光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測混凝土凍融殘余應(yīng)變

孔祥龍，廖開星，徐 超，呂海鋒，趙雪峰

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004；2.大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

0 引言

抗凍性是混凝土耐久性的重要指標之一，影響著我國寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[1-2]。隨著我國嚴寒地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，提出一種能夠?qū)崟r、自動進行數(shù)據(jù)采集的監(jiān)測手段用以監(jiān)測混凝土凍融損傷也越來越迫切。

目前用于評價混凝土凍融損傷的指標主要有質(zhì)量損失和動彈性模量損失[3-5]。但這兩個指標工作量大，人為因素影響大，且不能夠?qū)崿F(xiàn)自動實時的數(shù)據(jù)采集?；炷磷鳛橐环N多孔材料，其內(nèi)部孔隙水在低溫作用下會凝結(jié)成冰且體積膨脹，這一過程將在混凝土基體內(nèi)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，從而引起混凝土基體的變形[6]。光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾強、電絕緣性好，能夠滿足混凝土耐久性長期監(jiān)測這一要求[7]。在此背景下，提出了一種基于FBG傳感技術(shù)監(jiān)測混凝土凍融殘余變形的手段，通過試驗研究，驗證了該監(jiān)測手段的可行性，分析了混凝土因凍融產(chǎn)生的殘余應(yīng)變行為。在凍融循環(huán)作用下，混凝土基體產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵本身是一段經(jīng)過特殊技術(shù)處理的光纖。其中有一部分結(jié)構(gòu)(光柵)的折射率呈周期性變化。光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)、折射率分布以及反射、投射特性如圖1(a)所示[8]。

由于周期性的折射率變化僅會對很窄的小段光譜產(chǎn)生影響，因此，當寬譜光源發(fā)出的光在光纖中傳播時，特定波長的光將被反射回來，其余的透射光則不受影響，這樣光纖光柵就起到了光波選擇的作用，如圖1(b)所示。

(a)

(b)圖1 光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)、通光性示意圖

研究光柵傳感的基礎(chǔ)是光纖布拉格光柵的中心波長與有效折射率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過監(jiān)測反射光的波長，就可以獲得被感知量變化的情況。得到布拉格光柵反射波長的基本表達式為

λB=2nΛ

(1)

式中：λB為光纖光柵的中心波長，nm；Λ為光纖光柵的周期；n為光纖纖芯的有效折射率。

當外界參量(如應(yīng)力、溫度等)發(fā)生變化時，光纖光柵的諧振波長漂移，漂移量為

(2)

式中：pe為有效彈光系數(shù)，pe=0.26；α為光纖線性熱膨脹系數(shù)，α=0.55×10-6/℃；ξ為光纖的熱光系數(shù)，ξ=8.3×10-6/℃；ΔT為溫度改變量；ε為光纖的軸向應(yīng)變。

2 傳感器設(shè)計與制作

傳感器具體制作過程如下：

(1)以鉆心方式取得直徑為4 cm、高為5 cm的C30混凝土圓柱，將圓柱浸水3 d，在飽和水的狀態(tài)下，將光纖光柵緊密纏繞在混凝土圓柱體表面，加以固定和保護；

(2)迅速將纏繞FBG的混凝土圓柱體放入直徑為6 cm，高為12 cm的圓柱體模具中，澆筑環(huán)氧樹脂膠進行保護。該試件在常溫下養(yǎng)護3 d成型。

傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，澆筑成型后的試件實物圖如圖3所示。

圖2 環(huán)氧樹脂F(xiàn)BG傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

3 凍融監(jiān)測試驗

本試驗所需的主要實驗設(shè)備及材料有:光纖光柵解調(diào)儀、溫度試驗機、恒溫水箱等。FBG混凝土凍融循環(huán)實驗監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 FBG混凝土凍融循環(huán)實驗監(jiān)測系統(tǒng)

試驗的具體過程如下：

(1)將試件和一個FBG溫度傳感器一起放入溫度試驗機中，調(diào)節(jié)溫度試驗機溫度為30 ℃，放置4 h后，用FBG解調(diào)儀讀取并記錄試件波長，將該波長數(shù)據(jù)作為初始值；

(2)將溫度試驗機降溫至-20 ℃，并保持恒溫，降溫冷凍時間約5 h；

(3)冷凍結(jié)束后，將溫度試驗機升溫至30 ℃，并保持恒溫4 h，融化結(jié)束，認為一次凍融循環(huán)結(jié)束。此時在30 ℃的溫度環(huán)境下，再用FBG解調(diào)儀讀取并記錄試件波長。

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，進入下一凍融循環(huán)。前后兩次循環(huán)試件的波長之差，再經(jīng)過換算之后，可視為該次凍融循環(huán)過程中，混凝土圓柱體產(chǎn)生的殘余應(yīng)變。

4 試驗結(jié)果及分析

由于環(huán)氧樹脂試件數(shù)量較多，故對其進行編號，分別為1、2、3、4。在環(huán)氧樹脂試件的凍融循環(huán)監(jiān)測試驗中，采集間隔時間為10 s，單次凍融循環(huán)采集時間約為9 h。

圖5為環(huán)氧樹脂試件1第8次凍融循環(huán)的監(jiān)測情況。由圖5可以看出溫度試驗機經(jīng)過大約5 h，由30 ℃降溫至-20 ℃期間，波長逐漸降低。之后，溫度試驗機開始升溫，波長曲線驟然升高，達到30 ℃后，停止上升，曲線平緩，波長逐漸趨于恒定值。升溫融化過程約為4 h。至此，環(huán)氧樹脂試件1的第8次凍融循環(huán)結(jié)束。

同樣地，我們可以通過試件前后兩次凍融循環(huán)的波長之差得出該試件在該次凍融循環(huán)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)變。以環(huán)氧樹脂試件1第8次凍融循環(huán)為例，由圖5可以看到，F(xiàn)BG傳感器的初始波長為0.44 nm，經(jīng)過第8次凍融循環(huán)后，波長為0.79 nm。通過換算后可以得出，環(huán)氧樹脂試件1第8次凍融循環(huán)產(chǎn)生的殘余應(yīng)變?yōu)?5 με。

圖5 環(huán)氧樹脂試件1第8次凍融循環(huán)監(jiān)測情況

圖6和圖7分別為了環(huán)氧樹脂試件1-4在每個凍融循環(huán)后的殘余應(yīng)變。4個試件在前4次凍融循環(huán)中，殘余應(yīng)變均有不同程度的降低，這主要是因為水分在混凝土基體內(nèi)重新進行分布。試件1和試件3分別在經(jīng)過16次和7次凍融循環(huán)后，殘余應(yīng)變開始大于0，并繼續(xù)不斷增長。其中試件3截至第13次凍融循環(huán)后，殘余應(yīng)變已經(jīng)達到330個微應(yīng)變。試件2和試件4，殘余應(yīng)變一直小于零，但呈現(xiàn)上升趨勢。其中試件2上升趨勢比較明顯，而試件4則相對較為平緩。

圖6 環(huán)氧樹脂試件1、2的殘余應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系

4個試件在相同的凍融循環(huán)環(huán)境下，殘余應(yīng)變變化隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，這說明FBG傳感器能監(jiān)測混凝土的凍融循環(huán)過程及殘余應(yīng)變。但根據(jù)檢測結(jié)果顯示，4個試件殘余應(yīng)變的變化值卻有所偏差。這是由于混凝土圓柱的不均勻性造成的。試件內(nèi)的光纖光柵僅能纏繞混凝土圓柱4～5圈，其纏繞寬度相對于混凝土圓柱的高度而言，還是比較小的，在加上混凝土圓柱的不均勻性，導(dǎo)致每個傳感器的測量結(jié)果有所偏差。這一問題將在接下來的工作進行進一步的研究。

圖7 環(huán)氧樹脂試件3、4的殘余應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系

5 結(jié)論

本文基于光纖光柵傳感技術(shù)，開發(fā)了可用于監(jiān)測混凝土凍融過程及殘余變形的光纖光柵傳感器。自主搭建了FBG監(jiān)測混凝土凍融循環(huán)的實驗系統(tǒng)，對所開發(fā)的傳感器監(jiān)測混凝土殘余變形的性能進行了試驗研究。

試驗結(jié)果表明：采用光纖光柵傳感技術(shù)能夠有效監(jiān)測混凝土凍融循環(huán)過程及殘余變形，且混凝土殘余應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。通過開發(fā)本文搭建的混凝土凍融循環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對混凝土構(gòu)件凍融循環(huán)過程及殘余變形的實時、定量、遠距離的監(jiān)測。