浅谈光纤光栅光谱分析的混凝土结构钢筋锈蚀监测

2015-07-31长春建筑学院吉林长春130607

中国新技术新产品 2015年2期

陈　岩（长春建筑学院，吉林长春 130607）

陈岩
（长春建筑学院，吉林长春 130607）

摘要：钢筋混凝土是当前建筑施工的一种重要的建筑材料，混凝土钢筋在施工过程中钢筋非常容易出现锈蚀现象，而一旦出现这种现象就会对整个混凝土钢筋材料造成严重影响，甚至对建筑的整体质量会造成影响。正是因为如此，在实际工作过程中需要加强对钢筋锈蚀程度的监测。光纤光栅光谱分析法是一种专业的钢筋锈蚀监测方法。这种方法的应用能够有效提升监测效率，这对于建筑质量具有重要意义。本文将重点探讨光纤光栅光谱分析法的监测原理以及科学应用。

关键词：光谱；传感器；锈蚀；钢筋

在实际施工过程中钢筋混凝土是一种重要的建设材料，由于这种材料是由钢筋和混凝土组成的，因而在实际应用过程中，既有高抗压强度同时也具有高抗折强度的特点。从长期的实际施工经验中可以看出当前钢筋混凝土在使用过程中经常会出现锈蚀问题，一旦出现这种现象就会对工程质量造成影响。对于钢筋锈蚀进行监测是近些年来人们研究的一个重点问题，在实际工作过程中电化学阻抗、测量偏置电阻以及半电位方法的应用尽管能够实现基本监测，但是在实际工作过程中却会受到外界因素的影响。正是因为如此，采用全新方式就成为了今后研究的重点内容。光纤光栅光谱分析在监测过程中具有一系列优点，受外界的干扰也较小。长周期光纤光栅测量更是有着非常重要的意义。

一、监测原理

本文将以长周期光纤光栅为例来进行说明，通常情况下长周期光纤光栅的光栅周期是保持在100um以上的，在实际工作过程中由于这样的特质因而它能够满足相位匹配条件的同向模式之间的谐振耦合。在检测过程中光纤内部一旦出现围绕的时候，不同传播模式之间就有可能产生耦合，长周期光纤光栅一旦弯曲之后，光纤也就会变成弯曲波导。与此同时在长周期光栅中的每一个北调职折射率横截面都会发生倾斜，正是因为如此弯曲长周期光纤光栅能够等效于倾斜光纤光栅的。

了解长周期光纤光栅的弯曲特性和温度特性是进行测量的重要前提。在经过深入研究分析之后就会发现长周期光纤光栅一旦出现弯曲之后，透射谱也将会随着整个弯曲度的增加而不断右移，随着透射率的不断增大，光谱形将会出现右移。分析其温度特性可以发现透射谱出现漂移情况的时候透射谱谱形基本上是不变的，应变情况下其透射谱同样会不变化。从以上分析中就可以看出长周期光纤光栅一旦受到温度、弯曲以及应变共同作用的时候，人们就可以通过透射谱来观察其是否发生弯曲。采用这样一种方式将能够有效避免受到环境温度以及应变的影响。这是这种监测方式的优势所在。

二、传感器设计

传感器是光纤光栅光谱分析法的关键设备，传感器能否实现科学合理的设计将直接关系到效率。对于这一种关键设备，在实际工作过程中本文将以两根钢筋和一根光栅来构成该设备。实际工作过程中要选择直径为25mm的螺纹钢筋，钢筋A、B都需要紧靠在混凝土的支座上，而FBG光栅则需要粘贴到两根钢筋顶部。实际应用过程中就需要把钢筋A、B两端通电，为了保证效果需要用恒电流仪来进行操作。通电之后一旦出现锈蚀，钢筋体积就会迅速膨胀，在膨胀作用下钢筋也会产生位移。最终会导致光纤光栅也会产生拉应变，在这种情况影响下光谱仪就能够侧刀中心波长漂移。

由上文可知长周期光纤光栅在实际应用过程中对温度和应变是同时敏感的，为了获得真实数据在实际工作过程中就需要科学合理地区分温度和应变，这样做能够有效解决交叉敏感问题，在实际工作过程中只有把温度和应力进行区分测量才能够实现传感器的科学合理的应用。这是我们在实际工作过程中需要特别注意的一点。

三、实验

为了检测实际效果，在实际工作过程中还需要进行专门实验，通过实验能够更加有助于了解这种方法的优势。对于该方法的实验，在实际工作中就是要把钢筋放到凹槽型不锈钢基座内部同时还需要用胶把基座固定住，这样做的主要目的是为了防止钢筋实验过程中出现便宜。为了防止周围介质折射率对光栅可能造成的影响，还需要在对光栅进行外套保护管。

通过实验就可以发现钢筋出现锈蚀并膨胀直径不断增加的情况下，光栅本身会出现向上移动的现象，光栅极有可能从一点移动到另一端，正是因为如此光栅弯曲度就会出现明显变化。为了更加方便地观察实际监测效果就需要增加长周期光纤光栅敏感性，工作过程中可以通过准分子激光的方式来实现这一目的，HF酸溶液锈蚀的应用更是有用。通过专门的检测检验可以发现光谱仪监测出0.01dB透射率变化量的时候，锈蚀钢筋直径变化量也将会达到1.2um，利用该方法进行检测的时候监测厚度更是能够达到3mm。从专门实验中就可以发现利用长周期光强光栅能够实现对钢筋锈蚀程度的有效判断。

传感器在实际工作中起着非常重要的作用，当传感器是暴露在空气中的时候，对其进行观察就会发现在锈蚀量不断增加的背景下，光纤应变也会随之增加，最后也将会编程稳定。需要注意的是当光纤达到极限拉伸应变的时候，光纤同钢筋粘贴就会出现滑移，传感器本身也将会失效。通过实验还可以风险波长同时间之间的关系是能够有效反应器锈蚀速率的，这一点同样需要引起我们注意。

如何封装传感器是实际监测工作过程中需要认真处理的一个问题，对于传感器的封装可以通过不同方式来实现。水泥砂浆封装是一种典型形式，在工作过程中利用水泥砂浆要把传感器封装成一个长方体。对于水泥砂浆标号在选择过程中必须要同现场使用的水体砂浆标号保持一致，保护层厚度同所监测构件也要相同，只有在把传感器埋设到需要监测的构件钢筋位置上才能够实现精确有效地监测。这是在实际工作过程中必须要严格遵循的。

通过上述分析就会发现长周期光强光栅对于弯曲、应变以及温度这些因素是非常敏感的，为了保证精确监测在实际制作传感器的时候就要充分考虑到这几个因素之间的交叉影响。