分布式传感技术在高强筋活性粉末混凝土裂缝监测中的应用研究

冯其瑞，王彦鹏，王怀锋

(中海油安全技术服务有限公司，天津300450)

在基建工程中，普通混凝土的强度、耐久性等性能已经无法满足工程建设需求，活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)在强度、韧性、耐久性、抗压、抗折等方面性能优异，且拥有广阔的应用前景[1]。

2009年美国基础设施调研报告指出，影响桥梁安全指标和使用寿命的主要因素是混凝土开裂所带来的裂缝问题[2]。引发混凝土开裂的原因多种多样，主要分为材料固有属性和外界因素[3]。在制备、生产、施工、应用一系列过程中均存在潜在因素造成混凝土开裂。因此，为保证基建设施正常安全运营，监测混凝土裂缝是十分必要的。

分布式光纤传感技术采用同一根光纤测量并传输，经济成本低。同时，与传统点式传感器[4]相比，分布式光纤传感技术可实现时间连续和空间连续实时监测，有效解决裂缝时空随机产生的问题。不仅如此，在抗电磁、抗腐蚀、防水、耐久性、响应速度、灵敏度、传输频带、稳定性等方面，分布式光纤传感技术亦表现不俗[5]。因此，分布式传感技术由于其性能优异被引入结构健康监测领域[6]。詹浩东等[7]基于BOTDR原理采用分布式光纤监测栈桥的应力、应变情况。何斌等[8]采用分布式光纤进行混凝土面板挠度监测。杨杰等[9]设计了一种用于监测混凝土裂缝的光纤传感器，通过光损耗值判断裂缝情况。毛江鸿等[10]将分布式光纤布设在钢筋混凝土梁表面，采用最小空间分辨率为0.5 m的BOTDA监测混凝土梁裂缝开展情况。叶宇霄等[11]考虑了光线角度变化对混凝土裂缝监测的影响，在普通钢筋混凝土梁的侧表面布设分布式光纤监测裂缝发展。

上述文献未在混凝土梁体内部布设分布式光纤且空间分辨率还有提高的空间。因此，本文将分布式光纤布设在混凝土梁的表面和内部，同时监测梁体表面和内部的应变变化。又因文献[1]指出活性混凝土若与HRB500级钢筋配合使用良好将会成为性能更高的材料，因此本文采用高强筋(HRB500级钢筋)活性混凝土梁作为试验对象。号的频移变化值就可获得沿光纤分布的温度及应变信息，实现分布式光纤传感。

1 分布式传感技术

基于受激布里渊散射的光时域分析技术(BOTDA)，原理如图1(a)所示，泵浦光光源发出的光经脉冲调制器调制成光脉冲，再经耦合器进入传感光纤一端，探测光光源发出连续光进入传感光纤另一端。当探测光和泵浦光的频差与光纤中某个区域的布里渊频移相同时，该区域就会发生布里渊放大效应，两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与外界应变、温度存在线性关系，因此，当对探测光光源的频率进行连续调节时，通过检测从光纤一端耦合出来的探测光的光功率，就可以确定光纤上各段区域能量转移达到最大值时所对应的频率差，从而可以计算得到外界温度或应变的信息[12]。

图1 BOTDA原理图及系数标定

研究表明，光纤中的布里渊频移量Δv B与温度和应变的变化呈线性关系[12]:

式中:Δv B为布里渊频移量；ΔC vT为温度系数；C vε为应变系数；ΔT为温度变化量；Δε为应变变化量。

式中:应变系数和温度系数可通过标定试验得到，如图1(b)、图1(c)所示，两个系数分别为0.046 MHz/με和0.925 MHz/℃，因此通过探测布里渊信

所以测量得到的布里渊频移量包含了温度和应变两部分变化量，而光纤分布式应变监测系统只需了解结构的应变情况，所以有必要进行应变、温度的隔离，分离其中的温度因素影响，得到其中的应变信息。

2 分布式光纤监测裂缝可行性试验研究

2.1 试验概况

为考察分布式光纤传感技术在裂缝识别与定位的监测效果，本文设计并进行了分布式光纤裂缝监测试验，并研究了相同裂缝宽度下不同空间分辨率测量所得的应变量与裂缝宽度的定量关系。空间分辨率是沿光纤长度分布对应变进行准确测量所需的最小光纤分布长度。

2.2 试验平台设计

裂缝监测试验平台如图2、图3所示，该平台由2块300 mm×300 mm×3 mm铝板组成，通过螺旋测微计顶推调整裂缝宽度，裂缝控制精度为0.01 mm。将0.9 mm直径的紧包传感光纤粘贴固定在铝板上，然后引线熔接跳线头接入解调设备，再将裂缝间距控制器通过螺钉固定在钢板上，旋转两个间距控制器上螺钉的位置，即可调节两块铝板的间距(裂缝宽度)，同步测量光纤的应变。

图2 裂缝监测试验平台设计图

图3 裂缝监测试验平台实物图

2.3 试验过程

2.3.1 裂缝识别与定位

首先测量初始应变并记录，然后使用裂缝间距控制器使裂缝增加一个任意宽度，采用分布式光纤测量裂缝宽度增加之后的光纤应变量并记录，对比裂缝宽度增加前后的数据，得到图4。

图4 裂缝位置点应变变化

从图4中可知，应变突变位置距起点距离为25.051 m，同时用卷尺测量裂缝距起点距离为25.15 m，表明分布式光纤监测到裂缝宽度产生变化处的应变会发生突变，进而可以识别裂缝的产生和发展，并定位裂缝产生变化的所在位置，说明分布式光纤监测具备识别与定位裂缝的功能。

2.3.2 裂缝宽度与应变的定量关系分别设置空间分辨率为5 cm、10 cm、20 cm、50 cm共4组工况，每组工况下先测量初始应变，再使用裂缝控制器逐级增大裂缝宽度，且每级增加0.01 m，共六级。获得不同空间分辨率情况下的分布式光纤应变变化情况，如图5~图8。

2.4 试验结论

从图5~图8可得，对于同一裂缝，不同空间分辨率测得的应变量大小不一，变化情况也不一致。将每组工况下，每级裂缝宽度与其对应的应变最大值绘成曲线，如图9所示。

图5 5 cm空间分辨率裂缝应变变化

图6 10 cm空间分辨率裂缝应变变化

图7 20 cm空间分辨率裂缝应变变化

图8 50 cm空间分辨率裂缝应变变化

图9 不同空间分辨率裂缝应变变化

由图9可知，测试相同裂缝宽度情况下，空间分辨率越小，得到的应变量越大。但当所测裂缝宽度接近或大于空间分辨率(5 cm)时，由于已超空间分辨率量程，因此采集信号失真，会产生畸变，因此选用10 cm空间分辨率进行混凝土裂缝监测。

在10 cm空间分辨率情况下，从图9中曲线可得裂缝与应变的定量系数为:6 042με/mm。NBX－7000分析仪10 cm空间分辨率下应变测量精度为7.5με，表明裂缝测量精度最小可达1.24×10－3mm，说明分布式光纤裂缝监测具有极高的裂缝测试精度，满足实际要求。

3 高强筋活性粉末混凝土梁抗弯开裂试验

采用分布式光纤传感技术监测高强筋活性粉末混凝土梁在弯矩作用下的开裂情况，给出混凝土梁内部和表面的应变分布。

3.1 试验前期准备

3.1.1 试验材料

参考文献[1]中的材料，试验采用高强筋活性粉末混凝土梁，长2 000 mm×宽120 mm×高250 mm，纵筋为HRB500钢筋，抗压强度为20 MPa，弹性模量为4.52×104MPa。成分配合比为42.5级普通硅酸盐水泥水泥∶微硅粉∶石英砂(粒径0.16 mm~1.25 mm)∶高效减水剂∶钢纤维∶水＝1∶0.18∶1.17∶0.02∶0.13∶0.19。

3.1.2 试验设备

本文采用Neubrex公司混合测量高分辨率应变、温度分析仪NBX－7000(图10)。NBX－7000根据PPP-BOTDA和结合了TW-COTDR的瑞利散射光的独创混合测量技术，使一根光纤不需要温度补偿就可以分离温度测试和应变测试。

图10 NBX－7000应变分析仪

除此之外，试验所用的传感光缆、单模光纤熔接机如图11所示。

图11 试验设备

3.2 试验方案

3.2.1 工况设计

采用仅配筋率不同，原材料及配合比、制作养护条件都相同的高强筋活性粉末混凝土梁作为试验对象。表2为混凝土配筋表。

表2 高强筋活性粉末混凝土配筋表

3.2.2 加载方案

试验加载方案以《混凝土结构试验方法标准》(GB/T50152－2012)为依据，采用千斤顶分级加载，加载示意图如图12所示。

图12 加载示意图(单位:mm)

3.2.3 传感器布设方案

在梁体内部和表面分别布设分布式光纤，并熔接成回路，形成一根分布式光纤同时监测梁体内部和表面的应变变化情况，如图13所示。

3.3 试验内容

3.3.1 布设传感器

埋入式光缆在预制钢筋笼(图14)时提前将分布式光缆沿钢筋笼主筋内侧用扎带绑扎固定，一端接入分析仪，另外一端将光缆引出，在预制梁完成后将光缆粘贴在预制梁表面的下部，最后接入分析仪，形成回路，如图13所示。图15中U型光缆为传输光缆，不作为传感使用。

图13 分布式光纤布设示意图

图14 预制钢筋笼

图15 布设分布式光纤传感器

3.3.1 试验过程

为检验支座平稳程度以及仪表和加载设备是否处于正常状态，试验开始前进行预加载，结果显示试验设备状态良好。

试验现场如图16所示，将完成分布式光纤传感器布设的高强筋活性粉末混凝土梁放置于试验平台上，按照图12进行分级加载，随荷载增大，混凝土梁会出现裂缝，直到断裂，如图17所示。

图17 断梁效果图

3.4 试验结果及分析

3.4.1 B1工况

从图18可看到，10.2 m~12.2 m、13.3 m~15.3 m、18.3 m~20.3 m三个距离范围监测到RPC的应变随着荷载逐级增加而变化，符合RPC梁长2 m的尺寸。在11 m、14.4 m、19.4 m三处出现峰值(其中11 m处为梁体表面，14.4 m和19.4 m处为梁体内部)，说明梁跨中产生裂缝。取这三个位置点的应变变化情况如图19所示。抗弯开裂试验中，梁体下部受拉，应变增大，变化方向为由表入内。因此梁体下部表面11 m处从14级荷载开始因为受拉应变突然增大，从21级荷载开始由于表面开裂过大，超过空间分辨率(10 cm)量程，采集信号失真，应变突降。而梁体内部14.4 m处和19.4 m处在15级载荷之前，没有裂缝产生，应变缓慢增加；而在16~21级载荷之间，慢慢产生裂缝，但应变都是均匀增加，应变最高可达2 200με。在21级载荷之后，应变突然增大，说明此时目标梁的裂缝已经迅速增大，达到23级载荷时RPC梁已经发生断裂。

图18 B1工况逐级载荷下RPC应变分布图

图19 B1工况逐级载荷下11 m、14.4 m和19.4 m处应变分布图

3.4.2 B2工况

此工况没有在表面粘贴分布式光缆，两段应变载荷分布均为埋入式光缆。图20可看到，随着荷载逐级增加，3.5 m~5.5 m、7.4 m~9.4 m两段距离范围内的应变随之变化，符合RPC梁长2 m的尺寸，并在4.5 m、8.6 m处分别出现了峰值，说明梁跨中产生裂缝。取这2个位置点的应变变化情况如图21所示，在13级载荷之前，没有裂缝产生，应变缓慢增加；而在13~29级载荷之间，慢慢产生裂缝，但应变都是均匀增加，应变最高可达2 500με。在30级载荷之后，应变突然增大，说明此时目标梁的裂缝已经迅速增大，达到32级载荷时RPC梁已经发生断裂。

图20 B2工况逐级载荷下RPC应变分布图

图21 B2工况逐级载荷下4.5 m和8.6 m处应变分布图

3.4.3 B3工况

从图22可看到，3.3 m~5.3 m、7.3 m~9.3 m、10.7 m~12.7 m三个距离范围监测到RPC的应变随着荷载逐级增加而变化，符合RPC梁长2 m的尺寸。图22中出现三个峰值，分别位于4.3 m、8.4 m、11.7 m处，说明梁跨中产生裂缝。取这三个位置点的应变变化情况如图23所示，在15级载荷之前，没有裂缝产生，应变缓慢增加；而在16~28级载荷之间，慢慢产生裂缝，但应变都是均匀增加，应变最高可达2 900με。在30级载荷之后，应变突然增大，说明此时RPC梁的裂缝已经迅速增大，达到31级载荷时试验梁已经发生断裂。

图22 B3工况逐级载荷下RPC应变分布图

图23 B3工况逐级载荷下4.3 m、8.4 m和11.7 m处应变分布图

4 结论

本文通过分布式光纤监测裂缝可行性试验和高强筋活性粉末混凝土量抗弯开裂试验，得到如下结论:①分布式传感技术可有效识别并定位裂缝，且具有极高的裂缝测试精度。②分布式传感技术具有良好的时、空连续性，可监测混凝土梁开裂过程，并准确定位裂缝位置。③与普通混凝土梁相比(极限拉伸应变为150με，拉断应变为1 000με)，高强筋活性粉末混凝土梁的性能更强(最大应变>2 000με)。