分布式傳感技術在高強筋活性粉末混凝土裂縫監測中的應用研究

馮其瑞，王彥鵬，王懷鋒

(中海油安全技術服務有限公司，天津300450)

在基建工程中，普通混凝土的強度、耐久性等性能已經無法滿足工程建設需求，活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)在強度、韌性、耐久性、抗壓、抗折等方面性能優異，且擁有廣闊的應用前景[1]。

2009年美國基礎設施調研報告指出，影響橋梁安全指標和使用壽命的主要因素是混凝土開裂所帶來的裂縫問題[2]。引發混凝土開裂的原因多種多樣，主要分為材料固有屬性和外界因素[3]。在制備、生產、施工、應用一系列過程中均存在潛在因素造成混凝土開裂。因此，為保證基建設施正常安全運營，監測混凝土裂縫是十分必要的。

分布式光纖傳感技術采用同一根光纖測量并傳輸，經濟成本低。同時，與傳統點式傳感器[4]相比，分布式光纖傳感技術可實現時間連續和空間連續實時監測，有效解決裂縫時空隨機產生的問題。不僅如此，在抗電磁、抗腐蝕、防水、耐久性、響應速度、靈敏度、傳輸頻帶、穩定性等方面，分布式光纖傳感技術亦表現不俗[5]。因此，分布式傳感技術由于其性能優異被引入結構健康監測領域[6]。詹浩東等[7]基于BOTDR原理采用分布式光纖監測棧橋的應力、應變情況。何斌等[8]采用分布式光纖進行混凝土面板撓度監測。楊杰等[9]設計了一種用于監測混凝土裂縫的光纖傳感器，通過光損耗值判斷裂縫情況。毛江鴻等[10]將分布式光纖布設在鋼筋混凝土梁表面，采用最小空間分辨率為0.5 m的BOTDA監測混凝土梁裂縫開展情況。葉宇霄等[11]考慮了光線角度變化對混凝土裂縫監測的影響，在普通鋼筋混凝土梁的側表面布設分布式光纖監測裂縫發展。

上述文獻未在混凝土梁體內部布設分布式光纖且空間分辨率還有提高的空間。因此，本文將分布式光纖布設在混凝土梁的表面和內部，同時監測梁體表面和內部的應變變化。又因文獻[1]指出活性混凝土若與HRB500級鋼筋配合使用良好將會成為性能更高的材料，因此本文采用高強筋(HRB500級鋼筋)活性混凝土梁作為試驗對象。號的頻移變化值就可獲得沿光纖分布的溫度及應變信息，實現分布式光纖傳感。

1 分布式傳感技術

基于受激布里淵散射的光時域分析技術(BOTDA)，原理如圖1(a)所示，泵浦光光源發出的光經脈沖調制器調制成光脈沖，再經耦合器進入傳感光纖一端，探測光光源發出連續光進入傳感光纖另一端。當探測光和泵浦光的頻差與光纖中某個區域的布里淵頻移相同時，該區域就會發生布里淵放大效應，兩光束之間發生能量轉移。由于布里淵頻移與外界應變、溫度存在線性關系，因此，當對探測光光源的頻率進行連續調節時，通過檢測從光纖一端耦合出來的探測光的光功率，就可以確定光纖上各段區域能量轉移達到最大值時所對應的頻率差，從而可以計算得到外界溫度或應變的信息[12]。

圖1 BOTDA原理圖及系數標定

研究表明，光纖中的布里淵頻移量Δv B與溫度和應變的變化呈線性關系[12]:

式中:Δv B為布里淵頻移量；ΔC vT為溫度系數；C vε為應變系數；ΔT為溫度變化量；Δε為應變變化量。

式中:應變系數和溫度系數可通過標定試驗得到，如圖1(b)、圖1(c)所示，兩個系數分別為0.046 MHz/με和0.925 MHz/℃，因此通過探測布里淵信

所以測量得到的布里淵頻移量包含了溫度和應變兩部分變化量，而光纖分布式應變監測系統只需了解結構的應變情況，所以有必要進行應變、溫度的隔離，分離其中的溫度因素影響，得到其中的應變信息。

2 分布式光纖監測裂縫可行性試驗研究

2.1 試驗概況

為考察分布式光纖傳感技術在裂縫識別與定位的監測效果，本文設計并進行了分布式光纖裂縫監測試驗，并研究了相同裂縫寬度下不同空間分辨率測量所得的應變量與裂縫寬度的定量關系。空間分辨率是沿光纖長度分布對應變進行準確測量所需的最小光纖分布長度。

2.2 試驗平臺設計

裂縫監測試驗平臺如圖2、圖3所示，該平臺由2塊300 mm×300 mm×3 mm鋁板組成，通過螺旋測微計頂推調整裂縫寬度，裂縫控制精度為0.01 mm。將0.9 mm直徑的緊包傳感光纖粘貼固定在鋁板上，然后引線熔接跳線頭接入解調設備，再將裂縫間距控制器通過螺釘固定在鋼板上，旋轉兩個間距控制器上螺釘的位置，即可調節兩塊鋁板的間距(裂縫寬度)，同步測量光纖的應變。

圖2 裂縫監測試驗平臺設計圖

圖3 裂縫監測試驗平臺實物圖

2.3 試驗過程

2.3.1 裂縫識別與定位

首先測量初始應變并記錄，然后使用裂縫間距控制器使裂縫增加一個任意寬度，采用分布式光纖測量裂縫寬度增加之后的光纖應變量并記錄，對比裂縫寬度增加前后的數據，得到圖4。

圖4 裂縫位置點應變變化

從圖4中可知，應變突變位置距起點距離為25.051 m，同時用卷尺測量裂縫距起點距離為25.15 m，表明分布式光纖監測到裂縫寬度產生變化處的應變會發生突變，進而可以識別裂縫的產生和發展，并定位裂縫產生變化的所在位置，說明分布式光纖監測具備識別與定位裂縫的功能。

2.3.2 裂縫寬度與應變的定量關系分別設置空間分辨率為5 cm、10 cm、20 cm、50 cm共4組工況，每組工況下先測量初始應變，再使用裂縫控制器逐級增大裂縫寬度，且每級增加0.01 m，共六級。獲得不同空間分辨率情況下的分布式光纖應變變化情況，如圖5~圖8。

2.4 試驗結論

從圖5~圖8可得，對于同一裂縫，不同空間分辨率測得的應變量大小不一，變化情況也不一致。將每組工況下，每級裂縫寬度與其對應的應變最大值繪成曲線，如圖9所示。

圖5 5 cm空間分辨率裂縫應變變化

圖6 10 cm空間分辨率裂縫應變變化

圖7 20 cm空間分辨率裂縫應變變化

圖8 50 cm空間分辨率裂縫應變變化

圖9 不同空間分辨率裂縫應變變化

由圖9可知，測試相同裂縫寬度情況下，空間分辨率越小，得到的應變量越大。但當所測裂縫寬度接近或大于空間分辨率(5 cm)時，由于已超空間分辨率量程，因此采集信號失真，會產生畸變，因此選用10 cm空間分辨率進行混凝土裂縫監測。

在10 cm空間分辨率情況下，從圖9中曲線可得裂縫與應變的定量系數為:6 042με/mm。NBX－7000分析儀10 cm空間分辨率下應變測量精度為7.5με，表明裂縫測量精度最小可達1.24×10－3mm，說明分布式光纖裂縫監測具有極高的裂縫測試精度，滿足實際要求。

3 高強筋活性粉末混凝土梁抗彎開裂試驗

采用分布式光纖傳感技術監測高強筋活性粉末混凝土梁在彎矩作用下的開裂情況，給出混凝土梁內部和表面的應變分布。

3.1 試驗前期準備

3.1.1 試驗材料

參考文獻[1]中的材料，試驗采用高強筋活性粉末混凝土梁，長2 000 mm×寬120 mm×高250 mm，縱筋為HRB500鋼筋，抗壓強度為20 MPa，彈性模量為4.52×104MPa。成分配合比為42.5級普通硅酸鹽水泥水泥∶微硅粉∶石英砂(粒徑0.16 mm~1.25 mm)∶高效減水劑∶鋼纖維∶水＝1∶0.18∶1.17∶0.02∶0.13∶0.19。

3.1.2 試驗設備

本文采用Neubrex公司混合測量高分辨率應變、溫度分析儀NBX－7000(圖10)。NBX－7000根據PPP-BOTDA和結合了TW-COTDR的瑞利散射光的獨創混合測量技術，使一根光纖不需要溫度補償就可以分離溫度測試和應變測試。

圖10 NBX－7000應變分析儀

除此之外，試驗所用的傳感光纜、單模光纖熔接機如圖11所示。

圖11 試驗設備

3.2 試驗方案

3.2.1 工況設計

采用僅配筋率不同，原材料及配合比、制作養護條件都相同的高強筋活性粉末混凝土梁作為試驗對象。表2為混凝土配筋表。

表2 高強筋活性粉末混凝土配筋表

3.2.2 加載方案

試驗加載方案以《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T50152－2012)為依據，采用千斤頂分級加載，加載示意圖如圖12所示。

圖12 加載示意圖(單位:mm)

3.2.3 傳感器布設方案

在梁體內部和表面分別布設分布式光纖，并熔接成回路，形成一根分布式光纖同時監測梁體內部和表面的應變變化情況，如圖13所示。

3.3 試驗內容

3.3.1 布設傳感器

埋入式光纜在預制鋼筋籠(圖14)時提前將分布式光纜沿鋼筋籠主筋內側用扎帶綁扎固定，一端接入分析儀，另外一端將光纜引出，在預制梁完成后將光纜粘貼在預制梁表面的下部，最后接入分析儀，形成回路，如圖13所示。圖15中U型光纜為傳輸光纜，不作為傳感使用。

圖13 分布式光纖布設示意圖

圖14 預制鋼筋籠

圖15 布設分布式光纖傳感器

3.3.1 試驗過程

為檢驗支座平穩程度以及儀表和加載設備是否處于正常狀態，試驗開始前進行預加載，結果顯示試驗設備狀態良好。

試驗現場如圖16所示，將完成分布式光纖傳感器布設的高強筋活性粉末混凝土梁放置于試驗平臺上，按照圖12進行分級加載，隨荷載增大，混凝土梁會出現裂縫，直到斷裂，如圖17所示。

圖17 斷梁效果圖

3.4 試驗結果及分析

3.4.1 B1工況

從圖18可看到，10.2 m~12.2 m、13.3 m~15.3 m、18.3 m~20.3 m三個距離范圍監測到RPC的應變隨著荷載逐級增加而變化，符合RPC梁長2 m的尺寸。在11 m、14.4 m、19.4 m三處出現峰值(其中11 m處為梁體表面，14.4 m和19.4 m處為梁體內部)，說明梁跨中產生裂縫。取這三個位置點的應變變化情況如圖19所示。抗彎開裂試驗中，梁體下部受拉，應變增大，變化方向為由表入內。因此梁體下部表面11 m處從14級荷載開始因為受拉應變突然增大，從21級荷載開始由于表面開裂過大，超過空間分辨率(10 cm)量程，采集信號失真，應變突降。而梁體內部14.4 m處和19.4 m處在15級載荷之前，沒有裂縫產生，應變緩慢增加；而在16~21級載荷之間，慢慢產生裂縫，但應變都是均勻增加，應變最高可達2 200με。在21級載荷之后，應變突然增大，說明此時目標梁的裂縫已經迅速增大，達到23級載荷時RPC梁已經發生斷裂。

圖18 B1工況逐級載荷下RPC應變分布圖

圖19 B1工況逐級載荷下11 m、14.4 m和19.4 m處應變分布圖

3.4.2 B2工況

此工況沒有在表面粘貼分布式光纜，兩段應變載荷分布均為埋入式光纜。圖20可看到，隨著荷載逐級增加，3.5 m~5.5 m、7.4 m~9.4 m兩段距離范圍內的應變隨之變化，符合RPC梁長2 m的尺寸，并在4.5 m、8.6 m處分別出現了峰值，說明梁跨中產生裂縫。取這2個位置點的應變變化情況如圖21所示，在13級載荷之前，沒有裂縫產生，應變緩慢增加；而在13~29級載荷之間，慢慢產生裂縫，但應變都是均勻增加，應變最高可達2 500με。在30級載荷之后，應變突然增大，說明此時目標梁的裂縫已經迅速增大，達到32級載荷時RPC梁已經發生斷裂。

圖20 B2工況逐級載荷下RPC應變分布圖

圖21 B2工況逐級載荷下4.5 m和8.6 m處應變分布圖

3.4.3 B3工況

從圖22可看到，3.3 m~5.3 m、7.3 m~9.3 m、10.7 m~12.7 m三個距離范圍監測到RPC的應變隨著荷載逐級增加而變化，符合RPC梁長2 m的尺寸。圖22中出現三個峰值，分別位于4.3 m、8.4 m、11.7 m處，說明梁跨中產生裂縫。取這三個位置點的應變變化情況如圖23所示，在15級載荷之前，沒有裂縫產生，應變緩慢增加；而在16~28級載荷之間，慢慢產生裂縫，但應變都是均勻增加，應變最高可達2 900με。在30級載荷之后，應變突然增大，說明此時RPC梁的裂縫已經迅速增大，達到31級載荷時試驗梁已經發生斷裂。

圖22 B3工況逐級載荷下RPC應變分布圖

圖23 B3工況逐級載荷下4.3 m、8.4 m和11.7 m處應變分布圖

4 結論

本文通過分布式光纖監測裂縫可行性試驗和高強筋活性粉末混凝土量抗彎開裂試驗，得到如下結論:①分布式傳感技術可有效識別并定位裂縫，且具有極高的裂縫測試精度。②分布式傳感技術具有良好的時、空連續性，可監測混凝土梁開裂過程，并準確定位裂縫位置。③與普通混凝土梁相比(極限拉伸應變為150με，拉斷應變為1 000με)，高強筋活性粉末混凝土梁的性能更強(最大應變>2 000με)。