[实用新型]一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤传感器，特别涉及可对腐蚀环境下钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀进行在线无损定量监测的一种钢筋混凝土腐蚀监测用光纤传感器组合，可应用于土木工程结构的耐久性监测和评估。

背景技术

处于腐蚀环境下的钢筋混凝土结构在使用过程中材料性能往往会逐步劣化，导致整体结构的耐久性不足。目前，混凝土结构耐久性问题已成为当今世界工程界普遍关注的焦点。影响钢筋混凝土结构耐久性的常见因素包括混凝土碳化、钢筋腐蚀、冻融破坏等。其中，钢筋腐蚀是影响耐久性的首要原因，且具有普遍、隐蔽以及后期加速发展、更难维修等特点。钢筋腐蚀监测可实时监测钢筋腐蚀的发生与发展，为尽早分析结构腐蚀破坏因素，及时采取应对措施提供必要条件，是提高结构耐久性的有效措施。

目前，常用的钢筋腐蚀检/监测方法主要有：钻芯取样法、半电池电位法、线性极化法、宏电流法、脉冲电流法等。钻芯取样法能较准确地测量钢筋腐蚀率，但这种方法会破坏结构的完整性。半电池电位法对结构破坏较小，但其只能定性判断钢筋腐蚀状况。其它三种技术与半电池电位法一样，属于电化学测试技术，理论上讲能够定量测量钢筋腐蚀率。然而实际上，由于混凝土介质中引起钢筋腐蚀的因素很多（包括Cl^-浓度、O₂含量、pH值等），而且电化学测试容易受介质条件影响，导致单种电化学测试技术往往很难真实反映钢筋腐蚀状况，必须将多种技术和参数结合综合分析才能合理地判断真实状况。此外，传统的检测方法需要逐点检测，工作量大，而且易受人为因素和自然条件（如风浪、天气等）的影响，耗费人力物力。而且，由于是人工定时采集数据，可能会导致腐蚀监测在时间上的不连续性。

与传统钢筋腐蚀检/监测方法相比，钢筋腐蚀光纤传感器不仅具有抗干扰能力强、体积小、精度高、耐腐蚀、耐久性好等优点，而且可方便快捷的现已成为国内外钢筋腐蚀监测技术研究的新热点。下面对钢筋腐蚀光纤传感器的研究进展作简要介绍：

目前，国内外开发的钢筋腐蚀光纤传感器基于的原理大致包括：“腐蚀保险丝”、铁锈颜色检测、弹簧锈蚀、腐蚀敏感膜、钢筋腐蚀膨胀等。

1995年，Bennett等人提出一种基于“腐蚀保险丝”（钢丝）的光纤传感器，其原理是将光纤弯曲后用钢丝绑扎，当钢丝锈断后，由于光纤的微弯效应，光纤信号会发生突变，从而判断钢丝腐蚀。该传感器结构简单，但只能定性判断腐蚀发生与否，无法监测腐蚀过程，且传感器未封装很难满足工程应用要求。

1995年，Fuhr等人提出一种基于铁锈颜色检测的光纤传感器，其原理是通过腐蚀过程中钢筋颜色的变化确定腐蚀程度。该传感器信噪比较小，准确度差，而且同样属于定性分析，无法定量监测腐蚀过程。

2005年，阳莎等人提出一种基于弹簧锈蚀的光纤传感器，其原理利用弹簧锈蚀后弹性系数改变所导致的光纤光栅中心波长漂移来反映钢筋的锈蚀程度。该传感器可监测钢丝的腐蚀程度，但弹簧与支架之间的摩擦力导致波长变化不平滑，而且其定量关系的标定比较复杂。

基于腐蚀敏感膜的光纤传感器是目前研究比较多的传感器类型，主要研究单位有重庆大学、天津大学、中国矿业大学、厦门大学、香港科技大学、美国德州大学等。其原理是通过将Fe-C合金膜局部取代光纤介质包层，构成腐蚀敏感膜，从而获取钢筋腐蚀信息。这种传感器灵敏度高，可灵敏的分辨腐蚀的反生与否。但还存在下述问题：腐蚀敏感膜制作工艺复杂；目前只能定性判断腐蚀发生与否；腐蚀敏感膜有成块掉落的风险，且腐蚀敏感膜厚度往往不均匀；传感器比较脆弱，无法满足混凝土结构的粗方式施工要求。

基于钢筋腐蚀膨胀的光纤传感器是近年来研究最多的传感器类型。其原理是通过监测钢筋腐蚀过程中体积变化引起的光信号改变来判断腐蚀程度。下面介绍几种基于该原理的传感器。

中国实用新型专利101008620B公开了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法。该方法所用传感器直接应变光纤光栅粘贴于两根靠紧固定的钢筋顶面，并放置一根自由状态的光纤光栅用于温度补偿。其工作原理是利用两根钢筋腐蚀膨胀所产生推力引起的光栅波长变化来获得钢筋腐蚀程度和腐蚀速率等信息。该传感器光纤贴于表面不利于光纤保护，而且易导致粘贴点失效。此外，钢筋上下表面易发生不均匀腐蚀，使得传感器传递的信息不准确。