光纤布拉格光栅钢筋腐蚀传感器*

引 言

钢筋混凝土结构具有良好的耐久性、整体性和低廉的造价，成为应用最普遍的建筑结构形式之一。但是，当钢筋混凝土结构受到海水、除冰盐和防冻剂的侵蚀时，钢筋混凝土结构的耐久性会因为钢筋腐蚀而大大降低［1-2］。钢筋腐蚀是一个电化学过程［3］，当处在高碱性的混凝土孔隙液中时，钢筋表面会形成一层致密的水化氧化物——钝化膜［4-5］。一旦失去钝化膜的保护，在具备氧气和电解液的条件下，钢筋表面被氧化腐蚀。实时监测混凝土中钢筋的腐蚀程度，并及时采取有效的预防和加固措施具有重要意义。

常用的钢筋腐蚀检测方法有剔凿检测法、钻孔取样法、半电池电位法、混凝土电阻率测量法和综合分析判断法［6］。剔凿检测法和钻孔取样法能够准确地检测到钢筋腐蚀率，但会破坏结构的完整性;半电池电位法、混凝土电阻率测量法和综合分析判断法只能定性地判断钢筋腐蚀程度。FBG腐蚀传感器以新型材料FBG为核心组成部分，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、准分布式传感和长距离传感等优势［7］，受到了国内外学者的广泛关注和研究［8-9］。

为提高FBG腐蚀传感器的灵敏度和成活率，有效监测混凝土中钢筋的早期腐蚀，笔者提出了一种由2根FBG和1个钢筋件组成的FBG钢筋腐蚀传感器，2根FBG分别用于监测钢筋锈胀应变和温度变化。FBG-1直接与钢筋件紧密接触，并剥除光纤固定点处的涂覆层，从而提高传感器灵敏度。在FBG-1线圈外紧密包裹一层滤纸并用水泥砂浆封装保护，使传感器能够直接用于粗放的实际工程，大大提高传感器的成活率。

1 FBG传感原理

由于掺锗光纤具有较好的光敏性，经过紫光激光器曝光处理的光纤纤芯会形成一段折射率变化周期均匀的光栅段，即为光纤布拉格光栅(FBG)。对于宽谱入射光源，当光波经过光栅段时，满足一定波长条件(Bragg衍射条件)的光将被反射回去，其余光则继续向前传输，因此FBG相当于一段光学窄带滤波器。通过采集反射光的波长就可以实现被测物理量的监测。

布拉格衍射条件为

其中:λ为FBG的反射光波长;n eff为FBG的纤芯有效折射率;Λ为光栅栅距。

应变和温度是直接影响FBG中心波长的物理量，且应变和温度变化引起的FBG中心波长偏移是相互独立的，应变和温度与FBG中心波长偏移之间的关系［10］可表示为

其中:λ为FBG的初始中心波长;Δλ为中心波长偏移量;ε为整个光栅段的轴向应变;P e为FBG的有效弹光系数;α为FBG的热膨胀系数;ξ为FBG的热光系数;ΔT为温度变化量。

可以看出，应变和温度对波长的作用可以线性叠加［11］。取

则FBG的中心波长偏移可简化为

其中:k1为FBG的应变敏感系数;k2为FBG的温度敏感系数。

对于λ=1 550 nm的常用 FBG，k1的取值为1.2 pm/με［12］。

2 实验过程

2.1 FBG钢筋腐蚀传感器的工作原理

钢筋腐蚀后体积变大，通常情况下钢筋的锈胀系数取2～6［13］。将FBG在钢筋件表面紧密缠绕数圈，保持FBG处于张拉状态;温度补偿用FBG位于钢筋件的轴向通孔内，保持其处于松弛状态，如图1所示。当钢筋件腐蚀膨胀时，FBG产生拉应变，进而引起中心波长偏移。由于FBG对应变和温度同时敏感，需在FBG钢筋腐蚀传感器内设置温度补偿器，用于温度补偿的FBG始终处于松弛状态，只受温度影响。实验采用FBG-SMF型号的光纤布拉格光栅，使用MOI公司生产的分辨率为1pm的SM130光纤光栅解调仪实时采集反射波长。

图1 传感器的基本结构
Fig.1 Basic structure of the sensor

2.2 FBG钢筋腐蚀传感器的制作

FBG钢筋腐蚀传感器的制作过程如下:a.以实际工程中所用结构钢筋为原材料加工钢筋件，钢筋件的直径为20 mm，高度为30 mm，在钢筋件的通槽内灌注环氧树脂;b.将FBG-1在钢筋件表面的环形槽内紧密缠绕4圈，保持一定拉力的情况下依次将FBG-1的两端固定于固化的环氧树脂上;c.将FBG-2封装在毛细金属管中，起到增敏的作用［14］，并使FBG-2始终处于松弛状态;d.将封装好的温度补偿传感器放置在钢筋件的轴向通孔中，轴向通孔密封防止毛细金属管腐蚀;e.用铠装光缆将FBG的尾纤引出，并将导线固定于钢筋件的盲孔。制作好的FBG钢筋腐蚀传感器如图2所示。

图2 传感器的实物图
Fig.2 The packaged FBG steel corrosion sensor

2.3 FBG温度敏感系数的标定

为了标定FBG的温度敏感系数，笔者将FBG钢筋腐蚀传感器放入温控箱中，依次设定恒温箱的温度为25，35和45℃，每个温度值恒温30 min后使用SM130光纤光栅解调仪采集两个FBG的中心波长，结果如表 1 所示。T，λ1，λ2，kT1和 kT2分别代表温度、FBG-1波长、FBG-2波长、FBG-1温度敏感系数和FBG-2温度敏感系数。

表1 FBG的温度敏感系数
Tab.1 Temperature sensibility coefficient of the FBG

2.4 FBG钢筋腐蚀传感器的封装

为了保护传感器，提高成活率，将FBG钢筋腐蚀传感器封装在水泥砂浆中，砂浆的配合比为水泥 ∶砂 ∶水 =1 ∶1.57 ∶0.37，砂浆件的直径为45 mm，高为60 mm，如图3(a)所示。为了确保钢筋件的保护层厚度，模拟实际工程中钢筋的腐蚀环境，将砂浆件封装在尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件中，混凝土的配合比为水泥∶砂 ∶石子 ∶水=1 ∶1.57 ∶2.46 ∶0.37，混凝土的极限强度为30 MPa，如图3(b)所示。封装完成后，将混凝土试件在标准养护条件下养护23天。

图3 传感器的封装
Fig.3 The corrosion sensor package

2.5 电化学加速腐蚀实验

为了研究FBG钢筋腐蚀传感器的工作性能，建立了如图4所示的实验装置。在该系统中，钢筋件为阳极，碳棒为阴极，电解液为5%的氯化钠溶液。恒定电流为20 mA，采用SM130光纤光栅解调系统实时采集FBG中心波长，采集频率为1 Hz。

图4 实验装置
Fig.4 Experimental equipment

3 实验结果

3.1 试件的损伤程度

对试件通电直到FBG中心波长不再上升，持续通电190.5h后实验结束。实验结束后发现混凝土试件底面以及侧面有明显的贯通裂缝，且裂缝周围锈迹明显，说明钢筋件已经锈蚀严重，如图5所示。

图5 混凝土试件上的裂缝
Fig.5 Cracks on concrete specimen

破开混凝土试件后发现铁锈已经渗透到裂缝中，且钢筋件与FBG线圈之间充满了铁锈，FBG能够感应到锈胀作用，如图6所示。取出钢筋件后发现FBG固定点依然牢固，钢筋件腐蚀也比较均匀。

图6 钢筋件的腐蚀程度
Fig.6 Corrosion of reinforcement

3.2 腐蚀率计算公式的推导

钢筋件腐蚀越严重体积膨胀越大，钢筋件表面的FBG拉应变也越大，笔者根据FBG的中心波长偏移反向估算钢筋件的质量腐蚀率。为便于公式推导，假设:a.钢筋件腐蚀均匀，横截面始终保持为圆形截面;b.铁锈没有流失，始终位于FBG线圈内侧;c.忽略 FBG的直径大小;d.钢筋件的初始直径为D0，腐蚀后锈层外侧直径为D1，清洗掉锈层后钢筋件的净直径为D2，钢筋的密度为ρ，钢筋的锈胀系数为η，FBG缠绕圈数为n。钢筋件的质量腐蚀率计算公式的推导过程如下。

钢筋件表面的FBG中心波长漂移为

用于温度补偿的FBG中心波长漂移为

由式(6)、式(7)可得钢筋表面的FBG拉应变与中心波长之间的关系为

钢筋件的质量腐蚀率为

钢筋件表面的FBG拉应变为

钢筋的锈胀系数与钢筋直径之间的关系为

将式(10)、式(11)带入式(9)，化简得

通过式(8)和式(12)就可以估算钢筋件的质量腐蚀率。加速腐蚀条件下铁锈氧化不充分，钢筋的锈胀系数较小，这里假设 η 恒为 1.19［15］，则可以计算得到钢筋件的质量腐蚀率，如图7所示。

图7 钢筋件的质量腐蚀率
Fig.7 Mass loss rate of reinforcement

从图7可以看出:钢筋件的腐蚀率在0～30 h内上升至0.7%左右，说明该传感器能够监测早期钢筋腐蚀，具有较高的灵敏度;在30～140 h内钢筋件的质量腐蚀率上升缓慢是因为钢筋周围的混凝土保护层出现内部裂缝，部分铁锈不断进入到裂缝中，通过该传感器能够估算保护层开始开裂的时间;当保护层出现贯通裂缝，电解液和空气直接到达钢筋表面，钢筋件的腐蚀速率将大大加快，铁锈产生的速率将大大超过溢出FBG线圈的速率，中心波长开始快速上升;当通电180 h左右时，FBG中心波长出现短暂波动后迅速下降，且混凝土试件的裂缝周围出现大量铁锈，说明保护层出现较大的裂缝。传感器测得的最大质量腐蚀率约为5%，由于部分铁锈溢出FBG线圈，所以可以推测钢筋件的实际腐蚀率要大于5%，传感器的测量范围也较大。

4 结束语

通过实验结果可知，该传感器除了具有FBG的优点外，还具有以下优点:a.实现了温度自补偿，且温度补偿器位于钢筋件内部，受到很好的保护;b.体积小，结构简单，对被测结构的影响较小;c.由于FBG直接与钢筋件紧密接触，传感器具有较高的灵敏度，能够有效监测混凝土中钢筋的早期腐蚀;d.得益于滤纸和水泥砂浆的保护，传感器的成活率大大提高，能够直接用于粗放的实际工程当中;e.由于混凝土开裂前后FBG的波长变化率不同，通过该传感器能够估算混凝土保护层开裂的时间;f.传感器的测量范围大于5%，足以满足工程需求。后续工作主要是优化传感器的结构，减少混凝土保护层开裂后的铁锈流失，提高后期传感器测量结果的准确度，以及开发一套自动监测和预警系统。