光纤传感混凝土碳纤维材料状态监测技术展望★

刘宏月 芮 棽

(1.上海大学机电工程及自动化学院，上海 200072;2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096; 3.中国电子科技集团公司第十四研究所，江苏 南京 210013)

光纤传感混凝土碳纤维材料状态监测技术展望★

刘宏月1,2芮 棽3

(1.上海大学机电工程及自动化学院，上海 200072;2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096; 3.中国电子科技集团公司第十四研究所，江苏 南京 210013)

以光纤传感技术在混凝土结构中碳纤维材料状态监测需求为背景，介绍了服役过程中混凝土结构面临的损伤问题、钢筋混凝土结构中碳纤维材料的应用现状及所面临的损伤问题、光纤传感技术在混凝土结构健康监测中的应用现状等，并对光纤传感在混凝土结构碳纤维材料监测的应用前景进行了相关展望。

光纤传感，港工环境，碳纤维材料，健康监测

在混凝土应用于土木工程领域中的150年间，由于在役环境中各种不利因素的存在,导致结构内部不断出现裂缝、腐蚀等损伤现象，进而使得大量混凝土结构由于各种各样的耐久性原因而提前失效。目前，新型混凝土材料的研发和后期混凝土结构加固技术已成为延长混凝土结构服役寿命的关键技术。

作为混凝土结构的主要增强用材，碳纤维材料在其服役期间将不可避免地受到环境侵蚀、疲劳损伤/断裂等因素影响，使得碳纤维材料的损伤问题越来越引起人们的关注。因此，对混凝土结构中碳纤维材料进行实时监测，及时评估碳纤维加固材料的服役及损伤状态，具有非常现实的意义[1]。

光纤传感器作为智能材料与结构领域发展的一个重要研究方向，具有质量轻、直径细、柔韧性好、集信号传感与传输于一体、便于构建分布式传感网络、抗电磁干扰能力强等诸多显著优点，特别适用于复杂环境下的多物理场参数监测。近年来，光纤传感技术已逐渐成为当前国内外土木结构监测领域的研究热点[2]。

1 混凝土结构碳纤维材料损伤概述

1.1 服役过程中混凝土结构面临的损伤问题

作为现今主要的建筑材料，混凝土以其经济、便于施工等众多优点，被广泛应用于各种建筑结构中。其中，钢筋混凝土结构综合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，逐渐被认为是土木工程结构设计中的首选形式，大量应用于桥梁、建筑、道路、大坝等工程中，是21世纪最主要的工程结构形式之一。

随着混凝土结构形式及材料功能的不断发展，作为衡量现代土木结构健康状态最直观的指标——服役期已从最初的二十年提高到了几十年甚至上百年。然而，对于许多基础设施及港口结构来说，在建成后不到二三十年甚至更短的时间内就已出现了大量的裂化、腐蚀等现象，图1a)为建成约20年的码头锈蚀维护图。20世纪80年代开始，各国陆续对在役混凝土结构的损伤状况进行了调研，如1987年仅美国就有约25万座混凝土桥结构出现了不同程度的破坏，且该现象正不断增长，其中部分桥梁服役不到20年；新中国建造的大量混凝土结构也仅在使用30年～40年、甚至不足20年的情况下发生了不同程度的破坏现象，钢筋锈蚀、裂化现象导致的混凝土结构损伤状态如图1所示[3]。

针对上述损伤问题,为进一步发挥混凝土结构在建筑结构承重、成本降低等方面的作用，建筑行业不可避免地面临以下两方面问题：1)为达到新型建筑的要求，不断发展和采用新型结构、新材料及新的施工工艺；2)对已有建筑结构进行定期鉴定评估和加固改造。早在20世纪80年代初，发达国家建筑结构的加固改造比例已呈现大幅增加的趋势，其中在新建工程与旧建筑维修加固的投资比例方面，瑞典为1∶1，丹麦为1∶6。在这种大幅增加趋势下，英国在旧建筑维修加固方面的投资已是60年代的近4倍。目前，新型混凝土材料的研发和后期混凝土结构加固技术已成为增加混凝土结构服役寿命的关键技术。

1.2 钢筋混凝土结构中碳纤维材料应用现状

自20世纪70年代应用于土木工程领域中以来，碳纤维材料以其无法比拟的性能优势迅速发展成为提高混凝土结构可靠性和维护性的主要建筑材料之一，其主要应用于碳纤维增强/功能混凝土和混凝土结构维修加固方面。在碳纤维增强/功能混凝土方面[4]，国外针对单向增强聚丙烯腈(PAN)碳纤维的研究始于70年代初期，但因价格昂贵而发展缓慢。1978年，得益于日本生产了通用级沥青基碳纤维，CFRC迅速发展。90年代后期，针对碳纤维混凝土导电性及其导电性应用的研究逐渐活跃起来，使得碳纤维增强/功能混凝土研究逐渐进入高速发展时期。在混凝土结构维修加固方面[5]，作为钢筋混凝土结构的主导加固方法，碳纤维加固钢筋混凝土结构技术得到了广泛的应用。1993年日本建筑院(AIJ)颁布了世界第一份关于FRP加固混凝土结构的设计指南，标志着FRP加固混凝土技术正式进入指南制定阶段。1996年JSCE正式颁布了《连续纤维材料补强加固混凝土结构物的设计及施工规程》。2000年日本建筑法制定了碳纤维材料住宅功能评价体系。现今，CFRP加固法已成为“Structural Faults and Repair”国际会议的重要专题之一。为进一步加强碳纤维材料在钢筋混凝土领域中新型材料研发和结构加固等方面发挥的作用，新加坡、日本、美国等国家的科研机构在此方面相继进行了大量基础及应用性研究。特别是在美国旧金山、洛杉矶、日本阪神大地震之后，碳纤维材料在混凝土结构中的优越性得到了充分体现。目前，碳纤维材料在新型混凝土研发和后期混凝土维护中的应用情况和使用量已成为保障钢筋混凝土结构安全服役的重要标志之一。

1.3 混凝土结构碳纤维材料面临的损伤问题

由于结构内部或周围环境中温度、湿度、污染等各种不利因素的存在，使得应用于混凝土结构增强及加固的碳纤维材料不可避免的出现退化、变质等损伤现象。损伤环境作用下，混凝土结构碳纤维材料老化主要包括增强混凝土内部碳纤维老化、加固用碳纤维结构老化、加固用碳纤维结构疲劳断裂等。此外，加固用碳纤维结构的剥离破坏损伤也逐渐成为混凝土结构碳纤维材料的主要损伤问题。在沿海、近海等港口工程环境中，剥离破坏等损伤形式可使混凝土结构碳纤维材料丧失其耐久性，最终造成结构提前失效，碳纤维断裂损伤状态微观结构如图2所示[6]。如何提高碳纤维复合材料结构的可靠性以及实现结构的长期安全服役都已成为当前亟需解决的关键问题，因此，研制新型碳纤维复合材料状态监测系统日益成为人们的关注热点。

目前国内外在该领域的研究尚处于起步阶段，与之相关的数值计算和试验研究面临着许多技术困难。相关实验研究有助于进一步掌握混凝土结构中碳纤维材料状态监测的实验研究手段，可为混凝土结构中碳纤维材料的进一步应用提供基础。

2 光纤传感器概述

2.1 光纤传感技术在混凝土结构健康监测中的应用

随着混凝土技术的飞速发展，钢筋混凝土结构的安全性和经济性问题日益突出，混凝土结构健康监测技术在保障新型材料可靠性、提高结构安全性、减少经济损失、降低维护费用等方面具有

重要意义。作为智能材料与结构领域发展的一个重要方向，光纤传感器已成为当今国内外桥梁、码头等大型土木结构状态监测领域的研究热点。对于混凝土结构腐蚀方面研究，现阶段大量学者主要针对混凝土内部钢筋结构锈蚀损伤状态进行研究[3]。针对钢筋混凝土环境中的氯离子浓度检测，Fuhr等人结合光纤传感技术与Fajans方法，实现了光纤传感氯离子浓度的定量检测。Bennett K D提出了一种基于光纤微弯效应的“锈蚀”传感方案。重庆大学黎学明和陈伟民等人采用将Fe-C合金膜作为局部光纤包层构成锈蚀敏感膜的方法，构建光功率变化与锈蚀钢筋周围环境pH值的变化模型，进而获取钢筋锈蚀信息。李俊和吴瑾等人研制了基于FBG应变传感的钢筋锈蚀传感器，并对其进行了混凝土埋入实验。刘宏月等人将LPFG折射率敏感、微弯特性与钢筋腐蚀相结合，提出了基于LPFG传感的钢筋锈蚀传感器。

2.2 光纤传感在混凝土结构碳纤维材料监测的应用前景

上述研究成果主要集中在混凝土内部钢筋腐蚀、内环境监测等方面，针对服役状态下增强混凝土内部碳纤维材料损伤、加固用碳纤维剥离损伤状态监测方面的研究相对较少。本文提出将光纤传感技术引入到港口工程环境下增强混凝土结构碳纤维材料损伤状态监测领域，建立相应传感模型，进而实现对增强混凝土内部碳纤维材料损伤状态的监测。

3 结语

光纤传感技术已成为混凝土结构状态监测领域最重要的技术之一。基于上述研究,以提升混凝土结构服役寿命为目标，可将光纤传感技术与典型港工环境下混凝土结构碳纤维材料状态监测相结合，进而提升碳纤维加固后混凝土结构的可靠性以及光纤结构健康监测技术在碳纤维材料监测领域的适用性。

[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] 刘宏月.光纤光栅传感器在结构健康监测中的应用研究[D].南京：南京航空航天大学博士学位论文，2012.

[4] 陆见广.碳纤维智能混凝土梁的力电效应研究[D].南京：南京理工大学硕士学位论文，2007.

[5] 翟文涛.桥梁加固与改造技术的研究与应用[D].西安：西安建筑科技大学硕士学位论文，2008.

[6] 孙丽莉.玻璃纤维增强树脂基复合材料的细观破坏研究[D].济南：山东大学博士学位论文，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★:国家自然科学基金(项目编号:51308108)；国家自然科学基金项目国际交流(项目编号:51161120326)；中国博士后科学基金特别资助(项目编号:2014T70457)；中国博士后科学基金A类资助(项目编号:2013M540407)；江苏省博士后科研资助计划(项目编号:1301026B)和东南大学博士后重点科研资助计划资助的课题

刘宏月(1983- ),女,博士后,讲师； 芮 棽(1990- ),男,硕士

TU198

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