一種混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的光纖傳感監(jiān)測(cè)裝置

李 忠, 崔 宏, 汪紅星, 張 曦

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620; 2. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

現(xiàn)代土木工程的結(jié)構(gòu)形式愈來(lái)愈多的采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這得益于其具有較好耐久性的特點(diǎn).當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)服役于惡劣環(huán)境時(shí)，發(fā)生的劣化現(xiàn)象會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性，進(jìn)而降低整體結(jié)構(gòu)的使用壽命.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素主要有混凝土碳化、鋼筋腐蝕、凍融作用、堿-集料反應(yīng)、硫酸鹽腐蝕、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用等，其中影響耐久性的首要因素是鋼筋腐蝕[1].

鋼筋腐蝕現(xiàn)象在各種建筑物中較為普遍且腐蝕程度隨時(shí)間推移而加深，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生脹裂，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較早的損傷破壞，大大縮短了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命，造成巨大的損失.為此，提出一種用于鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的新技術(shù)，該技術(shù)采用具備微型簡(jiǎn)易、埋入式、靈敏、對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小等特點(diǎn)的光纖光柵傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋腐蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).此技術(shù)能盡早發(fā)現(xiàn)鋼筋腐蝕與否以及腐蝕程度，從而使技術(shù)人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取防護(hù)措施，以達(dá)到盡早維護(hù)、降低維修成本等目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保障結(jié)構(gòu)安全使用以及提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的目標(biāo).

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕的方法，如分析法[2]和電化學(xué)法[3].前者的測(cè)量精度比較差；后者的抗干擾能力差、易受外界不良因素的影響，且不能定量地描述鋼筋銹蝕程度以及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).相比之下，光纖光柵傳感器由于傳感合一[4]的特點(diǎn)以及抗腐蝕和電磁干擾、靈敏度和精度高、耐久性強(qiáng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、電力、橋梁、堤壩、邊坡和隧道[5]等領(lǐng)域和工程結(jié)構(gòu)的診斷與監(jiān)測(cè)方面獲得廣泛應(yīng)用.光纖傳感技術(shù)為結(jié)構(gòu)耐久性研究提供了重要支持，對(duì)結(jié)構(gòu)使用性能評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)均有重要意義.

新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外高校和各個(gè)研究機(jī)構(gòu)均投入了大量的科研力量來(lái)研究基于光纖光柵傳感技術(shù)的鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)方法.Falciai等[6]通過(guò)在彎梁結(jié)構(gòu)的上下表面粘貼光纖光柵傳感器來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的應(yīng)變,但試驗(yàn)裝置制作工藝較復(fù)雜且實(shí)用性較差；宋世德等[7]設(shè)計(jì)了基于光纖光柵傳感原理的傳感器，并在試驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)試件進(jìn)行加速試驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)︿摻钿P蝕進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)；張寧等[8]提出了與鋼筋成分相似的Fe-C膜光纖光柵銹蝕傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，不足之處是工藝較復(fù)雜.課題組在分析邊坡穩(wěn)定性研究[9]時(shí)，理論和MPGA數(shù)值模擬聯(lián)系較強(qiáng)，為更好地得到實(shí)測(cè)結(jié)果，考慮設(shè)計(jì)一種基于光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)裝置.

根據(jù)鋼筋腐蝕膨脹原理和光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)原理,提出一種用于鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的傳感裝置，主要由光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器組成.此裝置不僅具有構(gòu)造簡(jiǎn)易、不易損壞以及工程實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且能夠滿足從鋼筋腐蝕初期到保護(hù)層脹裂貫穿的全過(guò)程監(jiān)測(cè).

1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖光柵傳感器(fiber grating sensor)是采用光纖光柵傳感技術(shù)原理制成的一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，其可以直接測(cè)量溫度和應(yīng)變等物理量.但光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度和應(yīng)變具有同時(shí)敏感性，即二者同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)漂移，難以區(qū)分二者各自引起的漂移量.因此，解決溫度和應(yīng)變交叉敏感性是光纖光柵傳感器實(shí)用化的首要任務(wù).

光纖光柵傳感器可測(cè)定光纖光柵中心波長(zhǎng)λ的變化，即應(yīng)變和溫度等外界因素引起光纖光柵擾動(dòng)導(dǎo)致中心波長(zhǎng)λ產(chǎn)生漂移.光纖光柵波長(zhǎng)的變化量與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為

Δλ=KΔμε+KTΔT

(1)

式中:Δλ為光纖光柵中心波長(zhǎng)變化量；K為應(yīng)變敏感系數(shù)；Δμε為微應(yīng)變變化量；KT為溫度敏感系數(shù)；ΔT為溫度變化量.

由式(1)可以看出,溫度與應(yīng)變變化對(duì)中心波長(zhǎng)變化量的影響呈線性疊加[10].由于光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變具有交叉敏感性，故可以在同一溫度場(chǎng)下同時(shí)布設(shè)應(yīng)變傳感器和溫度傳感器.光纖光柵應(yīng)變傳感器與光纖光柵溫度傳感器的波長(zhǎng)變化分別為

進(jìn)而可得

(4)

式中:Δλ1為光纖光柵中心波長(zhǎng)變化量；K1為應(yīng)變敏感系數(shù)；Δμε1為微應(yīng)變變化量；KT1、KT2為溫度靈敏系數(shù)；ΔλT為溫度引起的波長(zhǎng)變化量；ΔT1為溫度變化量.

由式(4)可知:同一溫度場(chǎng)內(nèi)，溫度傳感器可以消除溫度變化所引起的應(yīng)變傳感器波長(zhǎng)漂移(即中和掉應(yīng)變傳感器受環(huán)境溫度的干擾)，溫度傳感器具有補(bǔ)償作用，進(jìn)而求出應(yīng)變這一單一變量對(duì)波長(zhǎng)變化的影響.

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)傳感監(jiān)測(cè)裝置

基于光纖光柵傳感技術(shù)和混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂三階段理論，設(shè)計(jì)并制作圖1所示的傳感監(jiān)測(cè)裝置，重點(diǎn)是布設(shè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和溫度傳感器.

圖1 傳感裝置俯視圖Fig.1 The vertical view of sensing device

首先，將三根光纖光柵應(yīng)變傳感器插入預(yù)留小孔的硬質(zhì)塑料管中，使其與鋼筋垂直且平行分布在鋼筋與混凝土保護(hù)層之間，傳感器S1、S2和S3按距鋼筋由近及遠(yuǎn)分別等距布設(shè)在塑料薄板的三個(gè)硬質(zhì)塑料管中，使之距離鋼筋越來(lái)越遠(yuǎn)，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠將其固定于硬質(zhì)塑料管中.再將一根光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器插入硬質(zhì)塑料薄板的硬質(zhì)塑料管中，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠將其固定.

制作完成后，可得如圖2所示的光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置.

圖2 傳感裝置Fig.2 Sensor device

2.2 傳感裝置布置工作原理

根據(jù)以往的研究,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生鋼筋腐蝕所得到產(chǎn)物的體積為原鋼筋體積的2～6倍，混凝土構(gòu)件開(kāi)裂前,銹蝕產(chǎn)物主要集中在靠近保護(hù)層一側(cè)的半圓，且呈橢圓形分布[11].試驗(yàn)通過(guò)在混凝土保護(hù)層內(nèi)分層布設(shè)傳感器來(lái)捕捉從鋼筋腐蝕體積自由膨脹到應(yīng)力發(fā)展階段，再到保護(hù)層裂縫擴(kuò)展階段,這三階段過(guò)程中混凝土的微小應(yīng)變、開(kāi)裂時(shí)的突發(fā)應(yīng)變及二者所需要的時(shí)間.

鑒于混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命與結(jié)構(gòu)破壞水平之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可設(shè)定傳感器停止工作與結(jié)構(gòu)破壞程度對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:傳感器S1停止工作時(shí)，即裂縫發(fā)展到距鋼筋3～5 mm處；傳感器S2停止工作時(shí)，即裂縫發(fā)展到距鋼筋25～27 mm處；傳感器S3停止時(shí)，即保護(hù)層出現(xiàn)的裂縫即將貫通.整個(gè)傳感監(jiān)測(cè)裝置在試驗(yàn)試塊中的具體布設(shè)如圖3所示.

圖3 傳感裝置布設(shè)Fig.3 The layout of sensing device

2.3 試驗(yàn)方法

制作4個(gè)試件，尺寸均為長(zhǎng)300 mm、寬150 mm、高150 mm.為了更好地模擬自然環(huán)境下鋼筋的銹蝕，試驗(yàn)采用半浸泡的電化學(xué)腐蝕法，即將4個(gè)試件浸泡在5%氯化鈉溶液內(nèi)，通過(guò)恒流源(60 mA)通電來(lái)提高試件內(nèi)鋼筋的銹蝕速度，裝置如圖4所示.

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test device

試件A1、A2、A3和A4浸泡在溶液中，僅在試件A4中布置圖2所示的傳感監(jiān)測(cè)裝置用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的整個(gè)損傷過(guò)程.各試件保護(hù)層厚度均為50 mm,各個(gè)試件中漏出的鋼筋均接通電源的正極，放入溶液中的鋼板承當(dāng)負(fù)極，以此來(lái)組成一個(gè)閉合的電路.4條傳感器的一端與光纖傳感分析儀相連接，分析儀可以顯示各通道對(duì)應(yīng)的各個(gè)傳感器在混凝土構(gòu)件腐蝕損傷過(guò)程中的物理量(應(yīng)變和溫度)和波長(zhǎng)的變化(突變波長(zhǎng)及時(shí)間).

當(dāng)試件A4中各個(gè)應(yīng)變傳感器依次停止工作后，分別從溶液中撈出對(duì)應(yīng)的試件，取出相應(yīng)的鋼筋并記錄腐蝕結(jié)束的時(shí)間，最后計(jì)算銹蝕率.其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1.

表1 傳感器、試件、鋼筋和腐蝕時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)開(kāi)始前，將光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)定，檢查各傳感器與分析儀正常連接后，開(kāi)始本次試驗(yàn).在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)的記錄，并對(duì)十天內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示.

圖5 傳感器全過(guò)程監(jiān)測(cè)應(yīng)變及波長(zhǎng)隨時(shí)間變化Fig.5 The charge diagram of strain and wavelength with time in the whole process monitoring of sensor

從圖5a中可以看出:光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變隨著時(shí)間的推進(jìn)呈遞增狀態(tài)，變化比較大且不是連續(xù)變化的(變化過(guò)程出現(xiàn)“平臺(tái)”)，并且傳感器S3的變化幅度最大，S1次之，S2最??；從圖5b中可以看出:光纖光柵溫度補(bǔ)償傳感器的波長(zhǎng)隨時(shí)間基本上不發(fā)生變化，光纖光柵應(yīng)變傳感器的波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化呈上升趨勢(shì)但幅度不大.

在對(duì)混凝土試件保護(hù)層開(kāi)裂全過(guò)程的監(jiān)測(cè)中，有如下發(fā)現(xiàn):

第1～2天:三根光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變與波長(zhǎng)隨時(shí)間均平緩地在一定范圍上下波動(dòng).這是因?yàn)榇藭r(shí)保護(hù)鋼筋的鈍化膜正在被破壞消失，鋼筋銹蝕的產(chǎn)物比較少，并且還在填補(bǔ)鋼筋和混凝土界面的空隙，基本上未對(duì)混凝土產(chǎn)生銹脹力作用.

第3～7天:光纖光柵解調(diào)儀相繼接收到傳感器S1、S2和S3的應(yīng)變信號(hào).首先是傳感器S1的應(yīng)變開(kāi)始發(fā)生變化，然后傳感器S2的應(yīng)變開(kāi)始增長(zhǎng)，最后光纖光柵解調(diào)儀接收到傳感器S3產(chǎn)生的較為明顯的應(yīng)變及波長(zhǎng)變化，這說(shuō)明此時(shí)銹脹力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)發(fā)展到保護(hù)層表面處.

第8天:傳感器S1徹底脫離工作(解調(diào)儀依然能接收到波長(zhǎng)的反應(yīng)，即傳感器未遭到破壞)，主要原因是混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫,使得傳感器與混凝土間的黏結(jié)錨固力消失，由此可以斷定此階段鋼筋表面的鈍化膜已經(jīng)完全被破壞.

第9天:傳感器S2脫離工作狀態(tài)，由于裂縫發(fā)展導(dǎo)致混凝土與傳感器黏結(jié)錨固作用消失，并且此階段可以發(fā)現(xiàn)混凝土表面產(chǎn)生了微裂縫.

第10天:只有傳感器S3持續(xù)工作，但是混凝土試件已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂縫，標(biāo)志著此時(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去正常工作的功能，整個(gè)保護(hù)層開(kāi)裂過(guò)程結(jié)束.

3.2 計(jì)算銹蝕率

試驗(yàn)前后分別對(duì)各試驗(yàn)鋼筋稱重，根據(jù)下式計(jì)算鋼筋的銹蝕率:

(5)

式中:M1為試驗(yàn)前鋼筋的質(zhì)量，g；M2為試驗(yàn)后鋼筋的質(zhì)量，g.通過(guò)計(jì)算得到在不同時(shí)間取出的鋼筋銹蝕率見(jiàn)表2.

表2 不同鋼筋對(duì)應(yīng)的銹蝕率

結(jié)合表2和3.1節(jié)可以得出:1) 在保護(hù)層范圍內(nèi)布設(shè)的三道光纖光柵應(yīng)變傳感器，距離鋼筋越近，其波長(zhǎng)和應(yīng)變變化越大，脫離工作的時(shí)間越早；2) 試件保護(hù)層銹脹開(kāi)裂的三個(gè)過(guò)程中，應(yīng)力發(fā)展階段耗時(shí)最長(zhǎng)，自由銹脹過(guò)程次之，裂縫發(fā)展時(shí)間最短；3) 鋼筋的銹蝕率隨試件浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而增大.

4 數(shù)值分析

4.1 ABAQUS模型參數(shù)

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)鋼筋非均勻銹蝕膨脹全過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究.采用離散銹蝕模型對(duì)保護(hù)層銹蝕開(kāi)裂過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并得出結(jié)論[12-13].

選擇模型的截面尺寸:長(zhǎng)為150 mm、寬為150 mm.鋼筋采用彈性模量較大的實(shí)體代替且固定位置，采用彈簧單元連接鋼筋和混凝土，并通過(guò)彈簧單元對(duì)周圍混凝土施加作用來(lái)模擬銹蝕過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間的變化.

在混凝土保護(hù)層厚度范圍內(nèi)豎向等距離的選擇6個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，如圖6所示.在對(duì)模型施加徑向位移的過(guò)程中，記錄混凝土保護(hù)層厚度為50 mm的混凝土模型各參考點(diǎn)處的應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況，進(jìn)而分析在混凝土與鋼筋界面施加徑向位移的過(guò)程中混凝土構(gòu)件隨時(shí)間的受力變化.

圖6 參考點(diǎn)示意圖Fig.6 Reference point diagram

4.2 結(jié)果分析

混凝土保護(hù)層厚度為50 mm的混凝土模型各參考點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖7所示.模型保護(hù)層的應(yīng)變隨時(shí)間變化云圖如圖8所示.

圖7 參考點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間變化曲線Fig.7 Stress time charge curve of reference point

結(jié)合圖7和圖8，對(duì)保護(hù)層厚度為50 mm的模型進(jìn)行分析，可以得出:

1) 在t2～t14時(shí)間內(nèi)持續(xù)的施加徑向位移的過(guò)程中,距離鋼筋表面較近處的參考點(diǎn)應(yīng)力較大且增大較為迅速，而較遠(yuǎn)處的5號(hào)和6號(hào)參考點(diǎn)處應(yīng)力為零；

2) 在混凝土保護(hù)層范圍內(nèi)，距離鋼筋越近的區(qū)域越早產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變且變化越大；

3) 模擬分析結(jié)果與腐蝕損傷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果相吻合.

5 結(jié)論

1) 提出一種新型的用于混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的監(jiān)測(cè)裝置，將多根應(yīng)變傳感器分別布設(shè)在保護(hù)層不同位置，不僅可以對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，也可以獲取鋼筋銹蝕過(guò)程中某一時(shí)刻混凝土的受力狀況，及時(shí)準(zhǔn)確地得知損傷的位置，進(jìn)而采取有效合理的預(yù)防與維護(hù)措施.在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中傳感器能夠持續(xù)穩(wěn)定地提供有效的信息，也驗(yàn)證了裝置具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力.

2) 在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，距離鋼筋越近的應(yīng)變傳感器，波長(zhǎng)及應(yīng)變變化越大，距離越遠(yuǎn)的變化越小，與實(shí)際工作環(huán)境中的鋼筋混凝土相吻合.

3) 利用ABAQUS有限元軟件模擬鋼筋在徑向位移持續(xù)作用下應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，證實(shí)了離散銹脹模型的可行性和準(zhǔn)確性.