基于塑料光纖的橋梁混凝土澆筑過程監測研究

錢容琨

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,隨著我國經濟水平的不斷發展,橋梁事業也發展得如火如荼。但是,橋梁的發展在帶給我們生活諸多便利的同時,也存在著一些安全隱患問題，這同樣需要我們給予關注。頻發的橋梁事故,一次次地給我們敲響警鐘[1]。因此,為確保大型橋梁結構的承載能力以及正常運營能力,需要對結構狀態進行長期監測并評價其安全情況,使橋梁的管理和維護部門能夠及時對有問題的結構進行有針對性的處理,這不僅可以大幅度減少橋梁維養的開支,還能避免重大安全事故[2,3]。由于橋梁結構混凝土中含有大量水泥漿體,因此必然存在一段固化養護期。此階段不僅其內部微觀結構發生了劇烈變化,同時宏觀的力學性能也在迅速發展[4]，故通過監測混凝土固化過程中濕度等參數的變化,從而掌握其固化反應歷程,對于橋梁安全監測來說尤為必要[5]。近年來,光纖傳感系統在橋梁結構健康監測領域的應用,給學者們在混凝土內部濕度監測領域提供了新的研究思路。

塑料光纖由于韌性好、抗干擾能力強的特點,用其為原材料制作而成的傳感器,可以在眾多傳統傳感器無法正常工作的環境中實現長時間、連續的監測[6]。因此，光纖傳感器被逐漸應用于混凝土固化過程的監測領域。2001年,重慶大學的朱永等[1]嘗試使用光纖琺珀傳感器來監測混凝土固化期的收縮應變大小,并且發現在一定的條件下該傳感器的溫度穩定性良好,其測得的數據基本不受外界溫度改變的影響。2006年,石家莊鐵道學院的劉永前等[8]嘗試對秦沈客運專線中的遼河特大橋的澆筑過程實施監測,他們選取了法布里-珀羅(F-P)光纖傳感器來完成這一長期的過程。該研究結果表明,光纖溫度傳感器耐久性及穩定性良好,可以適應施工現場復雜環境并滿足長期監測的要求。2012年,馬薩諸塞大學的Zou Xiaotian等[9]設計開發了一種自制新型的F-P光纖溫度傳感器,并將此傳感器用來測量混凝土在水化過程中溫度的變化,通過試驗得到混凝土試件中心的溫度在水化過程中最高達到了59.7℃。2013年,西安交通大學的Luo Dong等[10]對一種新型的錐形多模光纖溫度傳感器進行了研究,并使用該傳感器對水泥的水化過程進行了長時間監測。可見,光纖傳感器在混凝土固化過程監測中已取得了一定的進展,但缺乏一種可以精確、連續監測其濕度變化的方法?；诖?本文嘗試開發一種基于塑料光纖的濕度傳感器,為混凝土內部濕度監測提供新的解決方案。

1 刻槽光纖濕度傳感系統搭建

1.1 工作原理

基于光纖損耗原理,本文設計出一種經刻槽處理的塑料光纖傳感器。通常情況下,塑料光纖由于受到外包層保護,在傳輸中的損耗是很小的。所以當塑料光纖所處外界環境的濕度發生變化時,光纖損耗并不會受到影響,也就意味著無法實現將外界濕度信號轉化為光信號的調制工作。對塑料光纖傳感元件部分進行了刻槽處理后,意味著更多的光參與了調制,使得傳感元件對于外界濕度的變化變得敏感。其中,因刻槽產生的損耗值大小可由光纖損耗理論推導而得,下面將詳細介紹推導過程。

刻槽光纖屬于端面分離的連接損耗同類型問題,其數值大小和發射端光線在接收端投影面積有關[11]?？滩酃饫w的結構如圖1所示,凹槽可以考慮為光纖間的連接間隙,凹槽一側為發射端,另一側為接收端,凹槽寬度為d,深度為h;β是最大投射角,其大小與光纖數值孔徑NA和凹槽內介質折射率n0有關,sinβ=NA/n0;光纖半徑為a,x代表發射端光的最大投射高度,其大小由凹槽寬度d以及最大投射角β決定,即x=d×tanβ。

圖1 刻槽光纖結構示意圖

光纖經刻槽處理后,發射端投射出的光線在接收端的投影為接收端光纖面積加上2個扇形的差,如圖2所示。

圖2 發射端光線在接收端投影圖

投影的面積可由扇形面積公式求得:

S=[(r+d×tanβ)2-r2]×arccos(r-hr)+πr2

(1)

則在光纖上刻一個槽所產生的損耗為:

Ld=-10 lgπr2[(r+d×tanβ)2-r2]×arccos(r-hr)+πr2

(2)

此外,制作光纖傳感器元件時,也不可避免地會產生一些彎曲損耗,但由于測得的值是相對值,因此只需保證測量中彎曲損耗不變化即可,也就是說要對其彎曲程度進行控制。若是刻n個槽,刻槽產生的損耗為nLd。結合公式(2)及試驗的實際情況考慮,本文選擇凹槽個數15,槽深100 μm,槽寬80 μm,光纖直徑1 000 μm的多模塑料光纖,用于后續的試驗探究。

1.2 傳感系統設計

本傳感器系統是在基于光纖損耗原理的理論基礎以及光強度調制型傳感器實際應用的實踐基礎上設計的。系統主要由光源、傳感元件及數據采集設備三部分組成,其結構如圖3所示。當外界相對濕度發生變化,凹槽內介質折射率隨之改變。根據公式(2),推知光纖損耗值也會發生變化。而接收端的裝置則可以捕捉到這一信息。最后通過PC端將信息轉化為具體的相對濕度值變化,從而實現外界濕度變化的測量工作。

圖3 濕度傳感系統裝置示意圖

本試驗中,光源部分選用日本基恩士公司生產的FS-N11MN型裝置,此裝置與光纖易耦合且耦合效率高,可以降低因光源與光纖耦合產生的損耗誤差。數據采集設備選用的是上海TriBrer公司生產的BPM-100NT型光功率計,該功率計測量精度為0.2 dB,符合試驗的精度要求。傳感元件部分由刻槽光纖穿孔纏繞于空心PVC管制作而成,目的是為了控制試驗中光纖系統可能產生的彎曲損耗。

1.3 標定試驗

本試驗的目的是為了找到該傳感系統接收端接收到的相對光功率變化值與相對濕度變化的關系,所以需要創造一個可以調節濕度的環境,并且還要明確知道該環境的相對濕度值。故本試驗考慮將傳感元件部分放置于試驗室用溫濕度控制箱中,通過調整溫濕度控制箱內的濕度來達到改變外界濕度的目的,再記錄下對應的光功率計顯示的相對光功率值,便可以分析其對應關系。其具體的實驗室裝置布置如圖4所示。

圖4 光纖濕度傳感器標定試驗裝置圖

試驗選取濕度傳感系統中的一個測點來進行測量,具體的操作步驟如下:將傳感元件部分放入溫濕度控制箱中,光纖的一端連接光源,另一端連接光功率計,通過溫濕度控制儀可以控制箱內的溫濕度水平。先將相對濕度值調整至最低,由于箱內的相對濕度達不到0,所以選擇調整至5%,待光功率計讀數穩定后,記錄下初始的濕度值和相對功率值。隨后將相對濕度值調高5%,同樣地,待光功率計讀數穩定后記錄下讀數。如此重復多次,直至相對濕度值調整至最高為止。靜置直至讀數穩定后,將相對濕度值調低5%。與上述方法相同,待讀數穩定后記錄讀數并與調高相對濕度時的讀數對比,重復操作直至相對濕度調整至最低。這樣做的目的是為了對該傳感器的可逆性能進行評估。同時,為了減小試驗的偶然誤差,每次試驗都要重復3次,并檢查有無明顯有偏差的數據。最后取平均值繪制關系圖,并將數據擬合。最終得到的試驗結果如圖5所示。

圖5 相對光功率-相對濕度關系圖

其中擬合曲線的一些關鍵參數見表1。

表1 相對濕度與相對光功率擬合曲線參數

根據以上試驗結果可以發現,經刻槽處理的光纖傳感器對相對濕度的變化有著良好的敏感性。相關系數數值在0.98以上,說明通過光功率計測得的相對光功率數值與相對濕度變化之間存在良好的線性關系,兩者的關系式如下。

Δy=0.00811Δx

(3)

式中,Δy表示相對光功率變化值;Δx表示相對濕度變化值。

2 混凝土固化過程監測

2.1 試驗方案

本文擬選取兩種方法對混凝土固化過程中的濕度變化進行監測。一種使用的是上文所述的基于塑料光纖的濕度傳感器,另一種使用的是妙昕公司生產的TH22R-EX型高精度自動溫濕度記錄儀作為對照。該記錄儀傳感元件部分可直接埋入混凝土內部。在使用時,由于其探頭部分直徑相對于固定塑料光纖使用到的PVC空心管的孔徑要小,所以可直接放置于PVC空心管中。將PVC管埋入混凝土試件中,其埋置位置如圖6所示。待兩種傳感器的初始值校對完成之后開始進行測量。

圖6 混凝土內部濕度監測示意圖

固化過程監測試驗是在體積為15 cm×15 cm×15 cm的立方金屬模具中制作的混凝土試件內進行的。首先在距模具底部25 mm處畫線標記,待混凝土澆筑至此高度后,將用PVC空心管固定的塑料光纖傳感元件以及濕度探頭固定在此位置,之后立即繼續澆筑并振搗成型,直至澆筑完成。其中混凝土配制采用下述配合比:1.5 kg硅酸鹽水泥(標號32.5),3.74 kg砂,4.49 kg碎石以及0.73 kg的水。

2.2 試驗結果分析

本節共監測記錄了從混凝凝土試件澆筑振搗完成開始一直至28d齡期時的相對光功率變化情況。待混凝土試件澆筑完成后,立即將預留在試件外部的光纖一端連接光源,一端連接光功率計開始監測相對光功率值的變化。同時我們利用式(3)中相對濕度與相對光功率的一一對應關系,將相對光功率的變化轉化為相對濕度的變化,從而得到混凝土固化過程中相對濕度隨時間變化的關系,并與TH22R-EX型自動溫濕度儀得到的結果進行對比,最終得到的試驗結果如圖7所示。

圖7 相對濕度-齡期關系圖

從圖7中可以看出，在混凝土試件剛澆筑完成的前幾天內,其內部相對濕度一直維持在100%。這是由于在固化初期,它的內部含有大量的自由水,處于一個水汽飽和的狀態。隨后其內部濕度開始呈逐漸下降的趨勢,但是使用塑料光纖濕度傳感器與自動溫濕度儀測得的數據卻存在著一定的偏差。這可能與塑料光纖傳感元件所處的邊界條件有一定的聯系。在標定時傳感元件處于溫濕度控制箱中,是一種無約束的邊界條件。在埋入混凝土試件以后,邊界條件從固化初期的固體液體混合的狀態逐漸變化成固化末期固體的狀態。而且隨著混凝土試件強度的增長,傳感元件所處的邊界條件也在不斷發生變化。故將標定試驗得出的關系應用于內部濕度測量中還是存在一定的缺陷。相信通過改進,該傳感器的精度和靈敏度將進一步提高。

3 結 論

本文運用的光纖監測混凝土澆筑過程的測量方法不受橋梁現場的一些不利因素的影響,可用于各種橋型施工澆筑過程中的監測,而且安裝便捷、造價低。文章通過試驗驗證了傳感器的準確性以及可行性,在上述工作基礎上可以得到以下結論:

(1)凹槽深度、寬度、個數以及光纖直徑的選擇均會對刻槽光纖濕度傳感器的靈敏度產生影響。

(2)標定試驗結果表明,刻槽光纖濕度傳感器所測的相對光功率值變化與相對濕度變化之間存在良好的線性關系。

(3)本文將自制的刻槽光纖濕度傳感器與妙昕TH22R-EX型自動溫濕度記錄儀測得的濕度數據進行對比,發現兩者所測得的濕度變化趨勢基本一致,證明刻槽光纖濕度傳感器可以用來監測混凝土試件內部濕度;文章針對基于刻槽孔塑料光纖的濕度傳感器進行了初步探討,通過試驗驗證了該傳感器的可行性。其基本原理在文章中得到了充分的論證,但測量的實時監測問題,傳感元件的優化問題、以及如何與健康監測系統相結合的問題還有待進一步的研究。