CN106918550B - 一种光纤传感监测钢筋锈蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢筋锈蚀监测技术领域，涉及一种光纤传感监测钢筋锈蚀方法，工艺过程包括制备光纤传感监测装置和监测钢筋锈蚀状况,采用应变测量光栅和温度补偿光栅布设在同一阶梯元的方式，将光纤传感监测装置与被测钢筋同时浇筑在混凝土结构中，避免了外界干扰和对应变片的损坏，阶梯式的光纤传感监测装置能够监测混凝土结构中不同深度的钢筋锈蚀情况，通过分析不同深度的钢筋锈蚀时间和锈蚀程度，掌握钢筋混凝土结构中待测钢筋的锈蚀时间和锈蚀程度，通过选取不同长度的螺栓控制光纤传感监测装置的倾斜度，使其在不同保护层厚度的混凝土结构中实现钢筋锈蚀的实时和长期在线监测，增加了适用范围；其原理科学可靠，监测结果准确可靠。
Description
技术领域：
本发明属于钢筋锈蚀监测技术领域，具体涉及一种光纤传感监测钢筋锈蚀方法，利用光纤传感监测装置实时监测来评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况。
背景技术：
在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是影响建筑工程结构的安全性和耐久性的重要因素之一；钢筋锈蚀时，体积发生膨胀，钢筋与混凝土之间的粘结力下降，混凝土保护层剥落，进而导致建筑结构强度降低，钢筋锈蚀发生在建筑结构的内部，肉眼很难察觉，对于钢筋锈蚀引发的轻度损坏的建筑物，对其进行修补时，存在工作量大、造价高和效益差的问题，当建筑物的破坏较严重时，将对人们的生命和财产安全带来不可估量的损失；所以，监测混凝土内钢筋的锈蚀状态并掌握建筑物结构的内部情况十分有必要，以便在建筑物发生损坏之前进行预警，将损失降到最低。目前，钢筋锈蚀的监测方法分为物理方法和化学方法，常用的物理法有电阻探针法和光纤传感法，前者采用一个与结构钢筋材质相同的探针，将探针埋入到混凝土结构中，根据实时监测探针电阻的变化来推断钢筋锈蚀的速率和锈蚀的程度，后者是的监测原理是，钢筋生锈后，钢筋表面膨胀产生膨胀应力，光纤受应力影响产生应变，光在光纤中传播的相位、频率、波长和偏振发生改变，光纤传感器耐锈蚀和抗干扰能力强，耐久性好，并且能够进行空间连续性监测，缺点是光纤传感技术工艺要求高，造价高昂；化学法有半电池电位法、交流阻抗方法和线性极化法，半电池电位法的原理是钢筋发生锈蚀时，其阳极区和阴极区存在电位差，通过所测得的电流和电压值评定钢筋锈蚀程度，交流阻抗法是对目标建筑结构发出一段微小电流，测量目标建筑结构对微小电流的反应，然后对所测量到的交变电流谱进行分析，这种动态的测量方法所使用的测量仪器非常昂贵，且受外界影响较大，后期数据处理程序繁琐，得不到推广使用；中国专利201310204720.5公开的钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的光纤光栅检测装置包括若干个与工程所用钢筋材质相同的钢筋棒、与钢筋棒数量相同的光纤光栅、基座、温度传感器、终端测试盒和检测仪，光纤光栅固定在钢筋棒上，钢筋棒固定在基座上，光纤光栅通过电缆与终端测试盒连接，终端测试盒与检测仪连接，温度传感器固定在基座上，其没有设置温度补偿光栅，没有考虑温度对波长漂移的影响，且光纤光栅粘贴在与混凝土直接接触的弧形钢筋上，使用寿命大大缩短；中国专利201220615624.0公开的一种混凝土结构中钢筋锈蚀监测装置包括光纤光栅应变传感器、信号处理单元、不锈钢斜面支架、至少三只光纤光栅应变传感器及导线，光纤光栅应变传感器依次布设在斜面支架的斜面上，各光纤光栅应变传感器采集所得信号经由导线传送至信号处理单元，光纤光栅应变传感器测定混凝土保护层中由于钢筋锈蚀产物产生的锈胀力引起的拉应变，推导出钢筋锈蚀速率及钢筋锈蚀初始腐蚀时间，以实现间接的监测钢筋锈蚀状况，其装置在浇筑混凝土过程中易受损坏；中国专利201120123546.8公开的一种对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀情况进行监测的嵌入式钢筋腐蚀监测系统包括由单阳极、单阴极和PVC管组成的传感器，支架以及导线，单阳极和单阴极交替连接，PVC管设置在单阳极和单阴极之间，单阳极和单阴极均与导线相连，支架与传感器和导线相连一种基于半电池电位原理的装置，其分四层，每一层含有4个阴极和4个阳极，总共需要引出32根导线，结构复杂、引线过多、需测数据较多。因此，研发设计一种易于操作的光纤传感监测钢筋锈蚀方法，实时监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况，很有社会和经济效益，应用前景广阔。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发设计一种光纤传感监测钢筋锈蚀方法，具有结构简单、便于制作、抗干扰能力强、技术原理科学可靠等优势，能够实时精确监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况。
为了实现上述目的，本发明涉及的光纤传感监测钢筋锈蚀方法的工艺过程包括制备光纤传感监测装置和监测钢筋锈蚀状况两个步骤：
(1)、制备光纤传感监测装置包括制备套筒、制备传感器、制备阶段元和制备监测装置四个步骤：
①、制备套筒：采用常规的冲压工艺、压力机和模具制备圆柱形结构的套筒，套筒的主体结构包括外圆周、内圆台、筒底、圆周孔和筒底孔，套筒的外围为外圆周，套筒的内部中心处为内圆台，外圆周的高度大于内圆台的高度，外圆周的厚度小于内圆台的厚度，外圆周与内圆台之间的圆环为筒底，外圆周上开设有圆形结构的圆周孔，筒底上开设有圆形结构的筒底孔，圆周孔与筒底孔之间的水平夹角为180°，圆周孔的直径与筒底孔的直径相同；
②、制备传感器：首先选取内空式结构的大钢管和小钢管，对大钢管和小钢管的外壁分别进行打磨，确保大钢管和小钢管的外壁没有任何锈蚀，并用脱脂棉球蘸无水酒精将大钢管和小钢管的外壁打磨处擦洗干净,防止打磨的碎屑污染大钢管和小钢管的外壁，再在大钢管的外壁上粘贴应变测量光栅，在小钢管的外壁上粘贴温度补偿光栅，应变测量光栅和温度补偿光栅分别与传输电缆连接，然后将小钢管套入大钢管中卡接在2个套筒之间，应变测量光栅的传输电缆穿过圆周孔伸出其中1个套筒，温度补偿光栅的传输电缆穿过筒底孔伸出另外1个套筒，最后用环氧树脂胶将2个圆周孔和2个筒底孔密封，完成传感器的制备，大钢管的外壁直径比外圆周的内壁直径小1mm，小钢管的内壁直径比内圆台的外壁直径大1mm，外圆周的内壁和内圆台的外壁均涂覆有胶水，以使大钢管的外壁紧贴外圆周的内壁，小钢管的内壁紧贴内圆台的外壁，达到固定和密封的效果；
③、制备阶段元：将步骤②制作的传感器套设在圆形结构的钢模板中，钢模板的直径大于套筒的直径，在套筒与钢模板之间的空隙中浇筑砂浆后在标准养护室中养护28天，拆除钢模板，砂浆形成防护层，完成阶段元的制备；同时制备5根结构和尺寸均相同的阶段元；
④、制备监测装置：首先制作2根矩形结构的连接件，在连接件的右侧面等间距开设5个连接孔，在连接件的左侧面开设U形槽，连接件的一端设置有电缆管，连通孔和电缆管分别与U形槽连通，连接件的另一端设置有开设螺栓孔的连接台，再在管状结构的固定棒上开设2个通孔，然后将5根阶段元按照相同的方向卡接入连接孔中，阶段元伸入连接孔的水平距离为3-5mm，传输电缆在U形槽中集合并穿过电缆管，用环氧树脂胶密封U形槽，使用螺栓通过螺栓孔和通孔将连接件与固定棒连接，完成监测装置的制备，得到光纤传感监测装置，连接孔的直径比防护层的外壁直径大1mm，以使阶段元与连接件紧密接触并固定连接；
(2)、监测钢筋锈蚀状况：首先将步骤(1)制备的光纤传感监测装置的固定棒与待测钢筋绑扎连接，将传输电缆与外部信号解调单元，然后浇筑混凝土；根据混凝土结构的厚度选取连接件与阶段元构成的框架的倾斜度，其倾斜度能够通过螺栓的长度调节；监测过程中，当大钢管与应变测量光栅之间或小钢管与温度补偿光栅之间产生挤压应力时,应变测量光栅或温度补偿光栅的波长在挤压应力的作用下产生漂移，传输电缆将波长的漂移数据传输至外部信号解调单元，外部信号解调单元根据波长的漂移数据判断锈蚀界面与被测钢筋的距离和不同垂直高度的阶段元的锈蚀状况，光纤传感监测装置中垂直高度最低的阶段元与待测钢筋处于同一水平位置，保护层厚度相同，此阶段元的锈蚀状况代表待测钢筋的锈蚀状况，工作人员根据待测钢筋的锈蚀状况作出对应的补救措施。
本发明涉及的套筒的材质为塑料；大钢管和小钢管的长度相同，均为100-200mm，大钢管的直径大于小钢管的直径，大钢管和小钢管均为薄壁钢管，薄壁钢管厚度较薄，对锈蚀敏感，在混凝土结构中发生锈蚀时,薄壁钢管体积膨胀，薄壁钢管与其接触的应变测量光栅或温度补偿光栅之间产生挤压应力；应变测量光栅用于测量由于应力变化和环境温度变化引起的应变，温度补偿光栅用于测量由于环境温度引起的应变，应变测量光栅的波长漂移量减去温度补偿光栅的波长漂移量就是待测钢筋由于应力变化引发的波长漂移量，根据待测钢筋的波长漂移量能够分析和判断待测钢筋的锈蚀状况；应变测量光栅的波长λB与应变测量光栅的有效折射率neff和光纤周期Λ正相关：λB＝2neff×Λ；温度补偿光栅的波长ΔλB与应变灵敏度系数aε、应变ε、温度灵敏度系数aT和温度变化量ΔT正相关：ΔλB＝aε×ε+aT×ΔT；连接件的材质为AISI316型不锈钢；U形槽封闭后能够防止其中的传输电缆在浇筑混凝土时受到损坏；固定棒的材质为不锈钢。
本发明与现有技术相比，采用应变测量光栅和温度补偿光栅布设在同一阶梯元的方式，补偿了环境温度变化引发的波长漂移，将光纤传感监测装置与被测钢筋同时浇筑在混凝土结构中，避免了外界干扰和对应变片的损坏，提高了监测结果的准确性，延长了使用寿命，阶梯式的光纤传感监测装置能够监测混凝土结构中不同深度的钢筋锈蚀情况，通过分析不同深度的钢筋锈蚀时间和锈蚀程度，掌握钢筋混凝土结构中待测钢筋的锈蚀时间和锈蚀程度，通过选取不同长度的螺栓控制光纤传感监测装置的倾斜度，使其在不同保护层厚度的混凝土结构中实现钢筋锈蚀的实时和长期在线监测，增加了适用范围；其原理科学可靠，监测简便，监测结果准确可靠。
附图说明：
图1为本发明涉及的套筒的结构原理示意图。
图2为本发明涉及的套筒的剖面结构原理示意图。
图3为本发明涉及的传感器的结构原理示意图。
图4为本发明涉及的阶段元的结构原理示意图。
图5为本发明涉及的监测装置的结构原理示意图。
图6为本发明涉及的光纤传感监测装置的使用状态示意图。
具体实施方式：
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例：
本实施例涉及的光纤传感监测钢筋锈蚀方法的工艺过程包括制备光纤传感监测装置和监测钢筋锈蚀状况两个步骤：
(1)、制备光纤传感监测装置包括制备套筒、制备传感器、制备阶段元和制备监测装置四个步骤：
①、制备套筒：采用常规的冲压工艺、压力机和模具制备圆柱形结构的套筒1；所述套筒1见图1，套筒1的主体结构包括外圆周101，内圆台102，筒底103，圆周孔104和筒底孔105，套筒1的外围为外圆周101，套筒1的内部中心处为内圆台102，外圆周101的高度大于内圆台102的高度，外圆周101的厚度小于内圆台102的厚度，外圆周101与内圆台102之间的圆环为筒底103，外圆周101上开设有圆形结构的圆周孔104，筒底103上开设有圆形结构的筒底孔105，圆周孔104与筒底孔105之间的水平夹角为180°，圆周孔104的直径与筒底孔105的直径相同，套筒1的剖面结构如图2所示；
②、制备传感器：首先选取内空式结构的大钢管2和小钢管3，对大钢管2和小钢管3的外壁分别进行打磨，确保大钢管2和小钢管3的外壁没有任何锈蚀，并用脱脂棉球蘸无水酒精将大钢管2和小钢管3的外壁打磨处擦洗干净,防止打磨的碎屑污染大钢管2和小钢管3的外壁，再在大钢管2的外壁上粘贴应变测量光栅4，在小钢管3的外壁上粘贴温度补偿光栅5，应变测量光栅4和温度补偿光栅5分别与传输电缆6连接，然后将小钢管3套入大钢管2中卡接在2个套筒1之间，应变测量光栅4的传输电缆6穿过圆周孔104伸出其中1个套筒1，温度补偿光栅5的传输电缆6穿过筒底孔105伸出另外1个套筒1，最后用环氧树脂胶将2个圆周孔104和2个筒底孔105密封，完成传感器的制备；所述传感器见图3，大钢管2的外壁直径比外圆周101的内壁直径小1mm，小钢管3的内壁直径比内圆台102的外壁直径大1mm，外圆周101的内壁和内圆台102的外壁均涂覆有胶水，以使大钢管2的外壁紧贴外圆周101的内壁，小钢管3的内壁紧贴内圆台102的外壁，达到固定和密封的效果；
③、制备阶段元：将步骤②制作的传感器套设在圆形结构的钢模板中，钢模板的直径大于套筒1的直径，在套筒1与钢模板之间的空隙中浇筑砂浆后在标准养护室中养护28天，拆除钢模板，砂浆形成防护层7，完成阶段元的制备；同时制备5根结构和尺寸均相同的阶段元，所述阶段元见图4；
④、制备监测装置：首先制作2根矩形结构的连接件8，在连接件8的右侧面等间距开设5个连接孔9，在连接件8的左侧面开设U形槽10，连接件8的一端设置有电缆管11，连通孔9和电缆管11分别与U形槽10连通，连接件8的另一端设置有开设螺栓孔12的连接台13，再在管状结构的固定棒14上开设2个通孔15，然后将5根阶段元按照相同的方向卡接入连接孔9中，阶段元伸入连接孔9的水平距离为3-5mm，传输电缆6在U形槽10中集合并穿过电缆管11，用环氧树脂胶密封U形槽10，使用螺栓16通过螺栓孔12和通孔15将连接件8与固定棒14连接，完成监测装置的制备，得到光纤传感监测装置；所述光纤传感监测装置见图5，连接孔9的直径比防护层7的外壁直径大1mm，以使阶段元与连接件8紧密接触并固定连接；
(2)、监测钢筋锈蚀状况：首先将步骤(1)制备的光纤传感监测装置的固定棒14与待测钢筋绑扎连接，将传输电缆6与外部信号解调单元，然后浇筑混凝土；根据混凝土结构的厚度选取连接件8与阶段元构成的框架的倾斜度，其倾斜度能够通过螺栓16的长度调节；监测过程中，当大钢管2与应变测量光栅4之间或小钢管3与温度补偿光栅5之间产生挤压应力时,应变测量光栅4或温度补偿光栅5的波长在挤压应力的作用下产生漂移，传输电缆6将波长的漂移数据传输至外部信号解调单元，外部信号解调单元根据波长的漂移数据判断锈蚀界面与被测钢筋的距离和不同垂直高度的阶段元的锈蚀状况，光纤传感监测装置中垂直高度最低的阶段元与待测钢筋处于同一水平位置，保护层厚度相同，此阶段元的锈蚀状况代表待测钢筋的锈蚀状况，工作人员根据待测钢筋的锈蚀状况作出对应的补救措施。
本实施例涉及的套筒1的材质为塑料；大钢管2和小钢管3的长度相同，均为100-200mm，大钢管2的直径大于小钢管3的直径，大钢管2和小钢管3均为薄壁钢管，薄壁钢管厚度较薄，对锈蚀敏感，在混凝土结构中发生锈蚀时,薄壁钢管体积膨胀，薄壁钢管与其接触的应变测量光栅4或温度补偿光栅5之间产生挤压应力；应变测量光栅4用于测量由于应力变化和环境温度变化引起的应变，温度补偿光栅5用于测量由于环境温度引起的应变，应变测量光栅4的波长漂移量减去温度补偿光栅5的波长漂移量就是待测钢筋由于应力变化引发的波长漂移量，根据待测钢筋的波长漂移量能够分析和判断待测钢筋的锈蚀状况；应变测量光栅4的波长λB与应变测量光栅4的有效折射率neff和光纤周期Λ正相关：λB＝2neff×Λ；温度补偿光栅5的波长ΔλB与应变灵敏度系数aε、应变ε、温度灵敏度系数aT和温度变化量ΔT正相关：ΔλB＝aε×ε+aT×ΔT；连接件8的材质为AISI(美国钢铁学会标准)316型不锈钢；U形槽10封闭后能够防止其中的传输电缆6在浇筑混凝土时受到损坏；固定棒14的材质为不锈钢。
Claims (2)
1.一种光纤传感监测钢筋锈蚀方法，其特征在于工艺过程包括制备光纤传感监测装置和监测钢筋锈蚀状况两个步骤：
(1)、制备光纤传感监测装置包括制备套筒、制备传感器、制备阶段元和制备监测装置四个步骤：
①、制备套筒：采用常规的冲压工艺、压力机和模具制备圆柱形结构的套筒，套筒的主体结构包括外圆周、内圆台、筒底、圆周孔和筒底孔，套筒的外围为外圆周，套筒的内部中心处为内圆台，外圆周的高度大于内圆台的高度，外圆周的厚度小于内圆台的厚度，外圆周与内圆台之间的圆环为筒底，外圆周上开设有圆形结构的圆周孔，筒底上开设有圆形结构的筒底孔，圆周孔与筒底孔之间的水平夹角为180°，圆周孔的直径与筒底孔的直径相同；
②、制备传感器：首先选取内空式结构的大钢管和小钢管，大钢管和小钢管均为薄壁钢管，对大钢管和小钢管的外壁分别进行打磨，确保大钢管和小钢管的外壁没有任何锈蚀，并用脱脂棉球蘸无水酒精将大钢管和小钢管的外壁打磨处擦洗干净,防止打磨的碎屑污染大钢管和小钢管的外壁，再在大钢管的外壁上粘贴应变测量光栅，在小钢管的外壁上粘贴温度补偿光栅，应变测量光栅和温度补偿光栅分别与传输电缆连接，然后将小钢管套入大钢管中卡接在2个套筒之间，应变测量光栅的传输电缆穿过圆周孔伸出其中1个套筒，温度补偿光栅的传输电缆穿过筒底孔伸出另外1个套筒，最后用环氧树脂胶将2个圆周孔和2个筒底孔密封，完成传感器的制备，大钢管的外壁直径比外圆周的内壁直径小1mm，小钢管的内壁直径比内圆台的外壁直径大1mm，外圆周的内壁和内圆台的外壁均涂覆有胶水，以使大钢管的外壁紧贴外圆周的内壁，小钢管的内壁紧贴内圆台的外壁，达到固定和密封的效果；
③、制备阶段元：将步骤②制作的传感器套设在圆形结构的钢模板中，钢模板的直径大于套筒的直径，在套筒与钢模板之间的空隙中浇筑砂浆后在标准养护室中养护28天，拆除钢模板，砂浆形成防护层，完成阶段元的制备；同时制备5根结构和尺寸均相同的阶段元；
④、制备监测装置：首先制作2根矩形结构的连接件，在连接件的右侧面等间距开设5个连接孔，在连接件的左侧面开设U形槽，连接件的一端设置有电缆管，连通孔和电缆管分别与U形槽连通，连接件的另一端设置有开设螺栓孔的连接台，再在管状结构的固定棒上开设2个通孔，然后将5根阶段元按照相同的方向卡接入连接孔中，阶段元伸入连接孔的水平距离为3-5mm，传输电缆在U形槽中集合并穿过电缆管，用环氧树脂胶密封U形槽，使用螺栓通过螺栓孔和通孔将连接件与固定棒连接，完成监测装置的制备，得到光纤传感监测装置，连接孔的直径比防护层的外壁直径大1mm，以使阶段元与连接件紧密接触并固定连接；
(2)、监测钢筋锈蚀状况：首先将步骤(1)制备的光纤传感监测装置的固定棒与待测钢筋绑扎连接，将传输电缆与外部信号解调单元，然后浇筑混凝土；根据混凝土结构的厚度选取连接件与阶段元构成的框架的倾斜度，其倾斜度能够通过螺栓的长度调节；监测过程中，当大钢管与应变测量光栅之间或小钢管与温度补偿光栅之间产生挤压应力时,应变测量光栅或温度补偿光栅的波长在挤压应力的作用下产生漂移，传输电缆将波长的漂移数据传输至外部信号解调单元，外部信号解调单元根据波长的漂移数据判断锈蚀界面与被测钢筋的距离和不同垂直高度的阶段元的锈蚀状况，光纤传感监测装置中垂直高度最低的阶段元与待测钢筋处于同一水平位置，保护层厚度相同，此阶段元的锈蚀状况代表待测钢筋的锈蚀状况，工作人员根据待测钢筋的锈蚀状况作出对应的补救措施。
2.根据权利要求1所述的光纤传感监测钢筋锈蚀方法，其特征在于所述套筒的材质为塑料；大钢管和小钢管的长度相同，均为100-200mm，大钢管的直径大于小钢管的直径，大钢管和小钢管均为薄壁钢管，薄壁钢管厚度较薄，对锈蚀敏感，在混凝土结构中发生锈蚀时,薄壁钢管体积膨胀，薄壁钢管与其接触的应变测量光栅或温度补偿光栅之间产生挤压应力；应变测量光栅用于测量由于应力变化和环境温度变化引起的应变，温度补偿光栅用于测量由于环境温度引起的应变，应变测量光栅的波长漂移量减去温度补偿光栅的波长漂移量就是待测钢筋由于应力变化引发的波长漂移量，根据待测钢筋的波长漂移量能够分析和判断待测钢筋的锈蚀状况；应变测量光栅的波长λB与应变测量光栅的有效折射率neff和光纤周期Λ正相关：λB＝2neff×Λ；温度补偿光栅的波长ΔλB与应变灵敏度系数aε、应变ε、温度灵敏度系数aT和温度变化量ΔT正相关：ΔλB＝aε×ε+aT×ΔT；连接件的材质为AISI316型不锈钢；U形槽封闭后能够防止其中的传输电缆在浇筑混凝土时受到损坏；固定棒的材质为不锈钢。
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