分布式光纖傳感技術在混凝土振搗質量判斷中的應用*

李寶枝

(中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京 210011)

0 引言

隨著城市建設的迅猛發展，建筑工程行業快速成長，變革性的技術、設備得到大量應用，極大地提升了施工效率。混凝土滲水、開裂、蜂窩、麻面等問題直接影響工程質量，降低工程安全性和使用年限。

混凝土澆筑過程中，通過振搗棒振搗提高密實度，保證混凝土結構強度。受外界條件影響，振搗需人工完成，由于不同施工人員對振搗時長、間距等的控制不同，導致混凝土振搗質量不一，常出現漏振、欠振、過振等情況，影響工程質量。對振搗質量的有效控制成為亟待研究的課題，目前，工程現場仍采用監理現場監督巡查、澆筑振搗完成后測試補救的傳統質量控制方法，需研究科學、有效的方法。

1 技術背景

分布式光纖傳感技術是以光為載體、以光纖為媒介感知外界信號(壓力、溫度、應變等)的新型傳感技術，激光器發出光波進入光纖，光纖受外界信號的影響，引起光波特征參數(頻率、相位、光強、偏振態等)發生變化，將光波特征參數調制成信號光，信號光經探測器進行解調，經信號處理后即可獲得被測參數。

分布式光纖傳感技術主要基于光的反射和干涉，根據光纖內部信號性質的不同，可分為基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術、基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術和基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術；根據信號分析方法，可分為光時域反射技術、相干光時域反射技術、光頻域反射技術、偏振光時域反射技術、偏振光頻域反射技術等。

混凝土振搗質量與澆筑體積、振搗棒型號及振搗時長直接相關，即混凝土振搗質量與振搗能量相關。振搗作用半徑與振搗棒直徑有關，振搗棒直徑越大，振搗作用半徑越大。振搗能量被振搗作用區域吸收，振搗作用區域按圓形分布。

振搗能量E計算公式如下：

E=PoT=KPiT

(1)

式中：Po為振搗棒輸出功率；T為振搗時長；K為振搗棒能量轉換效率系數；Pi為振搗棒輸入功率。

2 振搗質量判斷依據

以太湖隧道K25+460段側墻為例，振搗中心點與作用區域分布如圖1所示。

圖1 振搗中心點與作用區域分布

側墻長5m，寬1.5m，高3.5m。鋼筋分布較密，鋼筋系數為1.35。混凝土坍落度為18cm，礫石為破碎狀，砂為完整團狀，骨料粗糙系數為3。振搗作用半徑為30cm，振搗間距取1.4倍振搗作用半徑，即42cm。每次澆筑高度為0.3m，澆筑體積2 250L，振搗棒直徑50mm，側墻混凝土澆筑完成所需振搗時長為1 128s，共需振搗48次，單次振搗時長為23.5s。

根據工程經驗，振搗時長為20～30s時，混凝土振搗正常，因此，太湖隧道K25+460段側墻混凝土振搗時長滿足要求。

振搗棒輸入功率為2.2kW，振搗棒能量轉換效率系數為0.6，則側墻混凝土澆筑完成所需振搗能量為1 488 960J，單次振搗能量為31 020J，每m3混凝土振搗能量為661 760J。

當實際振搗能量低于正常振搗能量的80%時，認為混凝土欠振，當實際振搗能量高于正常振搗能量的120%時，認為混凝土過振。太湖隧道K25+460段側墻混凝土澆筑完成時欠振、過振對應的振搗能量分別為1 191 168，1 786 752J，單次振搗欠振、過振對應的振搗能量分別為24 816，37 224J。

采用分布式光纖傳感技術監測混凝土振搗過程中是否出現欠振、過振、漏振現象，監測前輸入振搗棒振搗輸入功率和振搗棒能量轉換效率系數。根據每個振搗區域所有監測點振幅變化情況，判斷振搗開始與結束時間。

3 光纖布設要求

光纖布設時需保證圓弧段半徑≥10cm，避免發生彎折損壞。光纖綁扎時盡可能貼緊鋼筋，避免綁扎過緊或過松。采用三點固定法固定縱向光纖，即將圓弧弧頂、左右兩側端點作為綁扎點，如圖2所示，其他部位可按0.6～0.8m間距確定綁扎點。橫向光纖固定方法同縱向光纖。固定光纖過程中，如遇特殊情況，可適當增加固定點或調整固定點間距，布設完成的光纖如圖3所示。

圖2 光纖固定示意

圖3 布設完成的光纖

4 振搗質量分析

太湖隧道南側結構如圖4所示，太湖隧道K25+460段南側墻第2層振搗前、振搗過程中和振搗完成后混凝土狀態如圖5所示，將整個振搗區域平均分成1～4號區域，分別進行監測，振搗區域劃分如圖6所示。計算得到每個振搗區域欠振能量限值為1 588 800J，過振能量限值為2 383 200J。

圖4 南側結構

圖5 混凝土狀態

圖6 振幅區域劃分示意

完成混凝土振搗后，分布式光纖傳感系統可獲取結構整體振搗位置分布數據和振搗能量值，根據能量限值數據和振搗棒定位數據分析整個振搗過程，匯總得到混凝土振搗施工存在的問題(見表1)，并通知現場管理人員指導施工人員處理。當所有提示的振搗問題均得到解決后，混凝土目標塊振搗完成。 監測結果表明，1～4號區域振搗時長分別為1 434.35,1 466.34，1 405.24,1 294.77s，振搗能量分別為1 893 300,1 935 600,1 854 900，1 709 100J，可知各區域振搗能量基本滿足要求，未出現欠振和過振。對各區域混凝土狀態進行檢查，振搗結束時混凝土高度不再降低，無氣泡外冒，表面趨于平滑，混凝土振搗質量較好。

表1 南側墻混凝土振搗問題

將南折板第1層振搗區域平均分成1～4號區域(與南側墻振搗區域劃分相同)，分別進行監測，南折板混凝土振搗問題如表2所示。計算得到每個振搗區域欠振能量限值為1 986 000J，過振能量限為2 979 000J。采取補振措施后，監測結果表明，1～4號區域振搗時長分別為1 592.72，1 535.77，1 862.61，1 504.60s，振搗能量分別為2 102 400，2 027 200，2 458 600，1 986 100J，可知各區域振搗能量基本滿足要求，未出現欠振和過振。

表2 南折板混凝土振搗問題

5 結語

混凝土振搗質量傳統判斷方法成本較高，當發現混凝土振搗問題時，僅能采取事后補救措施或將混凝土結構摧毀重建。為解決傳統判斷方法存在的問題，采用分布式光纖傳感技術。根據光纖傳感算法得到振搗棒振搗位置與振搗能量。根據混凝土欠振、過振能量限值判斷振搗質量，可及時發現問題并采取補救措施，降低返工成本等。