技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于鋼筋銹蝕監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖傳感監(jiān)測鋼筋銹蝕方法，利用光纖傳感監(jiān)測裝置實時監(jiān)測來評定混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀況。

背景技術(shù)：
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在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的銹蝕是影響建筑工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性的重要因素之一；鋼筋銹蝕時，體積發(fā)生膨脹，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力下降，混凝土保護層剝落，進而導致建筑結(jié)構(gòu)強度降低，鋼筋銹蝕發(fā)生在建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，肉眼很難察覺，對于鋼筋銹蝕引發(fā)的輕度損壞的建筑物，對其進行修補時，存在工作量大、造價高和效益差的問題，當建筑物的破壞較嚴重時，將對人們的生命和財產(chǎn)安全帶來不可估量的損失；所以，監(jiān)測混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀態(tài)并掌握建筑物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況十分有必要，以便在建筑物發(fā)生損壞之前進行預警，將損失降到最低。目前，鋼筋銹蝕的監(jiān)測方法分為物理方法和化學方法，常用的物理法有電阻探針法和光纖傳感法，前者采用一個與結(jié)構(gòu)鋼筋材質(zhì)相同的探針，將探針埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中，根據(jù)實時監(jiān)測探針電阻的變化來推斷鋼筋銹蝕的速率和銹蝕的程度，后者是的監(jiān)測原理是，鋼筋生銹后，鋼筋表面膨脹產(chǎn)生膨脹應力，光纖受應力影響產(chǎn)生應變，光在光纖中傳播的相位、頻率、波長和偏振發(fā)生改變，光纖傳感器耐銹蝕和抗干擾能力強，耐久性好，并且能夠進行空間連續(xù)性監(jiān)測，缺點是光纖傳感技術(shù)工藝要求高，造價高昂；化學法有半電池電位法、交流阻抗方法和線性極化法，半電池電位法的原理是鋼筋發(fā)生銹蝕時，其陽極區(qū)和陰極區(qū)存在電位差，通過所測得的電流和電壓值評定鋼筋銹蝕程度，交流阻抗法是對目標建筑結(jié)構(gòu)發(fā)出一段微小電流，測量目標建筑結(jié)構(gòu)對微小電流的反應，然后對所測量到的交變電流譜進行分析，這種動態(tài)的測量方法所使用的測量儀器非常昂貴，且受外界影響較大，后期數(shù)據(jù)處理程序繁瑣，得不到推廣使用；中國專利201310204720.5公開的鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋腐蝕的光纖光柵檢測裝置包括若干個與工程所用鋼筋材質(zhì)相同的鋼筋棒、與鋼筋棒數(shù)量相同的光纖光柵、基座、溫度傳感器、終端測試盒和檢測儀，光纖光柵固定在鋼筋棒上，鋼筋棒固定在基座上，光纖光柵通過電纜與終端測試盒連接，終端測試盒與檢測儀連接，溫度傳感器固定在基座上，其沒有設置溫度補償光柵，沒有考慮溫度對波長漂移的影響，且光纖光柵粘貼在與混凝土直接接觸的弧形鋼筋上，使用壽命大大縮短；中國專利201220615624.0公開的一種混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置包括光纖光柵應變傳感器、信號處理單元、不銹鋼斜面支架、至少三只光纖光柵應變傳感器及導線，光纖光柵應變傳感器依次布設在斜面支架的斜面上，各光纖光柵應變傳感器采集所得信號經(jīng)由導線傳送至信號處理單元，光纖光柵應變傳感器測定混凝土保護層中由于鋼筋銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的銹脹力引起的拉應變，推導出鋼筋銹蝕速率及鋼筋銹蝕初始腐蝕時間，以實現(xiàn)間接的監(jiān)測鋼筋銹蝕狀況，其裝置在澆筑混凝土過程中易受損壞；中國專利201120123546.8公開的一種對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕情況進行監(jiān)測的嵌入式鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)包括由單陽極、單陰極和pvc管組成的傳感器，支架以及導線，單陽極和單陰極交替連接，pvc管設置在單陽極和單陰極之間，單陽極和單陰極均與導線相連，支架與傳感器和導線相連一種基于半電池電位原理的裝置，其分四層，每一層含有4個陰極和4個陽極，總共需要引出32根導線，結(jié)構(gòu)復雜、引線過多、需測數(shù)據(jù)較多。因此，研發(fā)設計一種易于操作的光纖傳感監(jiān)測鋼筋銹蝕方法，實時監(jiān)測和評定混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀況，很有社會和經(jīng)濟效益，應用前景廣闊。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，研發(fā)設計一種光纖傳感監(jiān)測鋼筋銹蝕方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、抗干擾能力強、技術(shù)原理科學可靠等優(yōu)勢，能夠?qū)崟r精確監(jiān)測和評定混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀況。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的光纖傳感監(jiān)測鋼筋銹蝕方法的工藝過程包括制備光纖傳感監(jiān)測裝置和監(jiān)測鋼筋銹蝕狀況兩個步驟：

(1)、制備光纖傳感監(jiān)測裝置包括制備套筒、制備傳感器、制備階段元和制備監(jiān)測裝置四個步驟：

①、制備套筒：采用常規(guī)的沖壓工藝、壓力機和模具制備圓柱形結(jié)構(gòu)的套筒，套筒的主體結(jié)構(gòu)包括外圓周、內(nèi)圓臺、筒底、圓周孔和筒底孔，套筒的外圍為外圓周，套筒的內(nèi)部中心處為內(nèi)圓臺，外圓周的高度大于內(nèi)圓臺的高度，外圓周的厚度小于內(nèi)圓臺的厚度，外圓周與內(nèi)圓臺之間的圓環(huán)為筒底，外圓周上開設有圓形結(jié)構(gòu)的圓周孔，筒底上開設有圓形結(jié)構(gòu)的筒底孔，圓周孔與筒底孔之間的水平夾角為180°，圓周孔的直徑與筒底孔的直徑相同；

②、制備傳感器：首先選取內(nèi)空式結(jié)構(gòu)的大鋼管和小鋼管，對大鋼管和小鋼管的外壁分別進行打磨，確保大鋼管和小鋼管的外壁沒有任何銹蝕，并用脫脂棉球蘸無水酒精將大鋼管和小鋼管的外壁打磨處擦洗干凈,防止打磨的碎屑污染大鋼管和小鋼管的外壁，再在大鋼管的外壁上粘貼應變測量光柵，在小鋼管的外壁上粘貼溫度補償光柵，應變測量光柵和溫度補償光柵分別與傳輸電纜連接，然后將小鋼管套入大鋼管中卡接在2個套筒之間，應變測量光柵的傳輸電纜穿過圓周孔伸出其中1個套筒，溫度補償光柵的傳輸電纜穿過筒底孔伸出另外1個套筒，最后用環(huán)氧樹脂膠將2個圓周孔和2個筒底孔密封，完成傳感器的制備，大鋼管的外壁直徑比外圓周的內(nèi)壁直徑小1mm，小鋼管的內(nèi)壁直徑比內(nèi)圓臺的外壁直徑大1mm，外圓周的內(nèi)壁和內(nèi)圓臺的外壁均涂覆有膠水，以使大鋼管的外壁緊貼外圓周的內(nèi)壁，小鋼管的內(nèi)壁緊貼內(nèi)圓臺的外壁，達到固定和密封的效果；

③、制備階段元：將步驟②制作的傳感器套設在圓形結(jié)構(gòu)的鋼模板中，鋼模板的直徑大于套筒的直徑，在套筒與鋼模板之間的空隙中澆筑砂漿后在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28天，拆除鋼模板，砂漿形成防護層，完成階段元的制備；同時制備5根結(jié)構(gòu)和尺寸均相同的階段元；

④、制備監(jiān)測裝置：首先制作2根矩形結(jié)構(gòu)的連接件，在連接件的右側(cè)面等間距開設5個連接孔，在連接件的左側(cè)面開設u形槽，連接件的一端設置有電纜管，連通孔和電纜管分別與u形槽連通，連接件的另一端設置有開設螺栓孔的連接臺，再在管狀結(jié)構(gòu)的固定棒上開設2個通孔，然后將5根階段元按照相同的方向卡接入連接孔中，階段元伸入連接孔的水平距離為3-5mm，傳輸電纜在u形槽中集合并穿過電纜管，用環(huán)氧樹脂膠密封u形槽，使用螺栓通過螺栓孔和通孔將連接件與固定棒連接，完成監(jiān)測裝置的制備，得到光纖傳感監(jiān)測裝置，連接孔的直徑比防護層的外壁直徑大1mm，以使階段元與連接件緊密接觸并固定連接；

(2)、監(jiān)測鋼筋銹蝕狀況：首先將步驟(1)制備的光纖傳感監(jiān)測裝置的固定棒與待測鋼筋綁扎連接，將傳輸電纜與外部信號解調(diào)單元，然后澆筑混凝土；根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的厚度選取連接件與階段元構(gòu)成的框架的傾斜度，其傾斜度能夠通過螺栓的長度調(diào)節(jié)；監(jiān)測過程中，當大鋼管與應變測量光柵之間或小鋼管與溫度補償光柵之間產(chǎn)生擠壓應力時,應變測量光柵或溫度補償光柵的波長在擠壓應力的作用下產(chǎn)生漂移，傳輸電纜將波長的漂移數(shù)據(jù)傳輸至外部信號解調(diào)單元，外部信號解調(diào)單元根據(jù)波長的漂移數(shù)據(jù)判斷銹蝕界面與被測鋼筋的距離和不同垂直高度的階段元的銹蝕狀況，光纖傳感監(jiān)測裝置中垂直高度最低的階段元與待測鋼筋處于同一水平位置，保護層厚度相同，此階段元的銹蝕狀況代表待測鋼筋的銹蝕狀況，工作人員根據(jù)待測鋼筋的銹蝕狀況作出對應的補救措施。

本發(fā)明涉及的套筒的材質(zhì)為塑料；大鋼管和小鋼管的長度相同，均為100-200mm，大鋼管的直徑大于小鋼管的直徑，大鋼管和小鋼管均為薄壁鋼管，薄壁鋼管厚度較薄，對銹蝕敏感，在混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)生銹蝕時,薄壁鋼管體積膨脹，薄壁鋼管與其接觸的應變測量光柵或溫度補償光柵之間產(chǎn)生擠壓應力；應變測量光柵用于測量由于應力變化和環(huán)境溫度變化引起的應變，溫度補償光柵用于測量由于環(huán)境溫度引起的應變，應變測量光柵的波長漂移量減去溫度補償光柵的波長漂移量就是待測鋼筋由于應力變化引發(fā)的波長漂移量，根據(jù)待測鋼筋的波長漂移量能夠分析和判斷待測鋼筋的銹蝕狀況；應變測量光柵的波長λb與應變測量光柵的有效折射率neff和光纖周期λ正相關(guān)：λb＝2neff×λ；溫度補償光柵的波長δλb與應變靈敏度系數(shù)aε、應變ε、溫度靈敏度系數(shù)at和溫度變化量δt正相關(guān)：δλb＝aε×ε+at×δt；連接件的材質(zhì)為aisi316型不銹鋼；u形槽封閉后能夠防止其中的傳輸電纜在澆筑混凝土時受到損壞；固定棒的材質(zhì)為不銹鋼。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用應變測量光柵和溫度補償光柵布設在同一階梯元的方式，補償了環(huán)境溫度變化引發(fā)的波長漂移，將光纖傳感監(jiān)測裝置與被測鋼筋同時澆筑在混凝土結(jié)構(gòu)中，避免了外界干擾和對應變片的損壞，提高了監(jiān)測結(jié)果的準確性，延長了使用壽命，階梯式的光纖傳感監(jiān)測裝置能夠監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中不同深度的鋼筋銹蝕情況，通過分析不同深度的鋼筋銹蝕時間和銹蝕程度，掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中待測鋼筋的銹蝕時間和銹蝕程度，通過選取不同長度的螺栓控制光纖傳感監(jiān)測裝置的傾斜度，使其在不同保護層厚度的混凝土結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)鋼筋銹蝕的實時和長期在線監(jiān)測，增加了適用范圍；其原理科學可靠，監(jiān)測簡便，監(jiān)測結(jié)果準確可靠。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明涉及的套筒的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明涉及的套筒的剖面結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖3為本發(fā)明涉及的傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖4為本發(fā)明涉及的階段元的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖5為本發(fā)明涉及的監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖6為本發(fā)明涉及的光纖傳感監(jiān)測裝置的使用狀態(tài)示意圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例：

本實施例涉及的光纖傳感監(jiān)測鋼筋銹蝕方法的工藝過程包括制備光纖傳感監(jiān)測裝置和監(jiān)測鋼筋銹蝕狀況兩個步驟：

(1)、制備光纖傳感監(jiān)測裝置包括制備套筒、制備傳感器、制備階段元和制備監(jiān)測裝置四個步驟：

①、制備套筒：采用常規(guī)的沖壓工藝、壓力機和模具制備圓柱形結(jié)構(gòu)的套筒1；所述套筒1見圖1，套筒1的主體結(jié)構(gòu)包括外圓周101，內(nèi)圓臺102，筒底103，圓周孔104和筒底孔105，套筒1的外圍為外圓周101，套筒1的內(nèi)部中心處為內(nèi)圓臺102，外圓周101的高度大于內(nèi)圓臺102的高度，外圓周101的厚度小于內(nèi)圓臺102的厚度，外圓周101與內(nèi)圓臺102之間的圓環(huán)為筒底103，外圓周101上開設有圓形結(jié)構(gòu)的圓周孔104，筒底103上開設有圓形結(jié)構(gòu)的筒底孔105，圓周孔104與筒底孔105之間的水平夾角為180°，圓周孔104的直徑與筒底孔105的直徑相同，套筒1的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示；

②、制備傳感器：首先選取內(nèi)空式結(jié)構(gòu)的大鋼管2和小鋼管3，對大鋼管2和小鋼管3的外壁分別進行打磨，確保大鋼管2和小鋼管3的外壁沒有任何銹蝕，并用脫脂棉球蘸無水酒精將大鋼管2和小鋼管3的外壁打磨處擦洗干凈,防止打磨的碎屑污染大鋼管2和小鋼管3的外壁，再在大鋼管2的外壁上粘貼應變測量光柵4，在小鋼管3的外壁上粘貼溫度補償光柵5，應變測量光柵4和溫度補償光柵5分別與傳輸電纜6連接，然后將小鋼管3套入大鋼管2中卡接在2個套筒1之間，應變測量光柵4的傳輸電纜6穿過圓周孔104伸出其中1個套筒1，溫度補償光柵5的傳輸電纜6穿過筒底孔105伸出另外1個套筒1，最后用環(huán)氧樹脂膠將2個圓周孔104和2個筒底孔105密封，完成傳感器的制備；所述傳感器見圖3，大鋼管2的外壁直徑比外圓周101的內(nèi)壁直徑小1mm，小鋼管3的內(nèi)壁直徑比內(nèi)圓臺102的外壁直徑大1mm，外圓周101的內(nèi)壁和內(nèi)圓臺102的外壁均涂覆有膠水，以使大鋼管2的外壁緊貼外圓周101的內(nèi)壁，小鋼管3的內(nèi)壁緊貼內(nèi)圓臺102的外壁，達到固定和密封的效果；

③、制備階段元：將步驟②制作的傳感器套設在圓形結(jié)構(gòu)的鋼模板中，鋼模板的直徑大于套筒1的直徑，在套筒1與鋼模板之間的空隙中澆筑砂漿后在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28天，拆除鋼模板，砂漿形成防護層7，完成階段元的制備；同時制備5根結(jié)構(gòu)和尺寸均相同的階段元，所述階段元見圖4；

④、制備監(jiān)測裝置：首先制作2根矩形結(jié)構(gòu)的連接件8，在連接件8的右側(cè)面等間距開設5個連接孔9，在連接件8的左側(cè)面開設u形槽10，連接件8的一端設置有電纜管11，連通孔9和電纜管11分別與u形槽10連通，連接件8的另一端設置有開設螺栓孔12的連接臺13，再在管狀結(jié)構(gòu)的固定棒14上開設2個通孔15，然后將5根階段元按照相同的方向卡接入連接孔9中，階段元伸入連接孔9的水平距離為3-5mm，傳輸電纜6在u形槽10中集合并穿過電纜管11，用環(huán)氧樹脂膠密封u形槽10，使用螺栓16通過螺栓孔12和通孔15將連接件8與固定棒14連接，完成監(jiān)測裝置的制備，得到光纖傳感監(jiān)測裝置；所述光纖傳感監(jiān)測裝置見圖5，連接孔9的直徑比防護層7的外壁直徑大1mm，以使階段元與連接件8緊密接觸并固定連接；

(2)、監(jiān)測鋼筋銹蝕狀況：首先將步驟(1)制備的光纖傳感監(jiān)測裝置的固定棒14與待測鋼筋綁扎連接，將傳輸電纜6與外部信號解調(diào)單元，然后澆筑混凝土；根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的厚度選取連接件1與階段元7構(gòu)成的框架的傾斜度，其傾斜度能夠通過螺栓9的長度調(diào)節(jié)；監(jiān)測過程中，當大鋼管2與應變測量光柵4之間或小鋼管3與溫度補償光柵5之間產(chǎn)生擠壓應力時,應變測量光柵4或溫度補償光柵5的波長在擠壓應力的作用下產(chǎn)生漂移，傳輸電纜6將波長的漂移數(shù)據(jù)傳輸至外部信號解調(diào)單元，外部信號解調(diào)單元根據(jù)波長的漂移數(shù)據(jù)判斷銹蝕界面與被測鋼筋的距離和不同垂直高度的階段元的銹蝕狀況，光纖傳感監(jiān)測裝置中垂直高度最低的階段元與待測鋼筋處于同一水平位置，保護層厚度相同，此階段元的銹蝕狀況代表待測鋼筋的銹蝕狀況，工作人員根據(jù)待測鋼筋的銹蝕狀況作出對應的補救措施。

本實施例涉及的套筒1的材質(zhì)為塑料；大鋼管2和小鋼管3的長度相同，均為100-200mm，大鋼管2的直徑大于小鋼管3的直徑，大鋼管2和小鋼管3均為薄壁鋼管，薄壁鋼管厚度較薄，對銹蝕敏感，在混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)生銹蝕時,薄壁鋼管體積膨脹，薄壁鋼管與其接觸的應變測量光柵4或溫度補償光柵5之間產(chǎn)生擠壓應力；應變測量光柵4用于測量由于應力變化和環(huán)境溫度變化引起的應變，溫度補償光柵5用于測量由于環(huán)境溫度引起的應變，應變測量光柵4的波長漂移量減去溫度補償光柵5的波長漂移量就是待測鋼筋由于應力變化引發(fā)的波長漂移量，根據(jù)待測鋼筋的波長漂移量能夠分析和判斷待測鋼筋的銹蝕狀況；應變測量光柵4的波長λb與應變測量光柵4的有效折射率neff和光纖周期λ正相關(guān)：λb＝2neff×λ；溫度補償光柵5的波長δλb與應變靈敏度系數(shù)aε、應變ε、溫度靈敏度系數(shù)at和溫度變化量δt正相關(guān)：δλb＝aε×ε+at×δt；連接件8的材質(zhì)為aisi(美國鋼鐵學會標準)316型不銹鋼；u形槽10封閉后能夠防止其中的傳輸電纜6在澆筑混凝土時受到損壞；固定棒14的材質(zhì)為不銹鋼。