助透缝隙，作为腐蚀介质扩散的通道；固定孔用凝固硬度在Shore D 80以上的结构胶水灌封；所述光纤布拉格光栅为裸光纤布拉格光栅，其光栅部分外有护套管，护套管为涂装的金属管或高分子管；连接光纤穿过硅胶片，硅胶片用封堵结构胶水封于固定孔内；钢筋元件以中心线为界限，与增强纤维玻璃钢支座接触的半圆柱部分未涂装，即为钢筋元件未涂装区；相对另外半圆柱部分涂有高弹性的涂料，即为钢筋元件涂装区；涂装区与增强纤维玻璃钢支座接触处留有1mm左右的缝隙为腐蚀介质扩散提供通道，在钢筋元件和增强纤维玻璃钢支座外有砂浆外壳，其所采用的砂浆与被测工程用混凝土标号相同；

所述补偿传感器的结构和组成部分与光纤传感器完全一样，只是钢筋元件为同直径的316L不锈钢筋。