光纖傳感混凝土碳纖維材料狀態監測技術展望★

劉宏月 芮 棽

(1.上海大學機電工程及自動化學院，上海 200072;2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210096; 3.中國電子科技集團公司第十四研究所，江蘇 南京 210013)

光纖傳感混凝土碳纖維材料狀態監測技術展望★

劉宏月1,2芮 棽3

(1.上海大學機電工程及自動化學院，上海 200072;2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210096; 3.中國電子科技集團公司第十四研究所，江蘇 南京 210013)

以光纖傳感技術在混凝土結構中碳纖維材料狀態監測需求為背景，介紹了服役過程中混凝土結構面臨的損傷問題、鋼筋混凝土結構中碳纖維材料的應用現狀及所面臨的損傷問題、光纖傳感技術在混凝土結構健康監測中的應用現狀等，并對光纖傳感在混凝土結構碳纖維材料監測的應用前景進行了相關展望。

光纖傳感，港工環境，碳纖維材料，健康監測

在混凝土應用于土木工程領域中的150年間，由于在役環境中各種不利因素的存在,導致結構內部不斷出現裂縫、腐蝕等損傷現象，進而使得大量混凝土結構由于各種各樣的耐久性原因而提前失效。目前，新型混凝土材料的研發和后期混凝土結構加固技術已成為延長混凝土結構服役壽命的關鍵技術。

作為混凝土結構的主要增強用材，碳纖維材料在其服役期間將不可避免地受到環境侵蝕、疲勞損傷/斷裂等因素影響，使得碳纖維材料的損傷問題越來越引起人們的關注。因此，對混凝土結構中碳纖維材料進行實時監測，及時評估碳纖維加固材料的服役及損傷狀態，具有非常現實的意義[1]。

光纖傳感器作為智能材料與結構領域發展的一個重要研究方向，具有質量輕、直徑細、柔韌性好、集信號傳感與傳輸于一體、便于構建分布式傳感網絡、抗電磁干擾能力強等諸多顯著優點，特別適用于復雜環境下的多物理場參數監測。近年來，光纖傳感技術已逐漸成為當前國內外土木結構監測領域的研究熱點[2]。

1 混凝土結構碳纖維材料損傷概述

1.1 服役過程中混凝土結構面臨的損傷問題

作為現今主要的建筑材料，混凝土以其經濟、便于施工等眾多優點，被廣泛應用于各種建筑結構中。其中，鋼筋混凝土結構綜合了鋼筋與混凝土的優點，造價較低，逐漸被認為是土木工程結構設計中的首選形式，大量應用于橋梁、建筑、道路、大壩等工程中，是21世紀最主要的工程結構形式之一。

隨著混凝土結構形式及材料功能的不斷發展，作為衡量現代土木結構健康狀態最直觀的指標——服役期已從最初的二十年提高到了幾十年甚至上百年。然而，對于許多基礎設施及港口結構來說，在建成后不到二三十年甚至更短的時間內就已出現了大量的裂化、腐蝕等現象，圖1a)為建成約20年的碼頭銹蝕維護圖。20世紀80年代開始，各國陸續對在役混凝土結構的損傷狀況進行了調研，如1987年僅美國就有約25萬座混凝土橋結構出現了不同程度的破壞，且該現象正不斷增長，其中部分橋梁服役不到20年；新中國建造的大量混凝土結構也僅在使用30年～40年、甚至不足20年的情況下發生了不同程度的破壞現象，鋼筋銹蝕、裂化現象導致的混凝土結構損傷狀態如圖1所示[3]。

針對上述損傷問題,為進一步發揮混凝土結構在建筑結構承重、成本降低等方面的作用，建筑行業不可避免地面臨以下兩方面問題：1)為達到新型建筑的要求，不斷發展和采用新型結構、新材料及新的施工工藝；2)對已有建筑結構進行定期鑒定評估和加固改造。早在20世紀80年代初，發達國家建筑結構的加固改造比例已呈現大幅增加的趨勢，其中在新建工程與舊建筑維修加固的投資比例方面，瑞典為1∶1，丹麥為1∶6。在這種大幅增加趨勢下，英國在舊建筑維修加固方面的投資已是60年代的近4倍。目前，新型混凝土材料的研發和后期混凝土結構加固技術已成為增加混凝土結構服役壽命的關鍵技術。

1.2 鋼筋混凝土結構中碳纖維材料應用現狀

自20世紀70年代應用于土木工程領域中以來，碳纖維材料以其無法比擬的性能優勢迅速發展成為提高混凝土結構可靠性和維護性的主要建筑材料之一，其主要應用于碳纖維增強/功能混凝土和混凝土結構維修加固方面。在碳纖維增強/功能混凝土方面[4]，國外針對單向增強聚丙烯腈(PAN)碳纖維的研究始于70年代初期，但因價格昂貴而發展緩慢。1978年，得益于日本生產了通用級瀝青基碳纖維，CFRC迅速發展。90年代后期，針對碳纖維混凝土導電性及其導電性應用的研究逐漸活躍起來，使得碳纖維增強/功能混凝土研究逐漸進入高速發展時期。在混凝土結構維修加固方面[5]，作為鋼筋混凝土結構的主導加固方法，碳纖維加固鋼筋混凝土結構技術得到了廣泛的應用。1993年日本建筑院(AIJ)頒布了世界第一份關于FRP加固混凝土結構的設計指南，標志著FRP加固混凝土技術正式進入指南制定階段。1996年JSCE正式頒布了《連續纖維材料補強加固混凝土結構物的設計及施工規程》。2000年日本建筑法制定了碳纖維材料住宅功能評價體系。現今，CFRP加固法已成為“Structural Faults and Repair”國際會議的重要專題之一。為進一步加強碳纖維材料在鋼筋混凝土領域中新型材料研發和結構加固等方面發揮的作用，新加坡、日本、美國等國家的科研機構在此方面相繼進行了大量基礎及應用性研究。特別是在美國舊金山、洛杉磯、日本阪神大地震之后，碳纖維材料在混凝土結構中的優越性得到了充分體現。目前，碳纖維材料在新型混凝土研發和后期混凝土維護中的應用情況和使用量已成為保障鋼筋混凝土結構安全服役的重要標志之一。

1.3 混凝土結構碳纖維材料面臨的損傷問題

由于結構內部或周圍環境中溫度、濕度、污染等各種不利因素的存在，使得應用于混凝土結構增強及加固的碳纖維材料不可避免的出現退化、變質等損傷現象。損傷環境作用下，混凝土結構碳纖維材料老化主要包括增強混凝土內部碳纖維老化、加固用碳纖維結構老化、加固用碳纖維結構疲勞斷裂等。此外，加固用碳纖維結構的剝離破壞損傷也逐漸成為混凝土結構碳纖維材料的主要損傷問題。在沿海、近海等港口工程環境中，剝離破壞等損傷形式可使混凝土結構碳纖維材料喪失其耐久性，最終造成結構提前失效，碳纖維斷裂損傷狀態微觀結構如圖2所示[6]。如何提高碳纖維復合材料結構的可靠性以及實現結構的長期安全服役都已成為當前亟需解決的關鍵問題，因此，研制新型碳纖維復合材料狀態監測系統日益成為人們的關注熱點。

目前國內外在該領域的研究尚處于起步階段，與之相關的數值計算和試驗研究面臨著許多技術困難。相關實驗研究有助于進一步掌握混凝土結構中碳纖維材料狀態監測的實驗研究手段，可為混凝土結構中碳纖維材料的進一步應用提供基礎。

2 光纖傳感器概述

2.1 光纖傳感技術在混凝土結構健康監測中的應用

隨著混凝土技術的飛速發展，鋼筋混凝土結構的安全性和經濟性問題日益突出，混凝土結構健康監測技術在保障新型材料可靠性、提高結構安全性、減少經濟損失、降低維護費用等方面具有

重要意義。作為智能材料與結構領域發展的一個重要方向，光纖傳感器已成為當今國內外橋梁、碼頭等大型土木結構狀態監測領域的研究熱點。對于混凝土結構腐蝕方面研究，現階段大量學者主要針對混凝土內部鋼筋結構銹蝕損傷狀態進行研究[3]。針對鋼筋混凝土環境中的氯離子濃度檢測，Fuhr等人結合光纖傳感技術與Fajans方法，實現了光纖傳感氯離子濃度的定量檢測。Bennett K D提出了一種基于光纖微彎效應的“銹蝕”傳感方案。重慶大學黎學明和陳偉民等人采用將Fe-C合金膜作為局部光纖包層構成銹蝕敏感膜的方法，構建光功率變化與銹蝕鋼筋周圍環境pH值的變化模型，進而獲取鋼筋銹蝕信息。李俊和吳瑾等人研制了基于FBG應變傳感的鋼筋銹蝕傳感器，并對其進行了混凝土埋入實驗。劉宏月等人將LPFG折射率敏感、微彎特性與鋼筋腐蝕相結合，提出了基于LPFG傳感的鋼筋銹蝕傳感器。

2.2 光纖傳感在混凝土結構碳纖維材料監測的應用前景

上述研究成果主要集中在混凝土內部鋼筋腐蝕、內環境監測等方面，針對服役狀態下增強混凝土內部碳纖維材料損傷、加固用碳纖維剝離損傷狀態監測方面的研究相對較少。本文提出將光纖傳感技術引入到港口工程環境下增強混凝土結構碳纖維材料損傷狀態監測領域，建立相應傳感模型，進而實現對增強混凝土內部碳纖維材料損傷狀態的監測。

3 結語

光纖傳感技術已成為混凝土結構狀態監測領域最重要的技術之一。基于上述研究,以提升混凝土結構服役壽命為目標，可將光纖傳感技術與典型港工環境下混凝土結構碳纖維材料狀態監測相結合，進而提升碳纖維加固后混凝土結構的可靠性以及光纖結構健康監測技術在碳纖維材料監測領域的適用性。

[1] Report of the National Materials Advisory Board. Concrete durability-A multibillion dollar opportunity，Publication No.NM.AB-437，National Academy of Science Washington.DC，1987:94.

[2] Andrea Bernasconi, Michele Carboni, Lorenzo Comolli. Monitoring of fatigue crack growth in composite adhesively bonded joints using Fiber Bragg Gratings[J]. Procedia Engineering,2011(10):207-212.

[3] 劉宏月.光纖光柵傳感器在結構健康監測中的應用研究[D].南京：南京航空航天大學博士學位論文，2012.

[4] 陸見廣.碳纖維智能混凝土梁的力電效應研究[D].南京：南京理工大學碩士學位論文，2007.

[5] 翟文濤.橋梁加固與改造技術的研究與應用[D].西安：西安建筑科技大學碩士學位論文，2008.

[6] 孫麗莉.玻璃纖維增強樹脂基復合材料的細觀破壞研究[D].濟南：山東大學博士學位論文，2009.

The prospect of condition monitoring technology of optical fiber sensor concrete carbon fiber material★

Liu Hongyue1,2Rui Shen3

(1.ElectricalandMechanicalEngineeringandAutomationInstitute,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;2.TheCivilEngineeringCollege,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;3.TheNo.14ResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyGroupLimitedCompany,Nanjing210013,China)

Taking the carbon fiber material state monitoring requirements of optical fiber sensor technology in concrete structure as the background, this paper introduced the damage problems of concrete structure in service process, the application present situation and problems faced of carbon fiber material in reinforced concrete structure, the application status of optical fiber sensing technology in concrete structure health monitoring etc., carried related prospect the application prospect of optical fiber sensing in concrete structure carbon fiber material monitoring.

optical fiber sensing, harbor work environment, carbon fiber material, health monitoring

1009-6825(2015)32-0032-02

2015-09-07★:國家自然科學基金(項目編號:51308108)；國家自然科學基金項目國際交流(項目編號:51161120326)；中國博士后科學基金特別資助(項目編號:2014T70457)；中國博士后科學基金A類資助(項目編號:2013M540407)；江蘇省博士后科研資助計劃(項目編號:1301026B)和東南大學博士后重點科研資助計劃資助的課題

劉宏月(1983- ),女,博士后,講師； 芮 棽(1990- ),男,碩士

TU198

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