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1、第39卷第6期河海大学学报(自然科学版)Vol.39No.62011年11月JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences)Nov.2011DOI:10.3876/j.issn.10001980.2011.06.020钢筋腐蚀监测传感器设计与工程应用吴瑾,耿犟,李俊,高俊启(南京航空航天大学土木工程系,江苏南京210016)摘要:基于钢筋腐蚀体积膨胀及光纤光栅测量应变的原理,设计了一种新型钢筋腐蚀监测传感器.通过室内加速腐蚀试验,建立了传感器信号与钢筋腐蚀率的定量关系;采用多目标优化方法,进行钢筋腐蚀传感器的优化
2、布置.将该传感器埋入某码头泊位混凝土结构中并进行了测试,室内试验和工程应用表明,该传感器可用于混凝土中钢筋腐蚀监测.关键词:钢筋腐蚀;腐蚀监测;传感器;优化布置中图分类号:TU503文献标志码:A文章编号:10001980(2011)06069804由于使用环境(如海洋环境)或使用方法(桥面撒除冰盐)的影响,钢筋腐蚀已成为威胁码头、桥梁、隧道等结构耐久性和安全性的主要因素之一.目前结构健康监测参数主要是力学和环境参数,如荷载、加速度、位移、应变、风速和温度等,而对钢筋腐蚀监测的研究却很少.钢筋腐蚀检测仍采用到达现场的传统检测方法(如现场取
3、样法和半电池电位法),由于传统检测方法是在结构表面进行,检测结果易受环境影响,现场工作量大,对于难以到达的结构部位(如桥梁和码头底板、海底隧道外侧等)根本无法检测,所以传统检测方法远远不能满足重大工程结构智能化监测的要求.可永久埋设的智能传感器是实现混凝土中钢筋腐蚀智能监测的基础.国内外对钢筋腐蚀传感器开展了[1][2][3]许多研究.Raupach等发明了阳极梯(Anode-ladder)钢筋腐蚀传感器,陈卿等发明了阴阳极距离较小的[4]梯形阳极传感器,但电化学传感器缺点是抗电磁、温度与湿度干扰能力差,测量系统易发生漂移.Youn等研究了声发射(acou
4、stic)技术监测后张法预应力混凝土中钢丝束的腐蚀,但声发射传感器的困难是如何将其[5]他来源的声发射信号(如交通信号)与钢丝腐蚀断裂信号区分开来.Liu等研究了时域反射技术监测混凝土[6]中预应力钢筋的腐蚀,但存在信号易受干扰的问题.吴瑾等基于无线射频技术研究了钢筋腐蚀无线传感[7]器,同样不足是信号易受干扰.江毅等将光纤光栅拉伸后环绕粘贴在钢筋表面监测钢筋的腐蚀程度,但是[8]这种方法监测钢筋腐蚀的环境是溶液,而不是混凝土环境.轩元等应用布里渊时域分析光纤传感技术,通过测量钢筋混凝土结构应变分布来监测钢筋腐蚀,但目前仍处于实验室研究阶段,还未有工程应用
5、.本文基于光纤光栅应变传感技术设计了钢筋腐蚀监测传感器,研究了传感器的优化布置方法,并应用于港工混凝土结构中钢筋腐蚀智能监测.1钢筋腐蚀监测传感器设计1.1传感器原理反射光的中心波长B与光栅的折射率变化周期和有效折射率neff有关:B=2neff(1)B=(+)T+(1-Pe)(2)B式中:光纤的热膨胀系数;光纤的热光系数;T温度变化;Pe有效弹光系数;应变.通过对光栅温度补偿,消除温度变化对光栅波长的影响,式(2)简化为收稿日期:20101008基金项目:国家自然科学基金(50879
6、034)作者简介:吴瑾(1965),男,江苏灌云人,教授,博士,主要从事混凝土结构耐久性研究.E-mail:wujin@nuaa.edu.cn第6期吴瑾,等钢筋腐蚀监测传感器设计与工程应用699B=(1-Pe)(3)B由式(3)可知,光栅波长变化与应变成线性关系.钢筋腐蚀传感器设计为:在两根紧密接触的短钢筋圆心处固定光栅的两端(图1).当两根短钢筋腐蚀后,由于体积膨胀两短钢筋截面圆心之间产生相对拉应变,致使光纤光栅波长发生变化,根据此波长变化(即传感器响应)来量测钢筋的腐蚀率.1.2传感器封装与试验为了将传感器埋入到实际的工程中,采用与
7、工程用混凝土渗透性相同的砂浆封装传感器.为建立钢筋腐蚀率和光栅波长变化的关系,设计5组传感器试验.将传感器埋入保护层为3cm的C25混凝土试件中,试件尺寸为100mm50mm100mm.采用电化学快速腐蚀法加速钢筋腐蚀,当测得波长有较大变化时,将混凝土破开测量出钢筋的腐蚀率.试验结果见图2,图中1~5为5组传感器试验结果.从图2可以看出,随着钢筋腐蚀率增大,光栅波长变化增大.图1钢筋腐蚀光纤光栅传感器方案图2波长变化与腐蚀率的关系Fig.1FiberopticsensorforreinforcementFig.2Relationshipbetw
8、eenwavelengthchangeandcorrosionmo
