基于OFDR分布式光纖的鋼筋銹蝕監(jiān)測技術(shù)

田 昊， 唐福建， 李宏男

(大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

鋼筋混凝土是全球土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種組合材料.鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)往往處于復(fù)雜的銹蝕環(huán)境中，如近海環(huán)境、除冰鹽大量使用環(huán)境中的氯離子銹蝕作用，碳化銹蝕作用和凍融循環(huán)作用等[1].對于碼頭和跨海大橋等處在海洋環(huán)境下的結(jié)構(gòu)，因氯離子入侵所引起的鋼筋銹蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的最重要因素[2-3].據(jù)最新統(tǒng)計，中國2014年銹蝕成本為21278.2億元，占當(dāng)年國民生產(chǎn)總值(GDP)的3.34%[4].目前，全世界各國因鋼筋銹蝕導(dǎo)致的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損失平均占GDP的1%～2%[5].因此，對鋼筋混凝土的銹蝕進(jìn)行有效監(jiān)測，及時了解結(jié)構(gòu)的服役狀況非常必要[6-8].

目前，鋼筋銹蝕監(jiān)測的方法分為電化學(xué)方法和非電化學(xué)方法.電化學(xué)方法是通過監(jiān)測鋼筋銹蝕引起的電化學(xué)參數(shù)變化來間接監(jiān)測銹蝕[9].如賀鴻珠等[10]通過用銀庫侖計測量鋼筋的銹蝕量，間接監(jiān)測鋼筋的不均勻銹蝕；朱勁松等[11]采用基于壓電陶瓷波傳播法間接監(jiān)測鋼筋的銹蝕；楊茂等[12]通過磁記憶檢測的方法檢測混凝土未開裂前的鋼筋銹蝕狀態(tài).近30a來，光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，相比于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，其靈敏度高、體積小、抗電磁干擾強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測建筑、樁、橋梁和管道等[13].由于鋼筋銹蝕會引起體積膨脹，F(xiàn)uhr[14]運(yùn)用布拉格光纖光柵(FBG)間接地進(jìn)行鋼筋銹蝕的監(jiān)測；黎學(xué)明[15]通過在光纖纖芯上鍍Fe -C薄膜,實時測量輸出光信號的改變，間接獲得鋼筋材料銹蝕信息；Tang等[16-18]將Fe-C涂層電鍍在長周期光纖光柵(LPFG)表面，用于監(jiān)測鋼筋銹蝕引起的質(zhì)量損失.但這些電化學(xué)方法和非電化學(xué)方法只適用于局部監(jiān)測銹蝕情況，無法在空間上連續(xù)監(jiān)測.

與FBG和LPFG光纖傳感器不同，分布式光纖傳感器例如光時域反射計(OTDR)、光頻域反射計(OFDR)和布里淵光纖時域分析儀(BOTDA/R)可以實現(xiàn)空間上的連續(xù)監(jiān)測.如Lü等[19]設(shè)計了1種基于BOTDA/R的傳感器，用于監(jiān)測混凝土中鋼筋的銹蝕.相比BOTDA/R光纖技術(shù)，OFDR測量范圍更廣、靈敏度更高、且沒有盲區(qū)[20-22]，目前被廣泛應(yīng)用于溫度和應(yīng)變等空間分布的測量中.

本文在實驗室中制備配置鋼筋的砂漿圓柱試件(以下簡稱試件)，并進(jìn)行加速銹蝕試驗.在銹蝕過程中，通過OFDR來監(jiān)測鋼筋銹蝕引起的應(yīng)變變化，間接監(jiān)測鋼筋的銹蝕分布情況，以驗證OFDR監(jiān)測鋼筋銹蝕的有效性.

1 基于OFDR分布式光纖的鋼筋銹蝕監(jiān)測原理

混凝土中的鋼筋銹蝕后體積會增大為原來的2～6倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生銹脹力，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生應(yīng)變.根據(jù)彈性力學(xué)理論，將混凝土中鋼筋銹蝕模型簡化為圓筒受均布內(nèi)壓力作用模型，則鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹脹力qr與鋼筋銹蝕率η的關(guān)系為[5]：

(1)

式中：d為鋼筋直徑；C為保護(hù)層厚度；n為鐵銹與被銹蝕鋼筋的體積比；Ec為混凝土有效彈性模量；vc為混凝土泊松比；Er為鐵銹名義彈性模量；vr為鐵銹名義泊松比；r0為簡化模型的半徑，本文取r0≈d/2.

另外，根據(jù)彈性力學(xué)拉梅公式，鋼筋銹脹引起的混凝土表面徑向應(yīng)力σρ和環(huán)向應(yīng)力σθ分別表示為[24]：

(2)

(3)

式中：R為混凝土圓筒外徑；r為混凝土圓筒內(nèi)徑；A為混凝土中任一點(diǎn)與混凝土圓筒圓心的距離.

圓筒表面環(huán)向應(yīng)力σθ引起的應(yīng)變ε表示為：

(4)

本試驗將分布式光纖纏繞在混凝土表面，通過OFDR傳感技術(shù)監(jiān)測光纖的應(yīng)變變化，來間接獲得鋼筋的銹蝕質(zhì)量損失率，從而達(dá)到監(jiān)測混凝土中鋼筋銹蝕的目的.

2 試驗

2.1 試件制備

為研究保護(hù)層厚度對鋼筋銹蝕引起的裂縫寬度的影響，本試驗共制作了3個砂漿圓柱試件.由于保護(hù)層越厚，所埋入鋼筋的銹蝕程度越不確定，通過監(jiān)測應(yīng)變間接反映鋼筋銹蝕程度的不確定性就越大，因此本試驗采用小直徑砂漿試件.此外，由于鋼筋銹蝕具有隨機(jī)性和不均勻性，即使是相同試件也難以達(dá)到相似結(jié)果，因此，各試件并未制備平行試件.砂漿試件的外形和制備示意圖如圖1所示.由圖1可見：試件長度為900mm，直徑為30mm；所選HRB400鋼筋直徑分別為12、16、20mm，長度均為1100mm，所對應(yīng)的保護(hù)層厚度分別為9、7、5mm.砂漿試件配合比m(普通硅酸鹽水泥)∶m(自來水)∶m(細(xì)砂)=1.00∶0.45∶1.00.砂漿試件筒模具采用內(nèi)徑為30mm的PVC管.先將OFDR分布式光纖(型號為ITU-T G625.D，直徑為9μm)按螺旋方式纏繞在養(yǎng)護(hù)28d的砂漿試件上，螺距為100mm；再在光纖外涂上1層防水環(huán)氧樹脂，以確保光纖與砂漿柱黏結(jié)緊密，這樣既可以保證試驗中的應(yīng)變能夠有效傳遞，又可以防止光纖在銹蝕試驗過程中受損.

圖1 試件外形和制備示意圖Fig.1 Specimen appearance and preparation diagram(size:mm)

2.2 加速銹蝕試驗

加速銹蝕試驗裝置如圖2所示.采用LUNA公司生產(chǎn)的OFDR儀器(型號為ODISI B)記錄光纖在測試過程中的應(yīng)變變化，其空間分辨率為2.6mm，測量精度為1με.將纏繞好光纖的砂漿試件放在制備好的木箱之前，先用塑料油紙對內(nèi)部進(jìn)行密封，以防止試驗過程中NaCl溶液泄漏，再將木箱填滿細(xì)砂.試驗開始前，將光纖的一端與監(jiān)測儀器相連，另一端置于少量匹配膏中；將鋼筋與恒定電流源的正極連接，石墨棒與電流源的負(fù)極連接.試驗中保持各鋼筋的銹蝕速率均為300μA/cm2.根據(jù)法拉第定律，直徑12、16、20mm的鋼筋外加電流分別約為110、147、183mA.試驗過程中，每天早晚在細(xì)砂上分間距(干濕交替)噴灑500mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液，以營造并保持不均勻銹蝕環(huán)境.

圖2 加速銹蝕試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of accelerated corrosion test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 砂漿表面應(yīng)變變化

OFDR分布式光纖所測應(yīng)變隨銹蝕時間的變化規(guī)律見圖3.由圖3可以看出：保護(hù)層厚度為9mm的試件(編號為D12)在加速銹蝕的前3h，光纖應(yīng)變沿長度方向整體變大，之后開始出現(xiàn)應(yīng)變峰，應(yīng)變峰的出現(xiàn)是由于鋼筋的不均勻銹蝕引起砂漿表面開裂造成的(混凝土極限拉應(yīng)變?yōu)?00～300μm/m[25])；保護(hù)層厚度為7、5mm的試件(編號分別為D16、D20)在3h出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變峰，隨著加速銹蝕的進(jìn)行，應(yīng)變峰處的應(yīng)變持續(xù)增大，但其增大速率逐漸減小，而應(yīng)變谷的應(yīng)變值保持在相對穩(wěn)定的200μm/m 左右.這是由于砂漿開裂后應(yīng)變重新分布，同時銹蝕逐漸集中在鋼筋的開裂側(cè)，部分銹蝕產(chǎn)物沿裂縫流出.

由圖3還可見：(1)3種保護(hù)層厚度的砂漿試件在加速銹蝕試驗前15h的應(yīng)變變化規(guī)律大致相似，在15h后，應(yīng)變峰值隨鋼筋銹蝕質(zhì)量損失的增大而增大；在沿光纖長度上，應(yīng)變峰值大小不等，且峰值增大速率也不同，靠近石墨棒附近(試件中部位置,見圖2)的光纖，其應(yīng)變變化最快且最大.應(yīng)變在時間和長度上的不均勻變化是由鋼筋的不均勻銹蝕造成的.(2)試件D12沿光纖長度方向共監(jiān)測到9個應(yīng)變峰，沿長度方向相對均勻分布，這是因為鋼筋銹蝕在砂漿表面產(chǎn)生了1條主裂縫；試件D20不同于試件D12和D16，其應(yīng)變峰值不明顯，且分布不均勻，這是由于銹蝕在砂漿表面產(chǎn)生了多條裂縫.(3)試件D12在加速銹蝕15h后，應(yīng)變峰值開始出現(xiàn)部分缺失，35h后峰值明顯缺失；試件D16在加速銹蝕 9h 后，曲線開始出現(xiàn)缺失，25h左右峰值明顯缺失，35h 左右的應(yīng)變數(shù)據(jù)已很不完整；試件D20在加速銹蝕35h后，曲線開始出現(xiàn)缺失，加速銹蝕 55h 左右，個別峰值出現(xiàn)明顯缺失，這是由于缺失部位的砂漿在鋼筋銹蝕產(chǎn)生的拉應(yīng)力致使砂漿開裂，從而使粘貼在其表面的光纖被拉斷.

理論上，在腐蝕電流密度和試件外形尺寸相同的條件下，試件D20應(yīng)變峰值的缺失時間應(yīng)該早于試件D12，但試驗結(jié)果與其并不一致.這主要是由于腐蝕不均勻所造成的.試件D12的銹蝕不均勻性高于試件D20(見圖3).另外，試件D12出現(xiàn)1條主裂縫(沿鋼筋周長不均勻銹蝕)，而試件D20出現(xiàn)多條裂縫(沿鋼筋周長較均勻銹蝕).這種銹蝕不均勻性使得試件D12在35h產(chǎn)生的主裂縫最大裂縫寬度接近于試件D2055h后的主裂縫最大裂縫寬度，從而導(dǎo)致應(yīng)變?nèi)笔r間的差異.另外，3個試件峰值缺失部位有相同也有不同，相同的是3個試件在靠近石墨棒處的銹蝕速率最大，該部位的應(yīng)變峰值也對應(yīng)了最大值，這一部分將在3.2節(jié)中詳細(xì)討論；不同的是，其余出現(xiàn)峰值的部位和其應(yīng)變值都是不同的，試件D20在靠近石墨棒的周圍也出現(xiàn)了較大峰值，這說明在其周圍產(chǎn)生了其他裂縫，引起了應(yīng)力重分布，造成這一現(xiàn)象的原因也是鋼筋在長度方向上產(chǎn)生不均勻銹蝕所引起的.

圖3 不同保護(hù)層厚度試件的應(yīng)變變化Fig.3 Strain change of specimens with different thickness of protective layer

3.2 最大峰值應(yīng)變(裂縫)分析

在加速銹蝕過程中，由于鋼筋銹蝕的不均勻性，所監(jiān)測到的應(yīng)變出現(xiàn)部分缺失，但由于傳感光纖并未完全斷開，仍可進(jìn)行監(jiān)測，直到監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的長度缺失時才會失效，因此，上文提到的應(yīng)變峰值是由于砂漿開裂所造成的，故有必要分析開裂處應(yīng)變隨銹蝕率(時間)的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而理解因鋼筋銹蝕所導(dǎo)致的砂漿開裂規(guī)律.

基于彈性假定和試件尺寸推導(dǎo)了裂縫寬度隨銹蝕率(時間)的變化，見圖4.由圖4(a)可見：對于保護(hù)層厚度為9mm的試件D12，其4#點(diǎn)峰值應(yīng)變在銹蝕率達(dá)到0.264%(20h)前呈線性增長，當(dāng)銹蝕率為0.264%(20h)時，其應(yīng)變值達(dá)到1000μm/m左右，之后應(yīng)變曲線上升速率逐漸下降，應(yīng)變值約在銹蝕率為1.058%(80h)時達(dá)到2000μm/m；試件在銹蝕率達(dá)到1.177%(90h)時的裂縫寬度約為0.20mm，與試件實拍裂縫寬度非常接近.由圖4(b) 可見：保護(hù)層厚度為7mm的試件D165#點(diǎn)峰值應(yīng)變在銹蝕率達(dá)到0.248%(25h)前呈線性增長，當(dāng)銹蝕率為0.248%(25h)時，應(yīng)變值達(dá)到1600μm/m 左右，之后應(yīng)變曲線上升速率逐漸減小并保持穩(wěn)定，應(yīng)變值約在銹蝕率為0.545%(55h)左右時達(dá)到1800μm/m.此時監(jiān)測到的裂縫寬度約為0.16mm，與試件實拍裂縫寬度(0.20mm)非常接近.由圖4(c) 可見：保護(hù)層厚度為5mm的試件D205#點(diǎn)峰值應(yīng)變在銹蝕率達(dá)到0.167%(20h)前呈線性增長，當(dāng)銹蝕率為0.167%(20h)時，應(yīng)變值達(dá)到900μm/m左右，之后曲線出現(xiàn)較長時間的穩(wěn)定階段，但在銹蝕率為0.919%(110h)左右時應(yīng)變值突然增長并呈線性增長；不同于試件D12和D16裂縫處的應(yīng)變變化規(guī)律，試件D20在銹蝕率達(dá)到0.167%(20h)～0.919%(110h)時出現(xiàn)了緩慢發(fā)展階段，是由于其他裂縫的出現(xiàn)，引起應(yīng)變重新分布到新裂縫處(在5#點(diǎn)處出現(xiàn)了小應(yīng)變峰值，表示有新裂縫出現(xiàn)).銹蝕率達(dá)到0.919%(110h)后的再次突然增長可能是由于裂縫處的腐蝕速率增大造成的.此時監(jiān)測到的裂縫寬度與試件實拍裂縫寬度(0.55mm)比較接近.

圖4 不同保護(hù)層厚度試件的應(yīng)變和裂縫寬度隨時間變化的曲線Fig.4 Curves of strain and crack width changing with time for specimens with different thickness of protective layer

應(yīng)變值隨時間變化斜率減小的原因是隨著加速銹蝕，鋼筋質(zhì)量損失不斷增加，砂漿由于裂縫的傳播而軟化，導(dǎo)致裂縫的發(fā)展速度降低.3個試件的裂縫發(fā)展規(guī)律也不完全相同，試件D20表面裂縫寬度最大，但是其測試時間最長；試件D12表面裂縫寬度最小，但其測試時間較短，這是由于鋼筋的不均勻銹蝕造成的.

砂漿裂縫寬度是應(yīng)變在環(huán)向周長上的積分，其發(fā)展趨勢與環(huán)向應(yīng)變變化一致.當(dāng)應(yīng)變達(dá)到砂漿極限拉應(yīng)變時開始出現(xiàn)裂縫，裂縫開始不斷發(fā)展.3個試件實測裂縫寬度與理論計算的裂縫寬度存在一些誤差，這主要是由于鋼筋的不均勻銹蝕以及環(huán)氧樹脂涂層所引起的應(yīng)變傳遞誤差所致.另外，由于銹蝕后砂漿膨脹應(yīng)力部分作用在環(huán)氧樹脂上也會造成一定的測量誤差，但這種誤差不是主要原因.

3.3 保護(hù)層厚度對應(yīng)變的影響

圖5 試件不同時刻的應(yīng)變均值Fig.5 Average strain of specimens at different time

砂漿未出現(xiàn)裂縫前處于彈性階段，根據(jù)3.2節(jié)的分析并結(jié)合砂漿的極限拉應(yīng)變，取各試件在加速銹蝕3、6、9、12h時的應(yīng)變均值作為彈性階段的應(yīng)變數(shù)據(jù)，見圖5.由圖5可以看出，前9h的加速銹蝕過程中，3個試件在長度方向上的應(yīng)變均值增加較快，試件D20應(yīng)變變化速率最快，且均值最大，前3h 的應(yīng)變變化是試件D12的2倍，前6h是試件D12的1.5倍；在試驗進(jìn)行到12h時,試件D20應(yīng)變均值與試件D16基本相同.這種隨加速銹蝕進(jìn)行，應(yīng)變差異逐漸減小的現(xiàn)象是由于砂漿表面出現(xiàn)了裂縫，導(dǎo)致鋼筋銹蝕沿周長方向變得不均勻，應(yīng)變重新分布所致.

試驗總體結(jié)果表明：在砂漿未開裂或者裂縫較小階段，砂漿近似處于彈性階段；保護(hù)層厚度越小(鋼筋直徑越大)，相同銹蝕損失條件下引起的表面應(yīng)變越大.

4 結(jié)論

(1)鋼筋銹蝕引起砂漿開裂，從而產(chǎn)生應(yīng)變峰值.試件中部石墨棒附近的鋼筋銹蝕速率較快，試件兩端的鋼筋銹蝕速率較慢，導(dǎo)致沿長度方向的表面裂紋寬度不同.銹蝕損失嚴(yán)重處裂縫寬度大；銹蝕損失小的地方裂縫寬度小.

(2)根據(jù)OFDR分布式光纖監(jiān)測的峰值應(yīng)變推導(dǎo)得到的裂縫寬度比實測裂縫寬度小，主要是由于環(huán)氧樹脂保護(hù)層導(dǎo)致的傳遞誤差造成的.

(3)砂漿保護(hù)層厚度對鋼筋銹蝕產(chǎn)生的應(yīng)變有所影響.在砂漿未出現(xiàn)裂縫前的彈性階段，保護(hù)層厚度越小(鋼筋直徑越大)，相同銹蝕損失下引起的表面應(yīng)變越大.另外，相同銹蝕質(zhì)量損失條件下，隨著保護(hù)層厚度的減小，裂縫開展速率和砂漿表面裂縫寬度明顯加快.