監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光纖傳感技術(shù)和土木結(jié)構(gòu)工程安全監(jiān)測領(lǐng)域，涉及到一種新型監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感具有眾多優(yōu)勢，它抗電磁干擾無漂移、耐久性好、高分辨率、高精度、體積小、封裝結(jié)構(gòu)簡單，且可進(jìn)行長距離準(zhǔn)分布式/分布式實時監(jiān)測等優(yōu)點，因而在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感技術(shù)中被廣泛應(yīng)用，且光纖傳感被認(rèn)為是智能結(jié)構(gòu)中最有希望集成在材料內(nèi)部，探測其損傷的傳感技術(shù)。目前該技術(shù)已被認(rèn)為是用于土木工程結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測的理想傳感元件。
[0003]寒冷地區(qū)的水工、港工、道路和橋梁等工程中的混凝土結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物在凍融循環(huán)作用下的凍融破壞是運行過程中的主要病害?；炷猎诔睗駰l件下，毛細(xì)孔會吸滿水，在低溫下，毛細(xì)孔中的水凍結(jié)成冰，體積膨脹約9%，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。由于凍融的反復(fù)作用或內(nèi)應(yīng)力超過混凝土極限強度從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生局部破壞。東北的云峰水電站，大壩建成運行不到10年，溢流壩表面混凝土凍融破壞面積就高達(dá)10000m2，占整個溢流壩面積的50%左右，混凝土平均凍融剝蝕深度達(dá)10cm以上。因此對混凝土結(jié)構(gòu)的凍融膨脹破壞進(jìn)行實時監(jiān)測、評估，從而進(jìn)一步科學(xué)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的維護是十分必要的。
[0004]目前，對混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實時監(jiān)測的相關(guān)研究與報道非常少，且主要都集中在實驗室的材料性能研究階段。實驗室內(nèi)部的研究主要是依據(jù)規(guī)范對混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行快速、慢速凍融試驗，其主要測量的參數(shù)有動彈性模量和質(zhì)量損失率等。但是該種試驗研究方法與其測得的試驗參數(shù)都無法對在役的混凝土進(jìn)行有效的評判，更不能夠達(dá)到實時監(jiān)測的目的。
[0005]趙雪峰，呂興軍等人提出了一種光纖混凝土凍融膨脹應(yīng)變監(jiān)測傳感器(CN201320404147.8)，該傳感器是采用單?？箯澒饫w纏繞在混凝土圓柱體上，利用光纖纏繞線圈直接測量混凝土圓柱體因凍融引起環(huán)向變形。但是該傳感所采用被纏繞體是直徑為5cm-8cm的圓柱體，因其體積小且其形狀為圓柱形，很難保證其與被監(jiān)測的混凝土結(jié)構(gòu)有很好的相容性，且其所能監(jiān)測的范圍有很大的局限性，且其需要取芯，制作工藝復(fù)雜，不夠經(jīng)濟，施工工藝復(fù)雜。
[0006]陳計信在其《光纖法珀傳感器在冰凍及凍土監(jiān)測中的應(yīng)用》碩士學(xué)位論文中公開了一種光纖法珀傳感器，該方法是將光纖傳感器植入冰凍內(nèi)部，通過監(jiān)測光纖傳感器光譜的改變，從而探知傳感器的凍脹情況，空心光子晶體光纖法珀冰凍檢測試驗使用光纖法珀作為監(jiān)測冰凍是否發(fā)生的應(yīng)變傳感器。但是該方法是將傳感器直接植入被測試件的內(nèi)部，因此其空腔段長度以及空腔段與周圍混凝土界面接觸狀態(tài)都將影響其監(jiān)測的結(jié)果，且因其空腔段長度的限制，其最后測得的結(jié)果只是空腔段周圍冰凍及凍土的凍脹情況，此監(jiān)測結(jié)果太過局限性。另外因溫度不確定性，混凝土在凍融過程中很有可能只發(fā)生表面毛細(xì)水發(fā)生凍脹，而混凝土內(nèi)部并未發(fā)生凍脹的不均勻凍脹情況，傳感器因其放置位置對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此對混凝土的實時監(jiān)測效果不具有說服力。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種實時監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器。該傳感器采用纏繞在混凝土板表面的單?？箯澒鈱?dǎo)光纖作為傳感單元，該傳感器可以澆筑于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且其材料特性是與被監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的配合比相一致，具有非常好的相容性，不會對結(jié)構(gòu)造成缺陷和損害；并且本實用新型中所用到的單?？箯澒饫w具有很好的耐久性，從而可實時對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因凍脹引起混凝土板的周向應(yīng)變進(jìn)行長期，穩(wěn)定的監(jiān)測，進(jìn)而實現(xiàn)對整體混凝土結(jié)構(gòu)的實時評估。
[0008]本實用新型的技術(shù)方案是:
[0009]一種監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器，包括水泥砂漿保護層1、混凝土板2、溫度補償光纖光柵3、鋼管4、光纜5和單?？箯澒饫w纏繞線圈6 ;單?？箯澒饫w縱向纏繞在混凝土板2的表面，單?？箯澒饫w纏繞長度大于3m，根據(jù)實際情況確定纏繞圈數(shù)，形成以混凝土板2為中心的單?？箯澒饫w纏繞線圈6 ;混凝土板2內(nèi)設(shè)置用于保護溫度補償光纖光柵3的鋼管4，溫度補償光纖光柵3 —端光纖與光纜5連接引至混凝土板2外部與測量儀器連接，溫度補償光纖光柵3的另一端置于鋼管內(nèi)；2-5_厚的水泥砂漿保護層1置于以混凝土板2為中心的單?？箯澒饫w纏繞線圈6外圍，起到保護作用。
[0010]所述的單?？箯澒饫w縱向纏繞20-25圈在混凝土板2上，在單?？箯澒饫w纏繞過程中，對單模抗彎光纖施加應(yīng)變?yōu)?50-900 μ ε的預(yù)張拉應(yīng)力，確保光纖與混凝土板表面結(jié)合緊密；
[0011]所述的混凝土板為長度20cm、寬10cm、厚度3cm且縱向兩末端圓弧形式。
[0012]本實用新型采用的混凝土板與被測混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土原料及配合比相同，利用纏繞在混凝土板表面的線圈測量混凝土板因凍融循環(huán)引起的周向膨脹應(yīng)變?？梢詰?yīng)用光纖白光邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)或光纖布里淵傳感技術(shù)實現(xiàn)對在役混凝土結(jié)構(gòu)因凍融引起混凝土板的周向膨脹應(yīng)變的監(jiān)測。為補償單?？箯澒饫w因溫度引起的應(yīng)變，本實用新型在混凝土板內(nèi)部埋入溫度補償光纖光柵，進(jìn)而使傳感器所監(jiān)測到的應(yīng)變更為精確，同時實現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的測量。
[0013]在實際應(yīng)用的過程中，將該傳感器直接澆筑在混凝土結(jié)構(gòu)測點的內(nèi)部，將傳感器的一頭圓弧末端靠進(jìn)保護層，圓弧末端表面距離保護層表面3-5_，另一側(cè)直接澆筑在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)測點處混凝土受到外界環(huán)境凍融作用時，傳感器內(nèi)部的混凝土板將產(chǎn)生因凍融引起的周向變形，隨之纏在混凝土板表面的光纖將會產(chǎn)生變形，即光纖線圈的應(yīng)變?；谠撟冃蝹鬟f途經(jīng)，應(yīng)用光纖白光邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)或光纖布里淵傳感技術(shù)可以實現(xiàn)測點凍融變形的監(jiān)測。
[0014]本實用新型的效果和益處:本實用新型被纏繞的混凝土板與被測混凝土結(jié)構(gòu)具有相同的配比，利用單?？箯澒饫w纏繞線圈直接測量整個混凝土板的凍融膨脹應(yīng)變。本實用新型可以對監(jiān)測點處混凝土從服役期開始，經(jīng)過若干個凍融循環(huán)周期作用，直至混凝土保護層開裂、剝落，實現(xiàn)對混凝土凍融膨脹應(yīng)變的精確監(jiān)測。而且，本實用新型所用到單?？箯澒饫w具有很好的耐久性，這將大大提高傳感器的壽命。另外，因為該傳感器是直接澆筑在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以其與混凝土結(jié)構(gòu)具有非常好的整體性，進(jìn)而，其監(jiān)測的結(jié)果更能有力的表述混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞情況。
【附圖說明】
[0015]圖1是監(jiān)測混凝土內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器封裝結(jié)構(gòu)立面示意圖。
[0016]圖2是監(jiān)測混凝土內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器封裝結(jié)構(gòu)平面示意圖。
[0017]圖中:1水泥砂漿保護層；2混凝土板；3溫度補償光纖光柵；4鋼管；5光纜；6單?？箯澒饫w纏繞線圈。
[0018]具體實施方法
[0019]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本實用新型的【具體實施方式】。
[0020]監(jiān)測混凝土內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器，其封裝結(jié)構(gòu)包括:水泥砂漿保護層、單模抗彎光纖纏繞線圈、溫度補償光纖光柵、厚度為3cm，長度為20cm，且縱向兩末端圓弧形式的混凝土板、鋼管和光纜。
[0021]首先，根據(jù)被測混凝土結(jié)構(gòu)的配合比，饒筑一個長度為20cm，寬度10cm，厚度為3cm，且縱向兩末端圓弧形式的混凝土板，亦可根據(jù)具體混凝土測點情況選取具體尺寸。在澆筑的過程中，預(yù)先在混凝土板內(nèi)埋入用于保護光纖光柵的鋼管，并將溫度補償光纖光柵放入鋼管內(nèi)部，光纖光柵的一端光纖與光纜連接引致外部保護好，準(zhǔn)備與測量儀器鏈接，光纖光柵的另一端在鋼管內(nèi)部自由放置。將澆筑好的混凝土板放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室進(jìn)行養(yǎng)護。待其養(yǎng)護完畢之后，將混凝土板表面進(jìn)行打磨，使其被纏繞光纖部位光滑，然后將單?？箯澒饫w以350-900 μ ε的預(yù)張拉應(yīng)力纏繞在混凝土板表面，且使被纏繞的光纖線圈之間緊密并排在混凝土板表面。纏繞圈數(shù)在20-25圈，光纖纏繞長度大于3m，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)具體情況改變相應(yīng)纏繞的線圈圈數(shù)。當(dāng)線圈纏繞完畢之后，用502粘結(jié)劑將纏繞光纖兩端固定在混凝土板表面，兩端光纖引出。以上工作完成之后，進(jìn)行檢查光纖的通路檢查，最后在混凝土板表面澆筑一層2-5_的水泥砂漿保護層，完成對傳感器的封裝，如圖1，2所示。
【主權(quán)項】
1.一種監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器，其特征在于，該監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器包括水泥砂漿保護層、混凝土板、溫度補償光纖光柵、鋼管、光纜和單模抗彎光纖纏繞線圈；單?？箯澒饫w縱向纏繞在混凝土板的表面，單?？箯澒饫w纏繞長度大于3m，根據(jù)實際情況確定纏繞圈數(shù)，形成以混凝土板為中心的單模抗彎光纖纏繞線圈；混凝土板內(nèi)設(shè)置用于保護溫度補償光纖光柵的鋼管，溫度補償光纖光柵一端光纖與光纜連接引至混凝土板外部與測量儀器連接，溫度補償光纖光柵的另一端置于鋼管內(nèi)；2-5mm厚的水泥砂漿保護層置于以混凝土板為中心的單模抗彎光纖纏繞線圈外圍，起到保護作用。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器，其特征在于，所述的單模抗彎光纖縱向纏繞20-25圈在混凝土板上；在單?？箯澒饫w纏繞過程中，對單?？箯澒饫w施加應(yīng)變?yōu)?50-900 μ ε的預(yù)張拉應(yīng)力，確保光纖與混凝土板表面結(jié)合緊處I_L| ο3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器，其特征在于，所述的混凝土板為長度20cm、寬10cm、厚度3cm且縱向兩末端圓弧形式。
【專利摘要】本實用新型提供了一種監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍融膨脹應(yīng)變光纖傳感器，包括縱向兩末端圓弧形式的混凝土板、單?？箯澒饫w纏繞線圈、溫度補償光纖光柵、鋼管、水泥砂漿保護層和光纜。被測混凝土板采用與被測混凝土結(jié)構(gòu)所用的混凝土原料配合比相同，光纖直接縱向纏繞在被測混凝土板表面，進(jìn)行因凍融循環(huán)引起的混凝土板周向變形?？杀O(jiān)測整個測點處混凝土從服役期開始，在經(jīng)歷若干凍融循環(huán)周期作用過程，以及最后保護層開裂，剝離過程中混凝土板的周向變形，實現(xiàn)對混凝土凍融膨脹應(yīng)變的精確監(jiān)測。同時因光纖本身就有很好的耐久性，將提高傳感器的耐久性。該傳感器可應(yīng)用于大壩、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)的凍融膨脹應(yīng)變監(jiān)測，具有高精度、壽命長、方便布設(shè)等特點。
【IPC分類】G01B11/16
【公開號】CN205066708
【申請?zhí)枴緾N201520840284
【發(fā)明人】廖開星, 呂海鋒, 孔祥龍, 顏永貴, 周波, 孫長森, 趙雪峰
【申請人】廣東核電合營有限公司, 蘇州熱工研究院有限公司, 大連理工大學(xué), 中國廣核集團有限公司, 中國廣核電力股份有限公司
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年10月27日