光纤光栅传感技术监测混凝土冻融残余应变

孔祥龙，廖开星，徐 超，吕海锋，赵雪峰

(1.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004；2.大连理工大学，辽宁大连 116024)

0 引言

抗冻性是混凝土耐久性的重要指标之一，影响着我国寒冷地区混凝土结构的使用寿命[1-2]。随着我国严寒地区基础设施的建设，提出一种能够实时、自动进行数据采集的监测手段用以监测混凝土冻融损伤也越来越迫切。

目前用于评价混凝土冻融损伤的指标主要有质量损失和动弹性模量损失[3-5]。但这两个指标工作量大，人为因素影响大，且不能够实现自动实时的数据采集。混凝土作为一种多孔材料，其内部孔隙水在低温作用下会凝结成冰且体积膨胀，这一过程将在混凝土基体内产生膨胀应力，从而引起混凝土基体的变形[6]。光纤传感技术具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰强、电绝缘性好，能够满足混凝土耐久性长期监测这一要求[7]。在此背景下，提出了一种基于FBG传感技术监测混凝土冻融残余变形的手段，通过试验研究，验证了该监测手段的可行性，分析了混凝土因冻融产生的残余应变行为。在冻融循环作用下，混凝土基体产生不可恢复的残余应变，且随着冻融循环次数的增加而增大。

1 光纤光栅传感原理

光纤光栅本身是一段经过特殊技术处理的光纤。其中有一部分结构(光栅)的折射率呈周期性变化。光纤布拉格光栅的结构、折射率分布以及反射、投射特性如图1(a)所示[8]。

由于周期性的折射率变化仅会对很窄的小段光谱产生影响，因此，当宽谱光源发出的光在光纤中传播时，特定波长的光将被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了光波选择的作用，如图1(b)所示。

(a)

(b)图1 光纤布拉格光栅的结构、通光性示意图

研究光栅传感的基础是光纤布拉格光栅的中心波长与有效折射率之间的数学关系。通过监测反射光的波长，就可以获得被感知量变化的情况。得到布拉格光栅反射波长的基本表达式为

λB=2nΛ

(1)

式中：λB为光纤光栅的中心波长，nm；Λ为光纤光栅的周期；n为光纤纤芯的有效折射率。

当外界参量(如应力、温度等)发生变化时，光纤光栅的谐振波长漂移，漂移量为

(2)

式中：pe为有效弹光系数，pe=0.26；α为光纤线性热膨胀系数，α=0.55×10-6/℃；ξ为光纤的热光系数，ξ=8.3×10-6/℃；ΔT为温度改变量；ε为光纤的轴向应变。

2 传感器设计与制作

传感器具体制作过程如下：

(1)以钻心方式取得直径为4 cm、高为5 cm的C30混凝土圆柱，将圆柱浸水3 d，在饱和水的状态下，将光纤光栅紧密缠绕在混凝土圆柱体表面，加以固定和保护；

(2)迅速将缠绕FBG的混凝土圆柱体放入直径为6 cm，高为12 cm的圆柱体模具中，浇筑环氧树脂胶进行保护。该试件在常温下养护3 d成型。

传感器的结构示意图如图2所示，浇筑成型后的试件实物图如图3所示。

图2 环氧树脂FBG传感器的结构示意图

3 冻融监测试验

本试验所需的主要实验设备及材料有:光纤光栅解调仪、温度试验机、恒温水箱等。FBG混凝土冻融循环实验监测系统如图4所示。

图4 FBG混凝土冻融循环实验监测系统

试验的具体过程如下：

(1)将试件和一个FBG温度传感器一起放入温度试验机中，调节温度试验机温度为30 ℃，放置4 h后，用FBG解调仪读取并记录试件波长，将该波长数据作为初始值；

(2)将温度试验机降温至-20 ℃，并保持恒温，降温冷冻时间约5 h；

(3)冷冻结束后，将温度试验机升温至30 ℃，并保持恒温4 h，融化结束，认为一次冻融循环结束。此时在30 ℃的温度环境下，再用FBG解调仪读取并记录试件波长。

数据采集结束后，进入下一冻融循环。前后两次循环试件的波长之差，再经过换算之后，可视为该次冻融循环过程中，混凝土圆柱体产生的残余应变。

4 试验结果及分析

由于环氧树脂试件数量较多，故对其进行编号，分别为1、2、3、4。在环氧树脂试件的冻融循环监测试验中，采集间隔时间为10 s，单次冻融循环采集时间约为9 h。

图5为环氧树脂试件1第8次冻融循环的监测情况。由图5可以看出温度试验机经过大约5 h，由30 ℃降温至-20 ℃期间，波长逐渐降低。之后，温度试验机开始升温，波长曲线骤然升高，达到30 ℃后，停止上升，曲线平缓，波长逐渐趋于恒定值。升温融化过程约为4 h。至此，环氧树脂试件1的第8次冻融循环结束。

同样地，我们可以通过试件前后两次冻融循环的波长之差得出该试件在该次冻融循环中产生的残余应变。以环氧树脂试件1第8次冻融循环为例，由图5可以看到，FBG传感器的初始波长为0.44 nm，经过第8次冻融循环后，波长为0.79 nm。通过换算后可以得出，环氧树脂试件1第8次冻融循环产生的残余应变为25 με。

图5 环氧树脂试件1第8次冻融循环监测情况

图6和图7分别为了环氧树脂试件1-4在每个冻融循环后的残余应变。4个试件在前4次冻融循环中，残余应变均有不同程度的降低，这主要是因为水分在混凝土基体内重新进行分布。试件1和试件3分别在经过16次和7次冻融循环后，残余应变开始大于0，并继续不断增长。其中试件3截至第13次冻融循环后，残余应变已经达到330个微应变。试件2和试件4，残余应变一直小于零，但呈现上升趋势。其中试件2上升趋势比较明显，而试件4则相对较为平缓。

图6 环氧树脂试件1、2的残余应变与冻融循环次数关系

4个试件在相同的冻融循环环境下，残余应变变化随冻融循环次数的增加而增大，这说明FBG传感器能监测混凝土的冻融循环过程及残余应变。但根据检测结果显示，4个试件残余应变的变化值却有所偏差。这是由于混凝土圆柱的不均匀性造成的。试件内的光纤光栅仅能缠绕混凝土圆柱4～5圈，其缠绕宽度相对于混凝土圆柱的高度而言，还是比较小的，在加上混凝土圆柱的不均匀性，导致每个传感器的测量结果有所偏差。这一问题将在接下来的工作进行进一步的研究。

图7 环氧树脂试件3、4的残余应变与冻融循环次数关系

5 结论

本文基于光纤光栅传感技术，开发了可用于监测混凝土冻融过程及残余变形的光纤光栅传感器。自主搭建了FBG监测混凝土冻融循环的实验系统，对所开发的传感器监测混凝土残余变形的性能进行了试验研究。

试验结果表明：采用光纤光栅传感技术能够有效监测混凝土冻融循环过程及残余变形，且混凝土残余应变随冻融循环次数的增加而增大。通过开发本文搭建的混凝土冻融循环监测系统，可以实现对混凝土构件冻融循环过程及残余变形的实时、定量、远距离的监测。