专利名称：一种钢筋混凝土锈裂监测方法及传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及土木工程健康监测技术领域，尤其是钢筋锈蚀引起的混凝土锈胀开裂 全过程监测方法及传感器。
背景技术：
钢筋混凝土内钢筋锈蚀是导致结构耐久性失效的一个最主要因素，由钢筋锈蚀引 起钢筋混凝土结构的过早破坏，已经成为世界各国普遍关注的一大灾害。由我国沿海桥梁、 码头和工业建筑的调研结果可知，沿海混凝土结构存在着较为普遍的“钢筋锈蚀”问题且形 势严峻，严重影响了结构的使用寿命。因此，准确的监测钢筋混凝土结构内钢筋初锈、混凝 土膨胀开裂、结构承载力破坏的全过程，对于混凝土结构的使用性能评估和剩余寿命的预 测均具有重要意义。传统的钢筋锈蚀监测方法主要有间接参数监测和直接参数监测两大类。间接参数 监测方法主要包括电化学方法和锈蚀影响参数监测法。上述方法受环境因素、混凝土材料 性质、影响参数耦合、电磁干扰等影响，难以直接建立测试得到的参数和钢筋锈蚀之间一一 对应的数学关系；直接监测法则是对钢筋锈蚀后的物理量进行监测，包括铁锈颜色变化、钢 筋体积膨胀、混凝土开裂、混凝土与钢筋间粘结强度下降、钢筋截面积减小等，该方法能直 观的观测钢筋锈蚀情况，但实际工程应用中往往难以实现混凝土的凿除和检查。目前，钢筋锈蚀监测的光纤传感器研制方面已有相关研究。中国发明专利 101566580A中公开了一种混凝土中感觉锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器，可监测钢筋 锈蚀初始阶段Cl-含量和锈蚀过程中钢筋附件液态铁锈含量的监测。该专利能有效测试钢 筋锈蚀产物变化，但无法评价锈蚀产物对钢筋混凝土结构性能的影响。中国发明专利101008620B中公开了一种钢筋混凝土构件中钢筋锈蚀的监测方 法，该方法将应变光纤光栅粘贴在同工程同材质的两根钢筋棒顶面，钢筋锈蚀后将产生直 径变化，通过测量光纤光栅的波长移动量及速率推断钢筋腐蚀程度与速率。中国发明专利101042328B中公开了一种长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及 其传感器，利用贴着钢筋的位置平直地放置一根长周期的光纤光栅，定期由光谱仪观察长 周期光纤光栅的投射谱变化，以此判断光栅时候发生了弯曲，并推断钢筋腐蚀程度与速率。 上述专利均采用光纤光栅作为传感器监测钢筋锈蚀情况，能有效克服传统传感器寿命短、 抗电磁能力差的缺点，但存在只能进行点式的监测，难以满足钢筋混凝土结构非均勻锈蚀 的特点，无法准确的评价钢筋锈蚀整体情况，存在漏测和误判的风险。中国发明专利1300571C中公开了一种埋入式微弯光纤传感器和微弯光纤传感器 埋入与测试方法，由OTDR测试光纤因岩体变形、大变形岩体裂隙产生和发展、微观变形、宏 观变形监测引起的微弯，该专利可捕捉到岩层初始变形，甚至是材料损伤，属于分布式光纤 监测。该方法实现了岩体变形的分布式监测，但不能直观地从材料应变大小的角度判读材 料开裂和裂化的全过程。
发明内容
本发明提供一种基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监测方法以及实施 该方法的传感器，将该传感器埋入待测钢筋混凝土结构中，对钢筋锈蚀引起的混凝土锈胀 开裂全过程进行监测。以下论述基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的基本原理。布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生互相作用而产生的 光散射现象。当光纤沿线的温度发生变化或存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光 的频率将发生漂移。频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过 测量光纤中的背向布里渊散射的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。 分布式光纤传感技术从光纤的两端分别注入脉冲光信号和连续光信号，当脉冲光与连续光 的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应， 两束光之间发生能量转移。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两激光的 频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率，可以确定光纤各小区间上 能量转移达到最大时的频率。光纤应变量、温度变化量与布里渊频率漂移量之间的关系如 下式所示
权利要求
1.一种钢筋混凝土锈裂监测方法，包括以下步骤(a)传感器制作采用圆柱形的混凝土浇筑模具，选取与工程所用材质相同的模拟钢 筋并放置在模具中心，模拟钢筋长度略短于模具高度，在模具内埋设和模拟钢筋长度一致 的不锈钢段，模拟钢筋端头和不锈钢端头用导线连出后用环氧树脂封闭，采用电化学工作 站测量钢筋和不锈钢之间的极化电流，判断钢筋初始锈蚀时间；将传感光纤环绕钢筋布置， 形成3道环向应变监测光纤，另外布置1道环境参数补偿光纤；选取与工程所用配合比相同 的混凝土，浇筑进模具内部，养护完成后传感器制作完成；(b)传感器标定该标定试验采用钢筋通电加速锈蚀方法，将步骤(a)制作的传感器 的待锈钢筋和不锈钢分别于恒流电源正负极连接，采用布里渊光时域分析仪记录光纤应变 值；将3道传感光纤所测的应变值减去设置1道的环境补偿光纤的应变值，通过最小二乘法 拟合建立光纤应变值与钢筋锈胀率、体积膨胀率及裂缝宽度之间的关系曲线；(c)传感器安装在结构混凝土施工过程中，将步骤(a)制作的若干个传感器通过和结 构钢筋绑扎的方式直接埋入不同结构部位的混凝土内部；各传感器之间通过冗余光纤和法 兰接头相互连接，所有传感器埋设完毕后，通过传输光纤将其串联接入电化学工作站并连 入中央控制室，用以监测数据分析和钢筋混凝土锈蚀状态评估。
2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土锈裂监测方法，其特征在于所述的步骤(b)中 若干个传感器沿钢筋长度方向等间距布置。
3.一种实施上述钢筋混凝土锈裂监测方法的传感器，其特征在于包括由混凝土浇筑 的圆柱体试件，置于试件内部的模拟钢筋和不锈钢棒，3道环绕模拟钢筋布置的传感光纤和 1道用于环境参数补偿的传感光纤，钢筋端头和不锈钢端头用导线连出后用环氧树脂封闭。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于所述的模拟钢筋和待测结构内部埋设 的钢筋一致。
5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于圆柱体试件的半径和待测结构的混凝 土保护层厚度大小一致。
6.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于环绕钢筋布置的传感光纤距离混凝土 表面不小于5mm，且每道传感光纤长度大于1. 0m。
7.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于环境参数补偿光纤的直径和环绕模拟 钢筋布置的传感光纤一致。
全文摘要
本发明公开了一种基于分布式光纤传感技术的钢筋混凝土锈裂监测方法，利用传感器内部埋设的钢筋和不锈钢段，由电化学工作站定期检测其极化电流判断钢筋初始锈蚀时间，利用传感器内部铺设的环绕钢筋布置的传感光纤，由分布式光纤传感技术实时监测光纤应变，并推断钢筋混凝土处于锈胀或锈裂阶段，同时由标定曲线判断锈胀或锈裂程度。本发明还公开了实施了上述方法的传感器，通过对腐蚀钢筋极化电流及传感光纤应变监测，可以实现不损伤混凝土结构的前提下，对结构任意部位的钢筋混凝土进行锈裂的全过程监测，准确确定钢筋混凝土锈裂所处阶段及程度，应用于土木工程领域中钢筋混凝土结构的耐久性监测和评估。
文档编号G01B11/02GK102095677SQ20101057159
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者何勇, 毛江鸿, 金伟良 申请人:浙江大学