分布式傳感技術(shù)在高強(qiáng)筋活性粉末混凝土裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

馮其瑞，王彥鵬，王懷鋒

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津300450)

在基建工程中，普通混凝土的強(qiáng)度、耐久性等性能已經(jīng)無法滿足工程建設(shè)需求，活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC)在強(qiáng)度、韌性、耐久性、抗壓、抗折等方面性能優(yōu)異，且擁有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

2009年美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)研報(bào)告指出，影響橋梁安全指標(biāo)和使用壽命的主要因素是混凝土開裂所帶來的裂縫問題[2]。引發(fā)混凝土開裂的原因多種多樣，主要分為材料固有屬性和外界因素[3]。在制備、生產(chǎn)、施工、應(yīng)用一系列過程中均存在潛在因素造成混凝土開裂。因此，為保證基建設(shè)施正常安全運(yùn)營(yíng)，監(jiān)測(cè)混凝土裂縫是十分必要的。

分布式光纖傳感技術(shù)采用同一根光纖測(cè)量并傳輸，經(jīng)濟(jì)成本低。同時(shí)，與傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器[4]相比，分布式光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)時(shí)間連續(xù)和空間連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效解決裂縫時(shí)空隨機(jī)產(chǎn)生的問題。不僅如此，在抗電磁、抗腐蝕、防水、耐久性、響應(yīng)速度、靈敏度、傳輸頻帶、穩(wěn)定性等方面，分布式光纖傳感技術(shù)亦表現(xiàn)不俗[5]。因此，分布式傳感技術(shù)由于其性能優(yōu)異被引入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[6]。詹浩東等[7]基于BOTDR原理采用分布式光纖監(jiān)測(cè)棧橋的應(yīng)力、應(yīng)變情況。何斌等[8]采用分布式光纖進(jìn)行混凝土面板撓度監(jiān)測(cè)。楊杰等[9]設(shè)計(jì)了一種用于監(jiān)測(cè)混凝土裂縫的光纖傳感器，通過光損耗值判斷裂縫情況。毛江鴻等[10]將分布式光纖布設(shè)在鋼筋混凝土梁表面，采用最小空間分辨率為0.5 m的BOTDA監(jiān)測(cè)混凝土梁裂縫開展情況。葉宇霄等[11]考慮了光線角度變化對(duì)混凝土裂縫監(jiān)測(cè)的影響，在普通鋼筋混凝土梁的側(cè)表面布設(shè)分布式光纖監(jiān)測(cè)裂縫發(fā)展。

上述文獻(xiàn)未在混凝土梁體內(nèi)部布設(shè)分布式光纖且空間分辨率還有提高的空間。因此，本文將分布式光纖布設(shè)在混凝土梁的表面和內(nèi)部，同時(shí)監(jiān)測(cè)梁體表面和內(nèi)部的應(yīng)變變化。又因文獻(xiàn)[1]指出活性混凝土若與HRB500級(jí)鋼筋配合使用良好將會(huì)成為性能更高的材料，因此本文采用高強(qiáng)筋(HRB500級(jí)鋼筋)活性混凝土梁作為試驗(yàn)對(duì)象。號(hào)的頻移變化值就可獲得沿光纖分布的溫度及應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感。

1 分布式傳感技術(shù)

基于受激布里淵散射的光時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA)，原理如圖1(a)所示，泵浦光光源發(fā)出的光經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制成光脈沖，再經(jīng)耦合器進(jìn)入傳感光纖一端，探測(cè)光光源發(fā)出連續(xù)光進(jìn)入傳感光纖另一端。當(dāng)探測(cè)光和泵浦光的頻差與光纖中某個(gè)區(qū)域的布里淵頻移相同時(shí)，該區(qū)域就會(huì)發(fā)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。由于布里淵頻移與外界應(yīng)變、溫度存在線性關(guān)系，因此，當(dāng)對(duì)探測(cè)光光源的頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，通過檢測(cè)從光纖一端耦合出來的探測(cè)光的光功率，就可以確定光纖上各段區(qū)域能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差，從而可以計(jì)算得到外界溫度或應(yīng)變的信息[12]。

圖1 BOTDA原理圖及系數(shù)標(biāo)定

研究表明，光纖中的布里淵頻移量Δv B與溫度和應(yīng)變的變化呈線性關(guān)系[12]:

式中:Δv B為布里淵頻移量；ΔC vT為溫度系數(shù)；C vε為應(yīng)變系數(shù)；ΔT為溫度變化量；Δε為應(yīng)變變化量。

式中:應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)可通過標(biāo)定試驗(yàn)得到，如圖1(b)、圖1(c)所示，兩個(gè)系數(shù)分別為0.046 MHz/με和0.925 MHz/℃，因此通過探測(cè)布里淵信

所以測(cè)量得到的布里淵頻移量包含了溫度和應(yīng)變兩部分變化量，而光纖分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只需了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況，所以有必要進(jìn)行應(yīng)變、溫度的隔離，分離其中的溫度因素影響，得到其中的應(yīng)變信息。

2 分布式光纖監(jiān)測(cè)裂縫可行性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概況

為考察分布式光纖傳感技術(shù)在裂縫識(shí)別與定位的監(jiān)測(cè)效果，本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了分布式光纖裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并研究了相同裂縫寬度下不同空間分辨率測(cè)量所得的應(yīng)變量與裂縫寬度的定量關(guān)系?？臻g分辨率是沿光纖長(zhǎng)度分布對(duì)應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量所需的最小光纖分布長(zhǎng)度。

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)如圖2、圖3所示，該平臺(tái)由2塊300 mm×300 mm×3 mm鋁板組成，通過螺旋測(cè)微計(jì)頂推調(diào)整裂縫寬度，裂縫控制精度為0.01 mm。將0.9 mm直徑的緊包傳感光纖粘貼固定在鋁板上，然后引線熔接跳線頭接入解調(diào)設(shè)備，再將裂縫間距控制器通過螺釘固定在鋼板上，旋轉(zhuǎn)兩個(gè)間距控制器上螺釘?shù)奈恢?，即可調(diào)節(jié)兩塊鋁板的間距(裂縫寬度)，同步測(cè)量光纖的應(yīng)變。

圖2 裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖

圖3 裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

2.3 試驗(yàn)過程

2.3.1 裂縫識(shí)別與定位

首先測(cè)量初始應(yīng)變并記錄，然后使用裂縫間距控制器使裂縫增加一個(gè)任意寬度，采用分布式光纖測(cè)量裂縫寬度增加之后的光纖應(yīng)變量并記錄，對(duì)比裂縫寬度增加前后的數(shù)據(jù)，得到圖4。

圖4 裂縫位置點(diǎn)應(yīng)變變化

從圖4中可知，應(yīng)變突變位置距起點(diǎn)距離為25.051 m，同時(shí)用卷尺測(cè)量裂縫距起點(diǎn)距離為25.15 m，表明分布式光纖監(jiān)測(cè)到裂縫寬度產(chǎn)生變化處的應(yīng)變會(huì)發(fā)生突變，進(jìn)而可以識(shí)別裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，并定位裂縫產(chǎn)生變化的所在位置，說明分布式光纖監(jiān)測(cè)具備識(shí)別與定位裂縫的功能。

2.3.2 裂縫寬度與應(yīng)變的定量關(guān)系分別設(shè)置空間分辨率為5 cm、10 cm、20 cm、50 cm共4組工況，每組工況下先測(cè)量初始應(yīng)變，再使用裂縫控制器逐級(jí)增大裂縫寬度，且每級(jí)增加0.01 m，共六級(jí)。獲得不同空間分辨率情況下的分布式光纖應(yīng)變變化情況，如圖5~圖8。

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

從圖5~圖8可得，對(duì)于同一裂縫，不同空間分辨率測(cè)得的應(yīng)變量大小不一，變化情況也不一致。將每組工況下，每級(jí)裂縫寬度與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變最大值繪成曲線，如圖9所示。

圖5 5 cm空間分辨率裂縫應(yīng)變變化

圖6 10 cm空間分辨率裂縫應(yīng)變變化

圖7 20 cm空間分辨率裂縫應(yīng)變變化

圖8 50 cm空間分辨率裂縫應(yīng)變變化

圖9 不同空間分辨率裂縫應(yīng)變變化

由圖9可知，測(cè)試相同裂縫寬度情況下，空間分辨率越小，得到的應(yīng)變量越大。但當(dāng)所測(cè)裂縫寬度接近或大于空間分辨率(5 cm)時(shí)，由于已超空間分辨率量程，因此采集信號(hào)失真，會(huì)產(chǎn)生畸變，因此選用10 cm空間分辨率進(jìn)行混凝土裂縫監(jiān)測(cè)。

在10 cm空間分辨率情況下，從圖9中曲線可得裂縫與應(yīng)變的定量系數(shù)為:6 042με/mm。NBX－7000分析儀10 cm空間分辨率下應(yīng)變測(cè)量精度為7.5με，表明裂縫測(cè)量精度最小可達(dá)1.24×10－3mm，說明分布式光纖裂縫監(jiān)測(cè)具有極高的裂縫測(cè)試精度，滿足實(shí)際要求。

3 高強(qiáng)筋活性粉末混凝土梁抗彎開裂試驗(yàn)

采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)高強(qiáng)筋活性粉末混凝土梁在彎矩作用下的開裂情況，給出混凝土梁內(nèi)部和表面的應(yīng)變分布。

3.1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

3.1.1 試驗(yàn)材料

參考文獻(xiàn)[1]中的材料，試驗(yàn)采用高強(qiáng)筋活性粉末混凝土梁，長(zhǎng)2 000 mm×寬120 mm×高250 mm，縱筋為HRB500鋼筋，抗壓強(qiáng)度為20 MPa，彈性模量為4.52×104MPa。成分配合比為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥水泥∶微硅粉∶石英砂(粒徑0.16 mm~1.25 mm)∶高效減水劑∶鋼纖維∶水＝1∶0.18∶1.17∶0.02∶0.13∶0.19。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用Neubrex公司混合測(cè)量高分辨率應(yīng)變、溫度分析儀NBX－7000(圖10)。NBX－7000根據(jù)PPP-BOTDA和結(jié)合了TW-COTDR的瑞利散射光的獨(dú)創(chuàng)混合測(cè)量技術(shù)，使一根光纖不需要溫度補(bǔ)償就可以分離溫度測(cè)試和應(yīng)變測(cè)試。

圖10 NBX－7000應(yīng)變分析儀

除此之外，試驗(yàn)所用的傳感光纜、單模光纖熔接機(jī)如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)設(shè)備

3.2 試驗(yàn)方案

3.2.1 工況設(shè)計(jì)

采用僅配筋率不同，原材料及配合比、制作養(yǎng)護(hù)條件都相同的高強(qiáng)筋活性粉末混凝土梁作為試驗(yàn)對(duì)象。表2為混凝土配筋表。

表2 高強(qiáng)筋活性粉末混凝土配筋表

3.2.2 加載方案

試驗(yàn)加載方案以《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50152－2012)為依據(jù)，采用千斤頂分級(jí)加載，加載示意圖如圖12所示。

圖12 加載示意圖(單位:mm)

3.2.3 傳感器布設(shè)方案

在梁體內(nèi)部和表面分別布設(shè)分布式光纖，并熔接成回路，形成一根分布式光纖同時(shí)監(jiān)測(cè)梁體內(nèi)部和表面的應(yīng)變變化情況，如圖13所示。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.3.1 布設(shè)傳感器

埋入式光纜在預(yù)制鋼筋籠(圖14)時(shí)提前將分布式光纜沿鋼筋籠主筋內(nèi)側(cè)用扎帶綁扎固定，一端接入分析儀，另外一端將光纜引出，在預(yù)制梁完成后將光纜粘貼在預(yù)制梁表面的下部，最后接入分析儀，形成回路，如圖13所示。圖15中U型光纜為傳輸光纜，不作為傳感使用。

圖13 分布式光纖布設(shè)示意圖

圖14 預(yù)制鋼筋籠

圖15 布設(shè)分布式光纖傳感器

3.3.1 試驗(yàn)過程

為檢驗(yàn)支座平穩(wěn)程度以及儀表和加載設(shè)備是否處于正常狀態(tài)，試驗(yàn)開始前進(jìn)行預(yù)加載，結(jié)果顯示試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)良好。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖16所示，將完成分布式光纖傳感器布設(shè)的高強(qiáng)筋活性粉末混凝土梁放置于試驗(yàn)平臺(tái)上，按照?qǐng)D12進(jìn)行分級(jí)加載，隨荷載增大，混凝土梁會(huì)出現(xiàn)裂縫，直到斷裂，如圖17所示。

圖17 斷梁效果圖

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 B1工況

從圖18可看到，10.2 m~12.2 m、13.3 m~15.3 m、18.3 m~20.3 m三個(gè)距離范圍監(jiān)測(cè)到RPC的應(yīng)變隨著荷載逐級(jí)增加而變化，符合RPC梁長(zhǎng)2 m的尺寸。在11 m、14.4 m、19.4 m三處出現(xiàn)峰值(其中11 m處為梁體表面，14.4 m和19.4 m處為梁體內(nèi)部)，說明梁跨中產(chǎn)生裂縫。取這三個(gè)位置點(diǎn)的應(yīng)變變化情況如圖19所示?？箯濋_裂試驗(yàn)中，梁體下部受拉，應(yīng)變?cè)龃?，變化方向?yàn)橛杀砣雰?nèi)。因此梁體下部表面11 m處從14級(jí)荷載開始因?yàn)槭芾瓚?yīng)變突然增大，從21級(jí)荷載開始由于表面開裂過大，超過空間分辨率(10 cm)量程，采集信號(hào)失真，應(yīng)變突降。而梁體內(nèi)部14.4 m處和19.4 m處在15級(jí)載荷之前，沒有裂縫產(chǎn)生，應(yīng)變緩慢增加；而在16~21級(jí)載荷之間，慢慢產(chǎn)生裂縫，但應(yīng)變都是均勻增加，應(yīng)變最高可達(dá)2 200με。在21級(jí)載荷之后，應(yīng)變突然增大，說明此時(shí)目標(biāo)梁的裂縫已經(jīng)迅速增大，達(dá)到23級(jí)載荷時(shí)RPC梁已經(jīng)發(fā)生斷裂。

圖18 B1工況逐級(jí)載荷下RPC應(yīng)變分布圖

圖19 B1工況逐級(jí)載荷下11 m、14.4 m和19.4 m處應(yīng)變分布圖

3.4.2 B2工況

此工況沒有在表面粘貼分布式光纜，兩段應(yīng)變載荷分布均為埋入式光纜。圖20可看到，隨著荷載逐級(jí)增加，3.5 m~5.5 m、7.4 m~9.4 m兩段距離范圍內(nèi)的應(yīng)變隨之變化，符合RPC梁長(zhǎng)2 m的尺寸，并在4.5 m、8.6 m處分別出現(xiàn)了峰值，說明梁跨中產(chǎn)生裂縫。取這2個(gè)位置點(diǎn)的應(yīng)變變化情況如圖21所示，在13級(jí)載荷之前，沒有裂縫產(chǎn)生，應(yīng)變緩慢增加；而在13~29級(jí)載荷之間，慢慢產(chǎn)生裂縫，但應(yīng)變都是均勻增加，應(yīng)變最高可達(dá)2 500με。在30級(jí)載荷之后，應(yīng)變突然增大，說明此時(shí)目標(biāo)梁的裂縫已經(jīng)迅速增大，達(dá)到32級(jí)載荷時(shí)RPC梁已經(jīng)發(fā)生斷裂。

圖20 B2工況逐級(jí)載荷下RPC應(yīng)變分布圖

圖21 B2工況逐級(jí)載荷下4.5 m和8.6 m處應(yīng)變分布圖

3.4.3 B3工況

從圖22可看到，3.3 m~5.3 m、7.3 m~9.3 m、10.7 m~12.7 m三個(gè)距離范圍監(jiān)測(cè)到RPC的應(yīng)變隨著荷載逐級(jí)增加而變化，符合RPC梁長(zhǎng)2 m的尺寸。圖22中出現(xiàn)三個(gè)峰值，分別位于4.3 m、8.4 m、11.7 m處，說明梁跨中產(chǎn)生裂縫。取這三個(gè)位置點(diǎn)的應(yīng)變變化情況如圖23所示，在15級(jí)載荷之前，沒有裂縫產(chǎn)生，應(yīng)變緩慢增加；而在16~28級(jí)載荷之間，慢慢產(chǎn)生裂縫，但應(yīng)變都是均勻增加，應(yīng)變最高可達(dá)2 900με。在30級(jí)載荷之后，應(yīng)變突然增大，說明此時(shí)RPC梁的裂縫已經(jīng)迅速增大，達(dá)到31級(jí)載荷時(shí)試驗(yàn)梁已經(jīng)發(fā)生斷裂。

圖22 B3工況逐級(jí)載荷下RPC應(yīng)變分布圖

圖23 B3工況逐級(jí)載荷下4.3 m、8.4 m和11.7 m處應(yīng)變分布圖

4 結(jié)論

本文通過分布式光纖監(jiān)測(cè)裂縫可行性試驗(yàn)和高強(qiáng)筋活性粉末混凝土量抗彎開裂試驗(yàn)，得到如下結(jié)論:①分布式傳感技術(shù)可有效識(shí)別并定位裂縫，且具有極高的裂縫測(cè)試精度。②分布式傳感技術(shù)具有良好的時(shí)、空連續(xù)性，可監(jiān)測(cè)混凝土梁開裂過程，并準(zhǔn)確定位裂縫位置。③與普通混凝土梁相比(極限拉伸應(yīng)變?yōu)?50με，拉斷應(yīng)變?yōu)? 000με)，高強(qiáng)筋活性粉末混凝土梁的性能更強(qiáng)(最大應(yīng)變>2 000με)。