[发明专利]一种钢筋混凝土锈裂监测方法及传感器

说明书

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匀锈蚀的特点，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：