分布式光纖傳感技術(shù)在混凝土振搗質(zhì)量判斷中的應(yīng)用*

李寶枝

(中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京 210011)

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，建筑工程行業(yè)快速成長，變革性的技術(shù)、設(shè)備得到大量應(yīng)用，極大地提升了施工效率。混凝土滲水、開裂、蜂窩、麻面等問題直接影響工程質(zhì)量，降低工程安全性和使用年限。

混凝土澆筑過程中，通過振搗棒振搗提高密實度，保證混凝土結(jié)構(gòu)強度。受外界條件影響，振搗需人工完成，由于不同施工人員對振搗時長、間距等的控制不同，導致混凝土振搗質(zhì)量不一，常出現(xiàn)漏振、欠振、過振等情況，影響工程質(zhì)量。對振搗質(zhì)量的有效控制成為亟待研究的課題，目前，工程現(xiàn)場仍采用監(jiān)理現(xiàn)場監(jiān)督巡查、澆筑振搗完成后測試補救的傳統(tǒng)質(zhì)量控制方法，需研究科學、有效的方法。

1 技術(shù)背景

分布式光纖傳感技術(shù)是以光為載體、以光纖為媒介感知外界信號(壓力、溫度、應(yīng)變等)的新型傳感技術(shù)，激光器發(fā)出光波進入光纖，光纖受外界信號的影響，引起光波特征參數(shù)(頻率、相位、光強、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，將光波特征參數(shù)調(diào)制成信號光，信號光經(jīng)探測器進行解調(diào)，經(jīng)信號處理后即可獲得被測參數(shù)。

分布式光纖傳感技術(shù)主要基于光的反射和干涉，根據(jù)光纖內(nèi)部信號性質(zhì)的不同，可分為基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)、基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)和基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)；根據(jù)信號分析方法，可分為光時域反射技術(shù)、相干光時域反射技術(shù)、光頻域反射技術(shù)、偏振光時域反射技術(shù)、偏振光頻域反射技術(shù)等。

混凝土振搗質(zhì)量與澆筑體積、振搗棒型號及振搗時長直接相關(guān)，即混凝土振搗質(zhì)量與振搗能量相關(guān)。振搗作用半徑與振搗棒直徑有關(guān)，振搗棒直徑越大，振搗作用半徑越大。振搗能量被振搗作用區(qū)域吸收，振搗作用區(qū)域按圓形分布。

振搗能量E計算公式如下：

E=PoT=KPiT

(1)

式中：Po為振搗棒輸出功率；T為振搗時長；K為振搗棒能量轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；Pi為振搗棒輸入功率。

2 振搗質(zhì)量判斷依據(jù)

以太湖隧道K25+460段側(cè)墻為例，振搗中心點與作用區(qū)域分布如圖1所示。

圖1 振搗中心點與作用區(qū)域分布

側(cè)墻長5m，寬1.5m，高3.5m。鋼筋分布較密，鋼筋系數(shù)為1.35?；炷撂涠葹?8cm，礫石為破碎狀，砂為完整團狀，骨料粗糙系數(shù)為3。振搗作用半徑為30cm，振搗間距取1.4倍振搗作用半徑，即42cm。每次澆筑高度為0.3m，澆筑體積2 250L，振搗棒直徑50mm，側(cè)墻混凝土澆筑完成所需振搗時長為1 128s，共需振搗48次，單次振搗時長為23.5s。

根據(jù)工程經(jīng)驗，振搗時長為20～30s時，混凝土振搗正常，因此，太湖隧道K25+460段側(cè)墻混凝土振搗時長滿足要求。

振搗棒輸入功率為2.2kW，振搗棒能量轉(zhuǎn)換效率系數(shù)為0.6，則側(cè)墻混凝土澆筑完成所需振搗能量為1 488 960J，單次振搗能量為31 020J，每m3混凝土振搗能量為661 760J。

當實際振搗能量低于正常振搗能量的80%時，認為混凝土欠振，當實際振搗能量高于正常振搗能量的120%時，認為混凝土過振。太湖隧道K25+460段側(cè)墻混凝土澆筑完成時欠振、過振對應(yīng)的振搗能量分別為1 191 168，1 786 752J，單次振搗欠振、過振對應(yīng)的振搗能量分別為24 816，37 224J。

采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測混凝土振搗過程中是否出現(xiàn)欠振、過振、漏振現(xiàn)象，監(jiān)測前輸入振搗棒振搗輸入功率和振搗棒能量轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。根據(jù)每個振搗區(qū)域所有監(jiān)測點振幅變化情況，判斷振搗開始與結(jié)束時間。

3 光纖布設(shè)要求

光纖布設(shè)時需保證圓弧段半徑≥10cm，避免發(fā)生彎折損壞。光纖綁扎時盡可能貼緊鋼筋，避免綁扎過緊或過松。采用三點固定法固定縱向光纖，即將圓弧弧頂、左右兩側(cè)端點作為綁扎點，如圖2所示，其他部位可按0.6～0.8m間距確定綁扎點。橫向光纖固定方法同縱向光纖。固定光纖過程中，如遇特殊情況，可適當增加固定點或調(diào)整固定點間距，布設(shè)完成的光纖如圖3所示。

圖2 光纖固定示意

圖3 布設(shè)完成的光纖

4 振搗質(zhì)量分析

太湖隧道南側(cè)結(jié)構(gòu)如圖4所示，太湖隧道K25+460段南側(cè)墻第2層振搗前、振搗過程中和振搗完成后混凝土狀態(tài)如圖5所示，將整個振搗區(qū)域平均分成1～4號區(qū)域，分別進行監(jiān)測，振搗區(qū)域劃分如圖6所示。計算得到每個振搗區(qū)域欠振能量限值為1 588 800J，過振能量限值為2 383 200J。

圖4 南側(cè)結(jié)構(gòu)

圖5 混凝土狀態(tài)

圖6 振幅區(qū)域劃分示意

完成混凝土振搗后，分布式光纖傳感系統(tǒng)可獲取結(jié)構(gòu)整體振搗位置分布數(shù)據(jù)和振搗能量值，根據(jù)能量限值數(shù)據(jù)和振搗棒定位數(shù)據(jù)分析整個振搗過程，匯總得到混凝土振搗施工存在的問題(見表1)，并通知現(xiàn)場管理人員指導施工人員處理。當所有提示的振搗問題均得到解決后，混凝土目標塊振搗完成。 監(jiān)測結(jié)果表明，1～4號區(qū)域振搗時長分別為1 434.35,1 466.34，1 405.24,1 294.77s，振搗能量分別為1 893 300,1 935 600,1 854 900，1 709 100J，可知各區(qū)域振搗能量基本滿足要求，未出現(xiàn)欠振和過振。對各區(qū)域混凝土狀態(tài)進行檢查，振搗結(jié)束時混凝土高度不再降低，無氣泡外冒，表面趨于平滑，混凝土振搗質(zhì)量較好。

表1 南側(cè)墻混凝土振搗問題

將南折板第1層振搗區(qū)域平均分成1～4號區(qū)域(與南側(cè)墻振搗區(qū)域劃分相同)，分別進行監(jiān)測，南折板混凝土振搗問題如表2所示。計算得到每個振搗區(qū)域欠振能量限值為1 986 000J，過振能量限為2 979 000J。采取補振措施后，監(jiān)測結(jié)果表明，1～4號區(qū)域振搗時長分別為1 592.72，1 535.77，1 862.61，1 504.60s，振搗能量分別為2 102 400，2 027 200，2 458 600，1 986 100J，可知各區(qū)域振搗能量基本滿足要求，未出現(xiàn)欠振和過振。

表2 南折板混凝土振搗問題

5 結(jié)語

混凝土振搗質(zhì)量傳統(tǒng)判斷方法成本較高，當發(fā)現(xiàn)混凝土振搗問題時，僅能采取事后補救措施或?qū)⒒炷两Y(jié)構(gòu)摧毀重建。為解決傳統(tǒng)判斷方法存在的問題，采用分布式光纖傳感技術(shù)。根據(jù)光纖傳感算法得到振搗棒振搗位置與振搗能量。根據(jù)混凝土欠振、過振能量限值判斷振搗質(zhì)量，可及時發(fā)現(xiàn)問題并采取補救措施，降低返工成本等。