混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器的制作方法

专利名称：混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器，属于 土木工程传感器测试领域。
背景技术：
长周期光纤光栅(以下简称LPG)是一种基于纤芯导模与包层模式耦合理论 的传感性光栅，它对其周围所处环境的折射率变化非常敏感，进而可以得到周围 环境中粒子的浓度。基于该耦合理论的生物、化学传感技术已广泛应用于血液中 抗原含量测量、蛋白质物质鉴别、药物筛选、溶液浓度检测、污水降解程度判定 等多个生化研究领域。
随着钢筋混凝土结构在大型建筑工程中的广泛应用，混凝土中的钢筋锈蚀已 成为威胁全世界钢筋混凝土结构耐久性的最主要灾害。特别是在沿海、近海及特 种桥梁等使用环境中，钢筋混凝土结构可能因为钢筋锈蚀而丧失其耐久性，并导 致钢筋混凝土构件承载能力下降和延性的降低，最终造成结构不能达到预定的服 役年限而提前失效。每年此类灾害都给人们的生产生活造成了巨大的直接和间接 经济损失，甚至在一些国家已构成了沉重的财政负担。随着经济的持续增长，我 国正在进行大规模的基础设施建设。如何对这些设施的结构进行有效监测并预防 灾害的发生，成为当前亟需解决的问题。
钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的最主要因素，并且，钢筋锈蚀主要由氯离子 侵蚀或混凝土碳化引起。钢筋锈蚀之后，其锈蚀后的体积约变为原来的2.5倍， 混凝土有优异的抗压应力的能力，但对拉应力的抵抗能力较差，若钢筋锈蚀时体 积膨胀的力量大于混凝土所能承受的拉应力时，混凝土将不可避免的会产生张力 裂缝，甚至导致混凝土局部的保护层脱落。通常情况下，混凝土中的钢筋处于高 碱性环境中(pH>13),钢筋表面在这种环境下形成钝化膜，处于钝化状态，钝 化膜可有效保护钢筋免于继续受外界有害物质的侵蚀，阻止钢筋发生锈蚀。但随着氯离子的侵入或混凝土碳化，混凝土内部PH值降低至中性甚至偏酸性，附着 于钢筋表面的钝化膜将会慢慢被破坏，而导致钢筋开始锈蚀。钢筋锈蚀会使混凝 土对钢筋的握裹力下降，引起结构的承载力下降。由此，钢筋锈蚀机理的研究曰 益得到学术界的重视。
目前研究最为广泛的混凝土中钢筋锈蚀状况的非破损检测方法(NDT)主要可 分为电化学方法和物理方法两大类。电化学检测方法是通过测定钢筋混凝土腐蚀 体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋的锈蚀程度或速度。目前发展的电化学方 法有半电池电位法、线性极化法、交流阻抗法、混凝土电阻法等。电化学检测方 法操作时都需要将外部测量探头或参比电极放置于混凝土构件上，这对于测量部 位较多、检测环境复杂(如桥墩底部、过江暖道外侧)和需要长时间监测的重要建 筑而言，不仅工作量巨大，并且测量结果易受外界因素的干扰(如每次接触位置 的不同、参比电极溶液对混凝土污染等都会对测量结果有一定的影响)。
物理方法主要是通过测定与钢筋锈蚀一起的电阻、电磁、热传导、声波传播 等物理特性的变化来反映钢筋的锈蚀状况。常用的方法包括电阻棒法、涡流探 测法、射线法、声发射探测法等。物理方法的优点是操作方便，易于现场的原位 测试。但物理方法对钢筋的锈蚀程度通常只能提供定性的结论，难以提供定量的 分析，因而也无法实现对钢筋锈蚀情况的在线检测。随着检测技术的发展，有许 多新技术应用于钢筋锈蚀检测研究，如声波探测、光纤传感等。
由于光纤传感系统具有质量轻、直径细、体积小、耐腐蚀等独特的优点，使 得基于光纤传感的钢筋混凝土结构健康监测技术研究与应用成为当前国内外土 木工程领域研究者们重点关注的新热点。目前使用光纤光栅监测腐蚀的主要方法 有pH值和Cl—浓度的间接监测，以及测量腐蚀膨胀的直接监测。Fuhr等人将分 析化学中的Fajans方法与光纤传感技术相结合，定量检测氯离子浓度，但这种 方法无法实现氯离子浓度的连续检测，检测反应不可逆，荧光物质要考虑寿命的 衰减问题；Bennett K D提出了 一种基于光纤微弯效应的"腐蚀保险丝"传感方 案，但此方法只能作某一程度腐蚀的阈值判据，不能连续反映腐蚀的过程；重庆 大学黎学明和陈伟民等提出釆用于Fe-C合金膜局部取代光纤的介质包层，抅成 腐蚀敏感膜，通过监测传感光纤输出光功率变化随锈蚀钢筋周围环境PH值的变化情况，获取钢筋腐蚀信息，但此方法还需进一步提高镀层材料、厚度与附着力 控制工艺以便获得实际应用，且检测过程不可逆，无法重复使用。
在LPFG锈蚀传感方面，2008年，本试验室王彦等人在光谱学与光谱分析著文 "基于光纤光栅光谱分析的混凝土结构钢筋锈蚀监测"，利用LPFG的弯曲特性制 成了钢筋锈蚀传感器，用来检测混凝土中钢筋锈蚀状态。该系统如图8所示，将 钢筋放入一凹槽形的不锈钢基座内并用胶将其与基座固定，基座高度与钢筋直径 相同，将光栅段外套保护管后平放于钢筋表面，对光栅两端光纤施加一定的预拉 伸力使光栅保持水平伸直状态，光栅两端搭在基座两端， 一端光纤用环氧树脂胶 与基座粘贴固定，并且此端的光纤也与保护管粘贴固定。在钢筋未发生锈蚀的初 始状态，长周期光纤光栅保持笔直状态。当钢筋锈蚀体积发生径向膨胀，钢筋体 直径增大，就会引起长周期光纤光栅发生弯曲，陷波效应变小。但由于该传感器 仅能监测钢筋锈蚀后体积的径向膨胀(即第二阶段)，不能实现钢筋锈蚀体积膨 胀前期的监测(即第一阶段)，使得该传感器的有效监测时间大大缩短。同时， 由于LPFG对弯曲效应的监测有一定的局限性，即当LPFG达到一定曲率时，LPFG 透射光谱中透射率增加，如图9所示，LPFG纤芯导模与包层模式之间的耦合现象 消失，谐振峰消失，此时，将无法得到LPFG透射谐振光谱参数，即该传感器失 效，使得该传感器的有效使用时间缩短。同时，该传感器仅能实现单点监测，带 有其偶然性，不能真实反映钢筋锈蚀状态。

发明内容
本发明的目的在于克服原有混凝土钢筋锈蚀监测中的传感器有效工作时间 短等缺点，提供一种灵敏度高、可实现分布式在线测量及钢筋整体监测，传感器 有效工作时间长的混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器。
一种混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法，其特征在于包括以下过程
(1) 、利用LPFG透射光谱法进行监测；在待监测的钢筋和LPFG传感探头之 间填充监测介质；在以下监测过程中，始终保持LPFG光栅栅区处于自由且平直 状态；
(2) 、第一阶段测量利用混凝土内部Cl—含量变化带来的钢筋周围环境折射率的变化，利用LPFG传感栅区对光栅栅区周围环境折射率变化的敏感性质， 通过测量由于待测环境中介电常数的变化而引起的谐振峰值的变化，检测混凝土 环境中cr含量及钢筋锈蚀状态，即当混凝土中钢筋附近氯离子含量不断增加 时，通过检测由栅区表面环境中介电常数的变化引起的谐振峰值改变，进而实现 对Cr含量的监测，所说的测量LPFG传感栅区对栅区周围环境介电常数变化也 就是测量折射率的变化。
(3) 、混凝土环境中cr含量趋于稳定，钢筋表面钝化层逐步破坏，钢筋产
生锈蚀，随着铁锈逐渐融入监测介质，LPFG传感器的谐振峰值出现快速移动，
进入下一阶段测量；
(4) 、第二阶段测量此阶段，由于混凝土中钢筋附近液态铁锈含量的不断 增加，钢筋附近环境中折射率不断变化，通过检测由栅区表面环境中介电常数的 变化引起的谐振峰值改变，进而实现对铁锈含量的监测。
上述的混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法，其特征在于所迷的监测 介质为有利于加速固体铁锈液化的物质。利用加速固体铁锈液化的物质作为待监 测的混凝土和LPFG传感探头之间的监测介质，将混凝土内部的胶溶水和状态转 换成更适合LPFG传感器监测的状态，同时加速钢筋表面铁锈的液化，使固态铁 锈尽可能充分的溶入该物质中，引起钢筋周围环境中介电常数，实现对混凝土中 钢筋锈蚀的实时、在线监测。该加速固体铁锈液化的物质可以使用花泥树脂、生 石膏等。
上述的混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法，其特征在于所述监测介 质为花泥树脂。与其它物质相比，花泥树脂本身具有一定的塑性和整体性，可使 钢筋锈蚀、体积膨胀更加自由而免受砂浆过多的约東，同时，花泥树脂具有良好 的透水性，便于加速固体铁锈液化。其与混凝土结构较为接近，更能充分、真实 反映混凝土中钢筋的锈蚀状态。
一种用于混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法的传感器，其特征在于 该传感器包括开有孔洞的套管、安装于套管内的光纤支架、自由且平直的安置于 光纤支架上的LPFG传感探头，上述套管内填充监测介质，利用该介质的水溶环 境将钢筋锈蚀后得到的铁锈溶解到监测介质中，进而实现铁锈由固态到液态的转 变；上述光纤与支撑架轻微固定或单端固定，避免由于LPFG传感器探头弯曲对检测结果所带来的影响，其两固定端距离应大于栅区长度；LPFG传感器探头与 待测钢筋分开约4-6咖的距离，有效避免由于锈蚀带来的钢筋体积膨胀对长周期 光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头的影响。分布式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器的 组成是在同一根光纤上可以制备多个在线长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探 头，该光纤的末端设置为终端反射式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头，用以 实现空分复用。
一种用于混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法的传感器，其特征在于 所述的填充介质为花泥树脂。
本发明的有益效果是将钢筋锈蚀状态监测分为两个阶段，即钢筋锈蚀
初始阶段cr含量监测和锈蚀过程中钢筋附近液态铁锈含量的监测，延长了钢筋
锈蚀传感器的有效工作时间；利用LPFG对环境介质折射率、溶液浓度变化分辨 率高、响应快、高通量、敏感、特异、简便、对样品本身无损伤等优点，实现混
凝土中cr及液态铁锈含量监测，确定混凝土中已锈蚀钢筋的具体定位和钢筋锈 蚀状况，可应用于桥梁、码头等建筑物的锈蚀状况监测；同时由于采用了光纤作
为传感基体，又具有抗电磁干扰能力强、耐高压、耐腐蚀、可实现分布式测量以
及远程遥测监控等优点；通过简化传感系统结构且采用光谱检测技术，可提高测 量精度，克服光强测量易受光源不稳定影响的缺点；通过釆用相应的封装及保护
方式，可避免由于外界应力、应变对LPFG传感器探头所带来的影响，保证锈蚀
监测的可靠性和耐久性。


图1是长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器系统组成示意图。
图2是Y型光纤耦合器示意图。
图3是终端反射式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头示意图。 图4是分布式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头示意图。 图5是长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感探头与待测钢筋排布图。 图6是长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感探头封装图。 图7是树脂架结构图。
图8是LPFG弯曲特性钢筋锈蚀传感器示意图。图9是LPFG弯曲特性钢筋锈蚀传感器实验结果图。
图中的标号名称l.宽带光源，2. Y型光纤耦合器，3.耦合器接头，4.传 感光纤，5.终端反射式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头，6.封装盒，7.光谱 仪，8.计算机，ll.输入端，12.反射端，13.输出端，61.LPG栅区，62.纤芯， 63.纤芯终端反射金属膜，9.在线式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头，14. 钢筋，15.大直径套管，16.花泥树脂，17.树脂架，18.渗透孔，20.传感器探头， 21.长周期光纤光栅，22.不锈钢基座，23.保护管
具体实施例方式
由图l可知，本发明的长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器系统的具体组成是， 宽带光源1 (可釆用LG150型宽带光源)，进入Y型光纤耦合器2 (如图2所示) 的输入端，传播到Y型光纤耦合器2的输出端，再通过耦合器接头3，经过传感 光纤4传播到终端反射式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头5，与待测环境中 的于Cl—含量相互作用产生纤芯和包层的耦合效应，在经过探头5中的纤芯端面 的反射金属膜作用后形成反射光线通过Y型光纤耦合器2的反射端进入光谱仪7 (可采用AQ6317型光谱仪)，再经过计算机8处理输出反射光强度与光峰值之 间的关系曲线，从而实现了整个测量光路部分的全光纤化。
图3是终端反射式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头示意图。它包括栅区 61、纤芯终端反射金属膜(金或银)63以及纤芯62。利用金属膜对光的反射作 用，将传输过来的光线反射回去，光线两次经过长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器 探头，提高其检测精度。
研究混凝土中cr含量以及钢筋锈蚀后液态锈对钢筋周围环境介电常数的影
响，利用长周期光纤光栅对周围环境介电常数的敏感特性，将所设计的用于检测 混凝土中钢筋锈蚀状态的长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头埋入混凝土结构 中，检测待测环境的介电常数变化。随着混凝土中钢筋附近氯离子含量的不断增 加，待测环境的介电常数发生变化。当钢筋钝化层表面附近被局部酸化，钢筋表 面阳极电解液的pH值被局部降低到3. 5左右时，钢筋不断锈蚀，氯离子含量趋 于稳定，此时铁锈逐渐融入花泥树脂，待测环境的介电常数继续发生变化。整个 过程中，氯离子的含量变化以及整个钢筋锈蚀过程的状态将通过周围环境中介电 常数的变化而被捕获。通过检测谐振峰值的变化情况实现对混凝土结构中的钢筋
9锈蚀状况的实时在线监测。
图4是分布式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头示意图。它的具体组成是 在同一根光纤纤芯的不同位置刻入不同谐振峰值的LPFG传感栅区，并在每根光 纤的终端镀上反射金或银膜。因此可在同一根光纤上可以同时设置多个长周期光 纤光栅钢筋锈蚀传感器探头，并将该光纤的末端加工为终端反射式长周期光纤光 栅钢筋锈蚀传感器探头。
根据LPG光谱输出特性，通过不同谐振峰值的LPFG可对钢筋结构实现多位 点探测的分布式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器。当这些LPFG传感段处于不同 测试环境中时，不同的待测环境中的离子含量与传感器相互作用，从而引起各个 LPFG传感器附近介电常数的变化.通过对传感器输出LPFG光谱的不同谐振峰值 的检测，可以得到分布式检测的信号。
图5是长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感探头与待测钢筋排布图。它包括钢筋
14、 大直径树脂套管15、花泥树脂以及终端反射式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传 感器探头5。将传感器探头与钢筋分开约5mra的距离，用于避免锈蚀过程中的钢 筋体积膨胀对传感器探头造成附加的应力、应变影响，对钢筋锈蚀的全过程实现 实时准确监测。将花泥树脂填充在钢筋及LPFG传感器探头附近，利用花泥树脂 的水溶环境将钢筋锈蚀后得到的铁锈溶解到花泥树脂中，进而实现铁锈由固态到 液态的转变。
图6是长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感探头封装图。它包括大直径树脂套管
15、 终端反射式长周期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头5以及树脂架17。利用大 直径树脂套管将传感器探头保护起来，套管上打满小孔，套管内部由花泥树脂填 充，在保证环境渗透率的同时消除外界环境的附加影响以及促进铁锈的液化。
图7是树脂架结构图。它的具体组成是将树脂条板粘贴成框架结构，将长周 期光纤光栅钢筋锈蚀传感器探头拉直悬空粘贴于树脂架上。该结构主要用于使长 周期光纤光栅的栅区保持平直，避免由于栅区弯曲而影响检测结果，其两固定端 距离应大于栅区长度。
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权利要求
1.一种混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法，其特征在于包括以下过程(1)、利用LPFG透射光谱法进行监测；在待监测的钢筋和LPFG传感探头之间填充监测介质；在以下监测过程中，始终保持LPFG光栅栅区处于自由且平直状态；(2)、第一阶段测利用LPFG传感栅区对周围环境折射率变化的敏感性质，通过测量由于待测环境中介电常数的变化而引起的谐振峰值的变化，检测混凝土环境中Cl-含量及钢筋锈蚀状态，即当混凝土中钢筋附近氯离子含量不断增加时，通过检测由栅区表面环境中介电常数的变化引起的谐振峰值改变，进而实现对Cl-含量的监测；(3)、混凝土环境中Cl-含量趋于稳定，钢筋表面钝化层逐步破坏，钢筋产生锈蚀，随着铁锈逐渐融入监测介质，LPFG传感器的谐振峰值出现快速移动，进入下一阶段测量；(4)、第二阶段测此阶段，由于混凝土中钢筋附近液态铁锈含量的不断增加，钢筋附近环境中折射率不断变化，通过检测由栅区表面环境中介电常数的变化引起的谐振峰值改变，进而实现对铁锈含量的监测。
2. 根据权利要求1所述的混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法，其特 征在于所述的监测介质为有利于加速固体铁锈液化的物质。
3. 根据权利要求2所述的混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法，其特 征在于所述监测介质为花泥树脂，即酚醛树脂。
4. 一种用于混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法的传感器，其特征在 于该传感器包括开有孔洞的套管、安装于套管内的光纤支架、自由且平直的安 置于光纤支架上的LPFG传感探头，上述套管内填充监测介质。
5.根据权利要求4所述的用于混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法的 传感器，其特征在于所述的填充介质为花泥树脂。
全文摘要
本发明涉及一种混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器，属于土木工程传感器测试领域。该方法将钢筋锈蚀状态监测分为两个阶段，即钢筋锈蚀初始阶段Cl^-含量监测和锈蚀过程中钢筋附近液态铁锈含量的监测，延长了钢筋锈蚀传感器的有效工作时间。该传感器包括开有孔洞的套管、安装于套管内的光纤支架、自由且平直的安置于光纤支架上的LPFG传感探头，上述套管内填充监测介质。
文档编号G01N21/88GK101566580SQ20091002794
公开日2009年10月28日 申请日期2009年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者刘宏月, 捷 曾, 梁大开, 王晓洁, 胡兴柳 申请人:南京航空航天大学