光纖光柵機(jī)敏混凝土的研究

摘　要：結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新型光纖光柵機(jī)敏混凝土原理，并對(duì)該原理和特性進(jìn)行了分析，闡明了實(shí)現(xiàn)光纖光柵機(jī)敏混凝土原理和系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和方法，并通過原理性實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。光纖光柵機(jī)敏混凝土在結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)和損傷診斷方面具有良好的前景。

關(guān)鍵詞　機(jī)敏混凝土　光纖光柵　智能材料

　　混凝土作為土建結(jié)構(gòu)的主體材料和保護(hù)層材料，它的機(jī)敏性在土木工程領(lǐng)域有著巨大的需求和應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的機(jī)敏混凝土從它的組成來(lái)看，其傳感元件大部分都是以電學(xué)量為輸出量；而孔又是混凝土微結(jié)構(gòu)的重要組成之一，滲透是孔的基本特性和天然的不足，水或其它腐蝕物質(zhì)進(jìn)入孔內(nèi)，必將對(duì)混凝土的傳感元件產(chǎn)生破壞作用， 直接影響到傳感元件的準(zhǔn)確度、靈敏度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。另一方面，上述機(jī)敏混凝土從功能分析， 其傳感元件能對(duì)混凝土材料的整體狀態(tài)進(jìn)入定性的判斷，而無(wú)法對(duì)混凝土材料內(nèi)部空間復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、損傷的位置、程度、大小做出判斷。因此，機(jī)敏混凝土的傳感組元有待更新，從而提高混凝土材料的機(jī)敏性。

      光纖光柵傳感技術(shù)是先進(jìn)傳感技術(shù)發(fā)展的新階段[1～3]，其最大的特點(diǎn)是:對(duì)環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度高，能進(jìn)行絕對(duì)數(shù)字式的測(cè)量和精確定位，為機(jī)敏混凝土的發(fā)展提供了良好的技術(shù)手段。

1 　光纖光柵機(jī)敏混凝土的原理

1. 1 　光纖光柵傳感的基本原理[4 ]

      光纖Bragg 光柵傳感技術(shù)是通過對(duì)在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射Bragg 波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對(duì)測(cè)量， 其傳感原理如圖1 所示。而光纖Bragg 光柵的反射或透射波長(zhǎng)光譜主要取決于光柵周期Λ 和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這2 個(gè)參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg 波長(zhǎng)的漂移，即有：

λB = 2 neff·ΔΛ (1)

      在所有引起光柵Bragg 波長(zhǎng)漂移的外界因素中， 最直接的為應(yīng)變參量，因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是壓縮，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期Λ 的變化，并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率neff 也隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，這為采用光纖Bragg 光柵制成光纖光柵應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理特性。應(yīng)力應(yīng)變引起光柵Bragg 波長(zhǎng)漂移可以由下式描述：

ΔλBε=λB (1 - Pe) Δε= kεΔε (2)

式中：Pe 為光纖的彈光系數(shù)； kε 為測(cè)量應(yīng)變的靈敏度，由于溫度變化而引起的Bragg 波長(zhǎng)變化量。

ΔλB T = KTΔT = (α+ξ) ΔT (3)

式中：α為FBG 的線脹系數(shù)，ξ為FBG 的熱光系數(shù)。

      由式(2) 可知:基于此原理的光纖Bragg 光柵應(yīng)變傳感器是以光的波長(zhǎng)為最小計(jì)量單位，而目前對(duì)光纖Bragg 光柵Bragg 波長(zhǎng)移動(dòng)的探測(cè)達(dá)到了Pm 量級(jí)的高分辨率，因而具有測(cè)量靈敏度高的特點(diǎn)；而且只需要探測(cè)到光纖中光柵波長(zhǎng)分布圖中波峰的準(zhǔn)確位置，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，對(duì)光強(qiáng)的波動(dòng)不敏感，比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力。由于拉、壓應(yīng)力都能對(duì)其產(chǎn)生Bragg 波長(zhǎng)的變化，因此該傳感器在結(jié)構(gòu)檢測(cè)中具有優(yōu)異的變形匹配特性，其動(dòng)態(tài)范圍大(達(dá)10000με) 、線性度好。另一方面，在應(yīng)變測(cè)量中，為了克服溫度對(duì)測(cè)量的影響，由公式(3) 可以看出，測(cè)量系統(tǒng)可采用同種溫度環(huán)境下的光纖Bragg 光柵溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行克服。

一根光纖上準(zhǔn)分布的多個(gè)光纖Bragg 光柵，可通過不同光纖Bragg 光柵的反射光波長(zhǎng)(λ1， .λn)， 與待測(cè)結(jié)構(gòu)沿程各測(cè)量點(diǎn)(1， .n) 相對(duì)應(yīng)，分別感受待測(cè)結(jié)構(gòu)沿線分布各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變，使其反射光的波長(zhǎng)發(fā)生改變，改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳出；通過光纖Bragg 光柵解調(diào)器探測(cè)其波長(zhǎng)改變量的大小，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由二次儀表算出待測(cè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變的大小及在整個(gè)結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)。

1. 2 　光纖光柵機(jī)敏混凝土的原理

      國(guó)內(nèi)外研究和工程實(shí)踐表明[1～3 ]，作為一類適用于惡劣環(huán)境(高溫、高壓、強(qiáng)化學(xué)氣氛等) 和強(qiáng)環(huán)境干擾(風(fēng)、雨、霜、電等) 應(yīng)用的新型高精度應(yīng)變、溫度傳感技術(shù)，它為具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性和精確度的機(jī)敏混凝土的開發(fā)提供了理想的集感知和傳輸為一體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

      本文提出的光纖光柵機(jī)敏混凝土的基本構(gòu)成是：先將線陣、面陣或體陣的光纖光柵陣列埋置于起保護(hù)作用的預(yù)制件中，再將預(yù)制件作為傳感組元埋置于混凝土中，通過對(duì)混凝土內(nèi)部三維應(yīng)變、溫度、損傷的感知，實(shí)現(xiàn)光纖光柵機(jī)敏混凝土所具有的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高精度的自診斷功能?；炷凉袒?，埋入光纖光柵預(yù)制件和混凝土構(gòu)件成為一個(gè)整體。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)自身或者載荷引起的混凝土內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的變化就能使光纖光柵產(chǎn)生反射的波長(zhǎng)位移信號(hào)的輸出，通過線陣、面陣或者體陣的光纖光柵恰當(dāng)布置，就能反映出混凝土在埋入位置的空間力學(xué)狀態(tài)、溫度和損傷，而且通過一定的傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和預(yù)制桿件的埋設(shè)，就能對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)、溫度狀態(tài)和損傷狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)。

2 　光纖光柵機(jī)敏混凝土的關(guān)鍵技術(shù)

      光纖光柵傳感技術(shù)作為一種先進(jìn)的技術(shù)，為發(fā)展光纖光柵機(jī)敏混凝土提供了良好的技術(shù)手段。本文研究表明:采用先進(jìn)的光纖光柵傳感技術(shù)與混凝土復(fù)合，研制新型機(jī)敏混凝土，必須解決以下關(guān)鍵問題。

2. 1 　光纖Bragg 光柵與混凝土結(jié)構(gòu)之間的變形匹配問題

      假定光纖光柵包裹層與混凝土之間能實(shí)現(xiàn)完好的粘貼，影響光纖傳感測(cè)量的參數(shù)便是光纖的埋沒方向、荷載及其混凝土包裹后光纖區(qū)域的力學(xué)性能?，F(xiàn)考察2個(gè)理想狀態(tài)，即光纖光柵平行于荷載方向和光纖光柵垂直于荷載方向，這將分別引起光纖光柵的軸向和法向變形。有關(guān)研究表明[5 ] :當(dāng)光纖平行于荷載的情況下，要實(shí)現(xiàn)光纖埋設(shè)區(qū)域材料的應(yīng)變值的測(cè)量，光纖光柵的最小度長(zhǎng)近似為光纖直徑的20 倍。當(dāng)光纖光柵埋沒方向與荷載方向垂直，則有：

      由于E包裹層≈ E光纖， 故ε光纖必須大于ε混凝土。因此從光纖光柵傳感的可靠性來(lái)說， 光纖光柵的長(zhǎng)度是一個(gè)最重要的因素，為此設(shè)計(jì)光纖光柵機(jī)敏混凝土?xí)r，應(yīng)注意荷載方向，解決傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)變形的匹配問題，很好實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖的保護(hù)。

2. 2 　光纖光柵預(yù)制桿與混凝土的相容性

      光纖光柵傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用的主要難點(diǎn)之一是把光纖埋入養(yǎng)護(hù)的混凝土中?；炷林杏?0 %左右的空間被石材和其它材料充填， 它們對(duì)光纖光柵布置存在很多干擾，且在混凝土填筑振搗和鏟平過程中光纖光柵將受到外力損傷。光纖光柵的這種惡劣應(yīng)用環(huán)境，促使了預(yù)制光纖光柵傳感桿以對(duì)光纖光柵進(jìn)行適宜的保護(hù)。但這種埋置方式，將直接影響其使用效果，為此本文進(jìn)行研究。

      光纖光柵的彈性模量、泊松比和線脹系數(shù)與混凝土的不一致，則會(huì)使光纖光柵所在處的混凝土產(chǎn)生應(yīng)力集中，有關(guān)研究表明[6 ] :彈性模量的不一致是產(chǎn)生應(yīng)力集中的最主要因素，有必要進(jìn)一步分析。有關(guān)試驗(yàn)研究表明[6 ] :圓柱體預(yù)制桿比其它形體預(yù)制件與混凝土有較好相容性。因此， 假定埋入混凝土的光纖傳感器是一個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)，半徑為R 的圓柱體，彈性模量為E0，混凝土是完全勻質(zhì)的彈性體，彈性模量為EC，泊松比為μ，且為無(wú)限體，光纖光柵的應(yīng)力、應(yīng)變可表示為:

σ0 =σc (1 + Cs) (5)

ε0 =εc (1 + Cs) (6)

式中: Cs 為應(yīng)力集中系數(shù)； Ce 為應(yīng)變集中系數(shù)；ε0 為光纖光柵傳感器應(yīng)變；σ0 為光纖光柵傳感應(yīng)力；εc 為混凝土應(yīng)變；σc 為混凝土應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)， 則當(dāng)L > π(1 - μ2c ) R 時(shí)， 推導(dǎo)出:

由式(5) 和式(6) 可以看出：

(1) 當(dāng)E0/ Ec 值一定時(shí)， Cs 將隨L/ R 值的減小而減小， Ce 將隨L/ R 值的增大而減小，若光纖光柵進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，應(yīng)考慮L/ R 的值大一些，一般L/ R 為10～40，光纖光柵大多能較好地測(cè)量應(yīng)變。

(2) 當(dāng)L/ R 值一定時(shí)， Ce 在E0/ Ec 值較小時(shí)才較小，因此，光纖光柵的彈性模量略小于混凝土的彈性模量，可獲得較小的應(yīng)力集中和系數(shù)。綜上所述，調(diào)節(jié)預(yù)制桿的幾何尺寸、彈性模量、是能夠保證應(yīng)力、應(yīng)變的較有效傳遞。圖3 為光纖光柵預(yù)制桿。

      為了使預(yù)制桿與混凝土結(jié)合面產(chǎn)生有效地粘結(jié)，增加結(jié)合面的抗剪特性，保證應(yīng)力、應(yīng)變向預(yù)制桿有效傳遞，光纖光柵預(yù)制桿表面特征同樣起著重要作用，它對(duì)保證二者之間的粘結(jié)是至關(guān)重要的。為此，傳感器預(yù)制桿表面制作了特定的幾何形狀，其優(yōu)點(diǎn)： (1) 使預(yù)制桿表面和混凝土表面產(chǎn)生相互的嚙合； (2) 可利用水泥的離析而在預(yù)制表面形成光滑、致密無(wú)氣孔的水泥界面，保證應(yīng)力、應(yīng)變向預(yù)制桿的有效傳遞。

2. 3 　預(yù)制桿與光纖光柵的相容性

     預(yù)制桿在整個(gè)傳感系統(tǒng)中起著中介的作用， 其技術(shù)難點(diǎn)在于：一方面，如上文(2) 內(nèi)容所述，預(yù)制桿的彈性模量應(yīng)調(diào)節(jié)到略小于混凝土的彈性模量，且預(yù)制桿應(yīng)具備一定的強(qiáng)度；另一方面，保證光纖傳感的可能性。

     在本傳感系統(tǒng)的研究中，采用特定纖維增強(qiáng)的水泥砂漿以及制作工藝，研制了用于混凝土機(jī)敏結(jié)構(gòu)的預(yù)制桿。如圖4 所示，光纖光柵預(yù)制桿件組成的光纖光柵機(jī)敏混凝土面陣結(jié)構(gòu)示意圖。

3 　原理性實(shí)驗(yàn)

     本文針對(duì)上述關(guān)鍵問題，在混凝土梁上進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)。將單個(gè)光纖光柵傳感器預(yù)制桿沿著混凝土梁的底部軸向埋入，進(jìn)行混凝土梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

　　從圖中可以看出，光纖光柵預(yù)制件與混凝土結(jié)構(gòu)之間具有良好的相容性，能較靈敏反應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)載荷變化。當(dāng)加載到30kN，混凝土開始出現(xiàn)裂紋，40kN 裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展到梁的斷裂，此時(shí)靈敏度明顯增大，能實(shí)現(xiàn)裂紋的監(jiān)測(cè)。其基本上說明了這種新型光纖光柵機(jī)敏混凝土具有較高的可行性和較好的操作性。

4 　總結(jié)與展望

      本文提出了光纖光柵機(jī)敏混凝土結(jié)構(gòu)的原理和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，又比較深入地討論了光纖光柵傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的埋入技術(shù)， 并基于有關(guān)的埋入技術(shù)，在混凝土梁上進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的光纖光柵機(jī)敏混凝土具有較高的可行性和較好的操作性。深入開展光纖光柵機(jī)敏混凝土的研究，使其不僅能準(zhǔn)確地反映到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間三維的溫度、應(yīng)變和損傷的變化，而且還能感知集傳和輸為一體，快速地對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況做出判斷，從而增加了其應(yīng)用的可靠性，滿足實(shí)際工程的要求。

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