[发明专利]基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于涉及电化学、光学、力学和传感器监测技术，涉及一种基于光纤传感的钢筋混凝土腐蚀疲劳试验方法及其装置。

背景技术

钢筋混凝土结构的腐蚀疲劳破坏是其在交变应力和腐蚀介质耦合作用下产生疲劳断裂的现象。本发明以钢筋混凝土梁为例进行说明。钢筋混凝土梁的腐蚀疲劳劣化机理可以表述如下：

1、氯离子引起的钢筋混凝土梁劣化。混凝土本身为多孔结构，存在大量的孔隙和微裂缝。混凝土表面的氯离子通过扩散作用，进入到钢筋表面，并在表面积累。一般认为氯离子在混凝土中的扩散呈线性分布，扩散模型符合菲克第二定律。氯离子进入混凝土中，会降低混凝土中的PH值，当PH值降低到一定值以下时，会使钢筋表面的钝化膜处于活化状态。氯离子扩散到钢筋表面并积累到一定的浓度值，引起钢筋局部钝化膜破坏。钝化膜破坏处钢筋暴露形成阳极，未破坏处形成阴极，从而产生腐蚀电池，钢筋开始腐蚀。腐蚀过程为阳极金属铁被氧化形成铁离子，与氢氧根反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁遇到孔隙液中的水和氧气转化为其他形式的铁锈。氯离子在钢筋腐蚀过程中起到了催化剂的作用。随着钢筋腐蚀的进行，钢筋在暴露区会产生点蚀，继而发展成为蚀坑。

2、氯离子和疲劳荷载对钢筋混凝土梁劣化的耦合作用。随着腐蚀产物的不断积累，会对包裹钢筋的混凝土产生膨胀应力，从而引起混凝土保护层的开裂。在腐蚀环境下施加疲劳荷载后，将会加快混凝土裂纹的发展。当保护层开裂到一定的宽度，更多的氯离子进入到钢筋表面，加快钢筋的腐蚀速率，使蚀坑进一步发展。通常认为，钢筋的疲劳裂纹起源于蚀坑。当蚀坑深度达到某一临界值时，蚀坑开始向裂纹转变。蚀坑向裂纹转变阶段的周期与腐蚀环境和疲劳荷载的频率及应力幅有关。

3、疲劳荷载对钢筋混凝土梁劣化的影响。裂纹生成后，在疲劳荷载的作用下，裂纹进一步发展，直到钢筋的裂纹宽度达到临界值，结构达到承载能力极限状态，梁结构失效。

在实际服役过程中，特别对于跨江跨海结构，钢筋混凝土梁通常受到循环荷载与腐蚀介质的耦合作用。钢筋混凝土梁在腐蚀疲劳耦合作用下的性能退化较单一因素(腐蚀或疲劳)作用下的情况更为显著，梁的强度、刚度等结构构件承载能力力学指标有较大的衰减，进而引起结构使用寿命的显著降低。因此，对钢筋混凝土梁开展在腐蚀疲劳耦合作用下的结构性能试验，通过实时记录试验过程中钢筋和混凝土的受力性能、混凝土内部钢筋的腐蚀规律以及混凝土中环境参数的变化情况，对掌握钢筋混凝土梁在腐蚀疲劳耦合作用下的劣化机理，并建立准确的结构性能时变评估理论具有重要的指导意义。

目前，用于监测钢筋混凝土结构腐蚀状况的技术主要包括：

1、钢筋腐蚀电化学监测技术。钢筋腐蚀电化学监测技术是基于电化学腐蚀理论的用于监测钢筋混凝土结构腐蚀状况的常用技术。监测方法主要有开路电位法、交流阻抗谱法和线性极化法等，所测量的电化学参数为半开路电位、交变电流或电压和线性极化阻抗等，通过获得的监测参数进行钢筋腐蚀程度的判断。但是，基于电化学腐蚀监测技术得到的钢筋腐蚀程度的结论多半为定性或半定性的。

2、钢筋腐蚀物理监测技术。钢筋腐蚀物理监测技术主要包括外观检测、X射线照相技术、红外热成像技术、光纤传感器监测技术等。其中光纤传感器监测技术是近来年发展起来的一种新型监测技术。光纤传感器监测系统的组成主要包括宽带光源发射器、光源接收器、光导纤维、信号处理元件和解调仪。光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性能好、可植入性强、耐腐蚀、化学性能稳定、测量范围广、高精度、高分辨率等优点。光纤光栅传感器的监测参数为光栅传感器反射的布拉格波长。当外界温度、应力等物理参数发生改变时，会引起布拉格光栅的光栅周期(栅距)和光纤折射率的变化，从而引起布拉格波长的变化，通过监测波长的变化可以得到钢筋混凝土梁的应变或温度等物理参数的改变量。

随着制作工艺的提高，在一根光纤上可以串联多种试验物理参数光纤光栅传感器，实现了不同试验物理参数的实时同步监测。

目前，对于钢筋混凝土梁的结构性能试验装置通常只能考虑腐蚀或疲劳单一因素的作用，考虑腐蚀疲劳耦合作用的试验装置并不多见。现有的试验装置可大致归纳为：