基于單模-多模-單模光纖的鋼筋腐蝕監測技術

李 桐，唐福建，李宏男

（大連理工大學土木工程學院，遼寧大連 116024）

混凝土作為當今社會使用量大且面廣的材料，在重大建設工程中發揮著至關重要的作用，鋼筋混凝土結構已成為世界上應用最廣泛的結構形式.然而，隨著時間的推移、工程結構服役環境的變化，鋼筋混凝土結構的耐久性問題日益突出，由于鋼筋腐蝕引起結構的過早破壞，已成為全世界關注的一大災害.鋼筋腐蝕是鋼筋混凝土結構過早變質的主要原因之一［1-2］.中國工程院“腐蝕調查”結果顯示，2014年中國腐蝕總成本超過2萬億元人民幣，約占當年GDP的3.34%；美國標準局（NBS）的調查顯示，在美國，目前整個混凝土工程的價值約為6萬億美元，而每年用于維修或重建的費用預計高達3 000億美元.因此研究有效的鋼筋腐蝕監測方法，從而提高鋼筋混凝土結構的耐久性和安全性是十分必要的.

目前對于鋼筋腐蝕的監測方法主要分為電化學方法和非電化學方法.根據鋼筋的腐蝕機理與影響鋼筋腐蝕的因素得知，自然腐蝕電位、混凝土電阻率與腐蝕電流密度3個參數的獲取對預測鋼筋腐蝕有很大的作用，這3個參數的獲取都是通過電化學方法得到的［3］.張俊喜等［4］采用電化學阻抗譜（EIS）和極化曲線研究了供貨狀態鋼筋和打磨光滑鋼筋在模擬混凝土孔隙液中碳化漸變條件下的腐蝕行為；陳海燕等［5］通過測量鋼筋在不同pH值和不同氯離子濃度的模擬混凝土孔隙液中的穩態電位、腐蝕速率和陽極極化曲線，分析了腐蝕參數的變化規律.非電化學方法主要是應用各種傳感器進行鋼筋腐蝕監測，例如基于聲發射［6］、超聲導波［7］、氯離子濃度［8-9］、氧濃度［10］和其他參數［11］等變化的監測方法.

相較于上述傳統監測方法，光纖傳感器具有體積小、質量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕性強等優點.因此一些光纖傳感器已經應用于鋼筋腐蝕監測領域.由于鋼筋腐蝕會引起體積膨脹，Fuhr等［12］運用布拉格光纖光柵（FBG）間接地進行鋼筋腐蝕監測.Majumde等［13］提出了基于1對預應變光纖光柵的結構腐蝕監測傳感器，其監測機理是被測結構發生腐蝕時，會引起結構中預加應力的釋放.由于在鋼筋腐蝕過程中，環境折射率會發生改變，Zhang等［14］提出在化學腐蝕后的FBG表面濺射一層Fe-C膜.Chen等［15］在長周期光纖光柵上鍍一層Fe-C膜，通過光譜特征波長偏移量來監測鋼筋質量損失.

與上述光纖傳感器相比，單模-多模-單模（SMS）光纖傳感器具有制備簡單、價格便宜、靈敏度高等優點.陳耀飛等［16］提出了一種基于無芯光纖的單模-多模-單模結構的折射率光纖傳感器.Villar等［17］利用基于無芯光纖的單模-多模-單模（SMS）光纖傳感器來檢測風力發電機齒輪箱油的降解.王迎勛等［18］提出了一種單模-多模-單模結構的干涉型光纖溫度傳感器.目前國內外研究中還沒有利用SMS進行腐蝕監測的相關報道.因此，本文利用單模-多模-單模（SMS）光纖傳感器進行鋼筋腐蝕監測的試驗.試驗時將SMS光纖固定在打磨好的矩形鋼筋表面上，浸入質量分數為3.5%的NaCl溶液中進行腐蝕；在鋼筋腐蝕過程中，通過監測光譜透射峰對應的特征波長偏移量來達到監測鋼筋腐蝕量的目的.

1 SMS光纖傳感原理

本文研究的基于NCF的單模-多模-單模（SMS）光纖結構見圖1.在2段單模光纖（SMF）中熔接1段無芯多模光纖（NCF），就構成了SMS光纖傳感器.單模光纖由纖芯、包層和涂覆層構成，其直徑較小，只能傳播一種模式光信號；無芯多模光纖由包層和涂覆層構成，包層直徑比較大，可傳輸多種模式光信號.由于SMF和NCF結構參數不同，SMF中的基模傳輸到NCF中時會激發出多模光纖中一系列高階模式LPnm.當光從SMF耦合進入NCF時，只有線性偏振模LP0m存在并在NCF中傳輸［19］.將不同高階模式分別記為LP0m和LP0n，則2種模式的相位差取決于NCF的長度L和2種模式的縱向傳播常數差βmβn.本試驗采用的NCF可以看作是其包層由半徑無窮大的周圍環境充當、直徑較大的纖芯.2種模式的縱向傳播常數差由下式計算得到［18，20］：

圖1 基于NCF的SMS結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of SMS structure based on NCF

當輸入平坦的寬帶光時，因每個波長對應的透射強度不同，用光譜儀就會接收到一條具有一定分布的透射譜，在透射強度最大的波長處會有一個透射峰.當鋼筋在質量分數為3.5%的NaCl溶液中腐蝕時，由于鐵銹的生成會引起溶液中離子種類和濃度的改變，導致NCF周圍折射率發生改變.若保持外界其他條件不變，僅改變NCF周圍的折射率時，由式（2）可知，透射峰對應的特征波長會發生偏移，最終導致光譜儀接收到的整體響應譜線和透射峰出現移動.由式（2）可知，特征波長取決于無芯多模光纖周圍折射率的變化、無芯多模光纖長度和透射峰特性.

2 試驗

2.1 單模-多模-單模（SMS）光纖和鋼筋試件的制備

試驗使用的單模光纖（SMF）為纖芯直徑9μm、包層直徑125μm、涂覆層直徑250μm的光纖（G652D）.無芯多模光纖（NCF）為包層直徑125μm、涂覆層直徑250μm的光纖（FG125LA，Thorlabs）.制備SMS光纖時，首先使用光纖剝線鉗去除SMF和NCF表面涂覆層，并用光纖切割刀將SMF和NCF連接處端面切平；然后用酒精擦拭SMF與NCF的表面和端面，將SMF和NCF放入熔接機中熔接；最后用酒精擦拭光纖表面，保證其表面潔凈.連接在2段SMF之間的NCF長度分別為2、3、4 cm.

試驗所用鋼筋為直徑16 mm的HRB鋼筋.分別截取9根長度為10 cm的鋼筋段和3根長度為5 cm的鋼筋段.用砂輪將所有鋼筋段打磨出一個矩形平面，再用砂紙將矩形平面打磨光滑.將9根10 cm鋼筋段按照NCF長度分為3組，每組3根.將SMS光纖貼在3組10 cm鋼筋段表面，用于鋼筋腐蝕過程中光譜的測量.在3根5 cm鋼筋段端面距矩形平面較遠處鉆孔，將螺絲釘部分擰入孔中，螺絲釘露出部分纏繞銅導線；然后將這3根鋼筋段置于冷鑲嵌模具中，使用AB混合型水晶滴膠澆注，8 h后拆模.拆模后，用砂紙打磨鋼筋的矩形平面，其余部分仍被滴膠包裹保護，進行鋼筋腐蝕過程中的電化學測量.

2.2 光譜測量和極化曲線測量

光譜測量采用的鋼筋長度為10 cm.根據NCF長度將其分為3組，每組3根鋼筋，保證試驗的可重復性.使用膠帶將光纖兩端固定在鋼筋的光滑矩形平面，保證光纖呈水平狀態，然后將鋼筋浸沒在質量分數為3.5%的NaCl溶液中.在鋼筋腐蝕過程中，通過光譜儀（OSA，AQ6370D）記錄鋼筋腐蝕過程中SMS光纖的光譜變化，記錄間隔為5 min，光譜儀的掃描范圍為1 470～1 610 nm.

通過極化曲線（LPR）可以計算鋼筋的腐蝕電流密度，進而計算鋼筋的累積腐蝕量.在每次極化曲線測試前，記錄一個穩定的開路電位（EOCP）.極化曲線測試通過三電極裝置完成，其中：25.400 mm×25.400 mm×0.254 mm的鉑片電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，準備好的5 cm鋼筋試件為工作電極.三電極連接到電化學工作站（Gamry，Reference 600 potentiostat/galvanostat/ZRA）進 行數據采集.線性掃描的電壓范圍為開路電位附近的-20～20 mV，掃描速率為0.125 mV/s，1次/s.

3 試驗結果與分析

3.1 光譜測量結果

無芯多模光纖（NCF）長度為2 cm的單模-多模-單模（SMS）光纖在空氣和質量分數為3.5的NaCl溶液中的光譜見圖2.由圖2可見，SMS光纖在空氣中和NaCl溶液中的光譜形狀基本不變，透射峰對應的特征波長變大.這是多模光纖周圍的折射率由1.00（空氣）變為1.34（NaCl溶液）所致［21］.

圖2 SMS光纖在空氣中和質量分數為3.5%的NaCl溶液中的光譜Fig.2 Spectra of SMS optical fiber in air and 3.5%（by mass）NaCl solution

圖3為3種NCF長度下的SMS光纖在鋼筋腐蝕過程中的光譜變化.由圖3（a）可見：當NCF長度為2 cm時，在波長為1 490 nm處出現了一個較為明顯的波谷，波谷對應的波長為SMS光纖的特征波長；隨著腐蝕的進行，光譜的形狀基本不變，透射峰對應的特征波長隨著腐蝕時間的增加而發生紅移.由圖3（b）、（c）可見，同樣的規律發生在NCF長度為3、4 cm時.造成這種偏移的原因是鋼筋在腐蝕過程中生成腐蝕產物鐵銹，且溶液中離子的種類和濃度發生改變，造成多模光纖周圍折射率發生改變.鋼筋腐蝕過程中的主要化學反應如下：

圖3 3種NCF長度下的SMS光纖在鋼筋腐蝕過程中的光譜變化Fig.3 Spectral changes of SMS optical fiber with three NCF lengths during steel corrosion

上述式中的（s）、（l）、（g）、（aq）分別代表物質的狀態為固體、液體、氣體和溶液.

圖4為3種NCF長度下的SMS光纖特征波長的偏移量Δλ隨腐蝕時間的變化.由圖4可見，隨著腐蝕時間的增加，特征波長的偏移量均增加，且NCF長度越長，特征波長的最大偏移量越大：NCF長度為2 cm時，特征波長最大偏移量為18.70 nm；NCF長度為3 cm時，特征波長最大偏移量為33.55 nm；NCF長度為4 cm時，特征波長最大偏移量為68.45 nm.由此可見，NCF長度越長，特征波長的偏移量越大，即靈敏度越高.

圖4 3種NCF長度下的SMS光纖特征波長偏移量隨腐蝕時間的變化Fig.4 Characteristic wavelength changes with corrosion time of SMS optical fiber with three NCF lengths

3.2 電化學測量結果

將制備好的長5 cm鋼筋試件浸入質量分數為3.5%的NaCl溶液中，測試其開路電位EOCP隨腐蝕時間的變化，結果見圖5.由圖5可見，鋼筋的初始開路電位為-575 mV，在腐蝕開始后迅速下降，24 h之后趨于穩定，電位維持在-720 mV左右.圖6為鋼筋腐蝕的極化曲線，可以看到，隨著腐蝕時間的增加，鋼筋電位E逐漸減小，在24 h之后趨于穩定.極化阻抗Rp的計算式為：

圖5 開路電位隨腐蝕時間的變化Fig.5 Change of E OCP with corrosion time

圖6 鋼筋腐蝕的極化曲線Fig.6 LPR curve of steel bar corrosion

式中：ΔV和Δi分別表示極化曲線在i=0處線性段的電壓和電流密度增量.

對腐蝕電流密度的計算基于Stern-Geary方程式［22］：

由于在線性極化區無法直接得到Tafel斜率βa和βc（βa代表陽極斜率，βc代表陰極斜率），所以假設這2個值均為120 mV.根據上述假設值，Stern-Geary系數值為：

計算得到B值為26 mV，鋼筋露出的矩形截面面積為4.25 cm2.通過式（8）可以計算出每個Rp值對應的腐蝕電流密度icorr，得到極化阻抗和腐蝕電流密度隨腐蝕時間變化的曲線，見圖7.由圖7可見：極化阻抗和腐蝕電流密度均在較小范圍內波動，基本穩定；極化阻抗的波動范圍為963～2 071Ω·cm2，腐蝕電流密度的波動范圍為13～27μA/cm2.根據腐蝕電流密度可以計算相應時間段鋼筋的腐蝕量.根據法拉第定律：

圖7 極化阻抗和腐蝕電流密度隨腐蝕時間的變化Fig.7 Change of R p and corrosion current density with corrosion time

式中：m為金屬質量；t為時間；K為比例常數（電化當量），K=M Fn，其中的M為物質的摩爾質量，F為法拉第常數（數值為96 500 C/mol），n為化合物中正或負化合價總數的絕對值；I為電流強度，I(tk)=

根據式（10），可以求得每個時間段對應的鋼筋腐蝕量Δm.

3.3 鋼筋腐蝕量與SMS光纖特征波長偏移量之間的關系

圖8為鋼筋腐蝕量Δm與3種NCF長度下的SMS光纖特征波長偏移量Δλ的關系.由圖8可見，當鋼筋腐蝕量增加時，SMS光纖的特征波長偏移量隨之增大，因此SMS光纖可以用來進行鋼筋腐蝕的監測.但是，鋼筋腐蝕量與特征波長偏移量呈現出非線性關系.本文采用3次函數對兩者關系進行了擬合，發現擬合優度接近1.由此說明采用3次函數表示兩者關系較合適，擬合方程關系式也列于圖8.靈敏度是傳感器非常重要的參數之一，SMS光纖腐蝕監測的靈敏度即為圖8中擬合3次函數切線的斜率.由圖8可見，采用SMS光纖進行鋼筋腐蝕監測的靈敏度隨著多模光纖長度的增加而提高.另外需要注意的是，在一定時間范圍內，SMS光纖的靈敏度隨著腐蝕時間的增加發生先增大后減小的變化.這是由于在腐蝕初期，NCF表面是NaCl溶液，當鋼筋腐蝕生成Fe2+后，會使NCF周圍折射率發生改變，導致多模光纖包層折射率與外界環境折射率的差值變小，SMS光纖的靈敏度增大［23］；一段時間后，NCF表面被鋼筋腐蝕生成的鐵銹逐漸覆蓋，鋼筋繼續腐蝕而生成的過多Fe2+無法改變NCF附近溶液的折射率，導致SMS光纖的靈敏度下降.

圖8 鋼筋腐蝕量與3種NCF長度下的SMS光纖特征波長偏移量的關系Fig.8 Relationship of steel bar mass loss and characteristic wavelength changes of SMS optical fiber with three NCF lengths

4 結論

（1）鋼筋腐蝕引起SMS光纖透射光譜發生偏移，偏移量隨著無芯多模光纖（NCF）長度的增加而增加.在鋼筋腐蝕的48 h內，當NCF的長度分別為2、3、4 cm時，SMS光纖的特征波長最大偏移量分別為18.70、33.55、68.45 nm.

（2）SMS光纖的特征波長偏移量隨著鋼筋腐蝕量的增加呈現非線性增大趨勢，回歸分析發現鋼筋的累積腐蝕量與SMS光纖的特征波長偏移量呈3次函數關系.

（3）采用SMS光纖進行鋼筋腐蝕監測的靈敏度隨著鋼筋腐蝕產物生成量的增加先增大后減小，而且隨著NCF長度的增加，SMS光纖腐蝕監測的敏感性提高.