專利名稱：用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)工程中鋼筋腐蝕的早期監(jiān)測方法，尤其涉及一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法。屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1978年加拿大通信研究中心K. 0. Hill制作出了世界上第一根光纖布拉格光柵。 1989年，美國聯(lián)合技術(shù)研究中心G. Meltz等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。之后，日本、美國、德國等許多國家的研究人員先后對光纖傳感系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，迄今為止，光纖光柵被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)方面。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵傳感器具有更多優(yōu)勢體積小、重量輕、電絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、頻帶寬、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多通道的遙測與控制等，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，克服目前常規(guī)檢測方法只能對鋼筋混凝土中鋼筋進(jìn)行定期檢測的不足。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在土建工程中主要的結(jié)構(gòu)體系，它最主要的破壞原因之一就是鋼筋的腐蝕，而鋼筋腐蝕大部分都是由于鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞。鋼筋腐蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性有很大影響，同時(shí)也會(huì)使維護(hù)費(fèi)用增加，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌。所以，由鋼筋腐蝕引起結(jié)構(gòu)的過早破壞，已經(jīng)成為世界各國普遍關(guān)注的一大災(zāi)害。如果能夠?qū)︿摻畹母g情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)缺陷后及時(shí)采取措施補(bǔ)救，這樣就會(huì)增加結(jié)構(gòu)的使用年限并且減少事故的發(fā)生。在已有監(jiān)測鋼筋早期腐蝕的眾多方法中，都僅僅考慮鋼筋腐蝕狀況的監(jiān)測，而往往忽略傳感器在監(jiān)測過程中容易發(fā)生腐蝕損壞這一現(xiàn)象。如現(xiàn)有技術(shù)之一的利用鋼筋銹蝕體積膨脹來監(jiān)測鋼筋銹蝕，如圖2將裸光纖光柵6拉伸后緊緊地繞在鋼筋4上，并用膠粘貼住起始點(diǎn)5和終止點(diǎn)7 ；在粘貼過程中始終保持對裸光纖光柵6的拉伸，這樣給裸光纖光柵預(yù)先施加了一個(gè)應(yīng)力。當(dāng)鋼筋受到腐蝕后，鋼筋的直徑會(huì)減小，相應(yīng)裸光纖光柵受到的拉伸應(yīng)變就會(huì)減小，直到應(yīng)力被完全釋放，傳感器失效，相應(yīng)光纖光柵受到的拉伸應(yīng)變就會(huì)減小，能比較直接地反映銹蝕過程。但由于裸光纖光柵纏繞粘貼在鋼筋上，裸光纖光柵長期處于彎曲狀態(tài)，壽命縮短，不適合鋼筋銹蝕的長期監(jiān)測，并且裸光纖光柵無法勝任土木工程的粗放式施工，實(shí)用性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對上述問題提出來的，其目的是提供一種不僅可以監(jiān)測鋼筋的早期腐蝕，而且在監(jiān)測過程中對光纖光柵傳感器能夠起到較好的保護(hù)作用，延長傳感器的使用壽命，使其成為耐腐蝕傳感器，繼續(xù)監(jiān)測鋼筋應(yīng)變變化，用以防止建筑結(jié)構(gòu)由于鋼筋腐蝕而突然破壞的實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是
用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法，包括采用鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器及銹轉(zhuǎn)化涂料，包括以下步驟
(a)、先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為0°C 40°C，空氣相對濕度小于等于80%范圍；
(b )、使用打磨機(jī)對選用鋼筋表面進(jìn)行打磨，使其表面平整光滑，待用； (C)、將步驟(a)所得的鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，用膠粘貼在步驟(b)待用鋼筋的打磨處；
(d)、用光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測波長漂移量，同時(shí)，布設(shè)一根鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器，用來監(jiān)測溫度的變化，完成溫度補(bǔ)償工作。(d)、用光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測波長漂移量，同時(shí)，布設(shè)一根鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器，用來監(jiān)測溫度的變化，完成溫度補(bǔ)償工作。步驟(b)所述的鋼筋再用砂紙進(jìn)一步打磨，使鋼筋表面更加平整光滑。步驟(b)所述的鋼筋用脫脂棉球蘸無水酒精將打磨處擦洗干凈，以防打磨的碎屑污染物質(zhì)的影響。所述的步驟(C)需在鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器的兩端設(shè)涂膠區(qū)，保證鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器與鋼筋緊密接觸。步驟(a)所述的涂裝環(huán)境控制在溫度為5°C 40°C。為了證明本方法的優(yōu)良效果，與現(xiàn)有技術(shù)的方法進(jìn)行比較試驗(yàn)，兩種方法采用相同的常溫常壓的自然條件下進(jìn)行，具體過程包括
(1)按照鋼筋銹蝕體積膨脹來監(jiān)測鋼筋銹蝕的方法選取五根裸光纖光柵直接作為傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。由于裸光纖光柵非常纖細(xì)，它的外徑約為125 μ m，主要成分是SiO2,特別脆弱，尤其是它的抗剪能力很差，無外界保護(hù)時(shí)，特別容易脆斷，所以在安裝過程中，其中三根遭到破壞，無法繼續(xù)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。而本發(fā)明的方法，采用由大連理工大學(xué)抗震研究所研發(fā)的鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，使安裝變的很容易，不用擔(dān)心傳感器在這一過程中就會(huì)被損壞，成活率可達(dá)99%。(2)余下的兩根裸光纖光柵安裝成功，即將裸光纖光柵拉伸后緊緊地繞在鋼筋上， 并用502膠粘貼起始點(diǎn)和終止點(diǎn)；在粘貼過程中始終保持對裸光纖光柵的拉伸，這樣給裸光纖光柵預(yù)先施加了一個(gè)應(yīng)力。當(dāng)鋼筋受到腐蝕后，直徑會(huì)減小，相應(yīng)裸光纖光柵受到的拉伸應(yīng)變就會(huì)減小，直到應(yīng)力被完全釋放，傳感器失效。采用高精度電子秤稱量腐蝕前后鋼筋質(zhì)量，得到鋼筋的實(shí)際腐蝕率。按本發(fā)明的方法安裝后也用高精度電子秤稱量鋼筋腐蝕前后的質(zhì)量，得到鋼筋的實(shí)際腐蝕率。在自然條件下鋼筋腐蝕，用光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測波長漂移量，再通過觀察鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器和裸光纖光柵的波長漂移值，就可以間接得到鋼筋的腐蝕率與應(yīng)變之間的變化情況，在相同環(huán)境下，布設(shè)一根由大連理工大學(xué)抗震研究所研發(fā)的鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器，用來監(jiān)測溫度的變化，完成溫度補(bǔ)償工作，從而完成腐蝕程度的監(jiān)測。經(jīng)過比較可以看出，在自然腐蝕的較長過程，截止到作為傳感器的裸光纖光柵其中一根裸光纖光柵受外界影響較大，信號(hào)逐漸消失；而另一根裸光纖光柵的信號(hào)較弱，很難分析鋼筋的腐蝕情況時(shí)，監(jiān)測到采用本發(fā)明方法的鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器完好無損。因此，將裸光纖光柵直接作為傳感器應(yīng)用到實(shí)際工程中，將無法勝任土木工程中澆注等粗放式施工以及惡劣的服役環(huán)境，更不用提及對鋼筋進(jìn)行長期的監(jiān)測。而本發(fā)明的方法，能夠應(yīng)用于土木工程的施工環(huán)境，不僅可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)中鋼筋的早期腐蝕，還會(huì)在監(jiān)測過程中使其成為耐腐蝕傳感器，繼續(xù)監(jiān)測鋼筋應(yīng)變變化，并且使得傳感器的使用壽命延長，更適合鋼筋腐蝕情況的監(jiān)測。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)效果
本發(fā)明的方法操作簡單、安裝方便，對建筑結(jié)構(gòu)無損壞，不僅達(dá)到對鋼筋早期腐蝕進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，更利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷部位。此外，待腐蝕后的產(chǎn)物與銹轉(zhuǎn)化涂料完全反應(yīng)后，生成的混合物質(zhì)還可以對傳感器起到保護(hù)作用，使傳感器在監(jiān)測過程中成為耐腐蝕光纖光柵傳感器，延長傳感器的使用壽命，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，極大限度的解決了結(jié)構(gòu)工程中鋼筋腐蝕的監(jiān)測問題。


圖1 為按本發(fā)明方法安裝的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2 為按現(xiàn)有技術(shù)方法安裝的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.尾纖，2.鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，3.涂膠區(qū)，4.鋼筋，5.起始點(diǎn)，6.裸光纖光柵，7.終止點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受具體的實(shí)施例所限制，以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。另外，以不違背本發(fā)明技術(shù)方案的前提下，對本發(fā)明所作的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易實(shí)現(xiàn)的任何改動(dòng)或改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。下述實(shí)施例采用了大連理工大學(xué)抗震研究所研發(fā)生產(chǎn)的鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，深圳市惠特普科技公司研發(fā)生產(chǎn)的TF銹轉(zhuǎn)化涂料。實(shí)施例1
如圖1所示，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法，包括以下步驟
(a)、先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器2表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為25°C，空氣相對濕度為80%范圍；
(b)、為了保證鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器2與鋼筋4表面能夠充分接觸，避免應(yīng)變傳遞導(dǎo)致的測量誤差，首先使用打磨機(jī)對鋼筋4表面進(jìn)行打磨，然后用砂紙進(jìn)一步打磨， 使鋼筋4表面更平整光滑，為了防止打磨的碎屑等污染物質(zhì)的影響，用脫脂棉球蘸取無水酒精將打磨處擦洗干凈，待用；
(C)、將步驟(a)所得的鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感2兩端涂膠區(qū)3處，用502膠將其粘貼在步驟(b)待用鋼筋4打磨處的，要能保證鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器2其它部位與鋼筋4緊密接觸，避免鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器問題對結(jié)果產(chǎn)生影響，粘貼完之后用高精度電子秤稱其質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)；
(d)、用光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測波長漂移量，同時(shí)，布設(shè)一根鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器，用來監(jiān)測溫度的變化，完成溫度補(bǔ)償工作。實(shí)施例2
(a)、先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器2表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為5°C，空氣相對濕度為60%范圍；其它同實(shí)施例1，不再贅述。實(shí)施例3
(a)、先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器2表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為40°C，空氣相對濕度為20%范圍；其它同實(shí)施例1，不再贅述。實(shí)施例4
(a)、先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器2表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為0°C，空氣相對濕度為45%范圍；其它同實(shí)施例1，不再贅述。實(shí)施例5
(a)、先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器2表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為30°C，空氣相對濕度為50%范圍；其它同實(shí)施例1，不再贅述。本發(fā)明的工作原理
1、光纖光柵傳感原理光纖光柵的中心波長與有效折射率的數(shù)學(xué)關(guān)系是研究光柵傳感的基礎(chǔ)。光柵反射波長的基本表達(dá)式為
AB=2neff. A(1)
其中，《m是光纖芯區(qū)的有效折射率；Λ為光纖周期。從公式(1)中可以看出，光纖光柵波長的變化由光纖光柵的有效折射率和光纖周期決定，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光纖光柵的波長漂移。在所有引起光纖光柵波長漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變(或應(yīng)力)和溫度參量。當(dāng)光纖光柵受到外界應(yīng)變(或應(yīng)力)，無論是對光纖光柵拉伸還是擠壓，都勢必導(dǎo)致光纖光柵周期Λ的變化。2、溫度補(bǔ)償原理由于光纖光柵同時(shí)對溫度和應(yīng)變敏感，當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，僅測量單個(gè)光纖光柵的波長變化量，將無法區(qū)分由溫度和應(yīng)變分別引起的波長變化，因此，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，用光纖光柵做應(yīng)變傳感必須考慮如何去掉溫度的影響，否則， 會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓绊憫?yīng)變測量的精度，尤其在結(jié)構(gòu)健康長期監(jiān)測中，可以說沒有考慮溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)變長期監(jiān)測是沒有意義的。在同一溫度場中可以同時(shí)布置兩根光纖光柵傳感器，其一為光纖光柵應(yīng)變傳感器，用于測量被測物的應(yīng)變，它同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響；另一個(gè)為光纖光柵溫度傳感器，布設(shè)在與被測物材料一致且不受力的構(gòu)件上，用于測量被測物溫度，它只受溫度影響，這樣就保證了兩根光纖光柵發(fā)生相同的溫度效應(yīng)。假定溫度與應(yīng)變對光纖光柵中心波長的影響相互獨(dú)立并且是嚴(yán)格線性的，溫度與應(yīng)變共同產(chǎn)生的波長變化可用下式表示
L 入 Β=α ε . ε +α τ.ΔΤ(2)
式中，ct ε為光纖光柵應(yīng)變的靈敏度系數(shù)；α,為光纖光柵溫度的靈敏度系數(shù)；△ Γ為溫度變化量^為應(yīng)變。從式(2)中可以看出，應(yīng)變和溫度對波長的作用可以當(dāng)作是獨(dú)立、線性疊加的。由于光纖光柵應(yīng)變傳感器和溫度傳感器處于同一個(gè)溫度場中，兩者發(fā)生相同的溫度效應(yīng)，對于應(yīng)變傳感器，消除掉溫度變化引起的波長漂移，就可以得到應(yīng)變單獨(dú)引起的波長漂移。在同一溫度場中，可使用一個(gè)光纖光柵溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償。因此，在監(jiān)測過程中，還需放置一根處于自由狀態(tài)的光纖光柵，以測得由現(xiàn)場溫度變化引起的波長漂移，扣除此漂移量才是由鋼筋腐蝕引起的波長變化值。3、鋼筋早期腐蝕過程的測量在構(gòu)件的使用早期，定期檢測光譜儀的波長變化，并做好記錄。當(dāng)鋼筋未受到侵蝕介質(zhì)的影響，腐蝕尚未發(fā)生時(shí)，波長沒有變化；一旦在自然條件下鋼筋發(fā)生腐蝕，涂料中的合成物質(zhì)能滲入到疏松的銹蝕層間，與鐵銹起化學(xué)反應(yīng)，使有害的鐵銹轉(zhuǎn)化為無害的具有一定保護(hù)作用的絡(luò)合物或螯合物，附著在鋼筋表面，這種物質(zhì)存在一定的厚度，會(huì)對與鋼筋緊密接觸的應(yīng)變傳感器產(chǎn)生一定的擠壓力，使傳感器的波長產(chǎn)生漂移。波長的漂移量越大，說明生成的保護(hù)物質(zhì)越厚、鐵銹量越大，間接的說明了鋼筋腐蝕程度越大，以此判斷鋼筋的腐蝕情況。
權(quán)利要求
1.用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法，其特征在于包括以下步驟(a)、先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為0°C 40°C，空氣相對濕度小于等于80%范圍；(b )、使用打磨機(jī)對選用鋼筋表面進(jìn)行打磨，使其表面平整光滑，待用；(C)、將步驟(a)所得的鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，用膠粘貼在步驟(b)待用鋼筋的打磨處；(d)、用光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測波長漂移量，同時(shí)，至少布設(shè)一根鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器，用來監(jiān)測溫度的變化，完成溫度補(bǔ)償工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法，其特征在于步驟(b)所述的鋼筋再用砂紙進(jìn)一步打磨，使鋼筋表面更加平整光滑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法，其特征在于步驟(b)所述的鋼筋用脫脂棉球蘸無水酒精將打磨處擦洗干凈，以防打磨的碎屑污染物質(zhì)的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法，其特征在于所述的步驟(c) 需在鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器的兩端設(shè)涂膠區(qū)，保證鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器與鋼筋緊密接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法，其特征在于步驟(a)所述的涂裝環(huán)境控制在溫度為5°C 40°C。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼筋腐蝕的方法。包括以下步驟(a)先將鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器表面涂一層銹轉(zhuǎn)化涂料，涂裝環(huán)境控制在溫度為0℃~40℃，空氣相對濕度小于等于80%范圍；(b)使用打磨機(jī)對選用鋼筋表面進(jìn)行打磨，使其表面平整光滑，待用；(c)將步驟(a)所得的鋼管封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器，用膠粘貼在步驟(b)待用鋼筋的打磨處；(d)用光纖光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測波長漂移量，同時(shí)，布設(shè)一根鋼管封裝的光纖光柵溫度傳感器，用來監(jiān)測溫度的變化，完成溫度補(bǔ)償工作。本發(fā)明不僅可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)中鋼筋的早期腐蝕，而且在監(jiān)測過程中對光纖光柵傳感器能夠起到較好的保護(hù)作用，可實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01N21/88GK102445452SQ20111029855
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者孫麗, 孫茜茜 申請人:沈陽建筑大學(xué)