張文鋒，馬化雄，趙立鵬

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其造價(jià)低廉、適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于土木工程中，現(xiàn)已成為主要結(jié)構(gòu)形式之一。通常情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性較好，但處于較惡劣環(huán)境（如海洋環(huán)境、腐蝕性大氣環(huán)境等）中時(shí)，難免遭受侵蝕、破壞等，致使結(jié)構(gòu)的耐久性不足，直接影響整體結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，甚至造成建筑物過早破壞。

目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題已成為當(dāng)今世界工程界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素包括鋼筋腐蝕、寒冷氣候下的凍害和侵蝕環(huán)境下的物理化學(xué)作用等，其中鋼筋腐蝕是影響耐久性的首要原因[1]。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋腐蝕普遍存在，而且隨著腐蝕的發(fā)展，將發(fā)生混凝土脹裂，使得鋼筋腐蝕在后期加速發(fā)展，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)維修難度和成本增大。因此，有必要研發(fā)鋼筋腐蝕的監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握鋼筋腐蝕信息，盡早發(fā)現(xiàn)腐蝕，及時(shí)采取預(yù)防措施，以達(dá)到提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、保障結(jié)構(gòu)安全和降低維護(hù)難度及成本的目標(biāo)。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋所處內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，使得傳統(tǒng)腐蝕檢測(cè)方法的應(yīng)用存在一定的局限性。目前，常用鋼筋腐蝕檢測(cè)方法有剔鑿檢測(cè)法、鉆孔取樣法、半電池電位法、混凝土電阻率測(cè)量法和綜合分析判斷法等[2]。剔鑿檢測(cè)法和鉆孔取樣法能夠較準(zhǔn)確地反映鋼筋腐蝕狀況，但兩者都會(huì)破壞結(jié)構(gòu)的完整性。半電池電位法、混凝土電阻率測(cè)量法和綜合分析判斷法對(duì)結(jié)構(gòu)破壞極小或無破壞，但三者只能定性地判斷鋼筋腐蝕狀態(tài)。

鋼筋腐蝕屬于電化學(xué)過程，因此可利用電化學(xué)技術(shù)檢測(cè)鋼筋的腐蝕狀況。用于檢測(cè)鋼筋腐蝕狀況的電化學(xué)技術(shù)，除上述半電池電位法以外，還有線性極化、交流阻抗、電阻探針、電化學(xué)噪聲等[3]。基于上述電化學(xué)技術(shù)，研究人員研發(fā)了一系列內(nèi)嵌式傳感器和手持式檢測(cè)設(shè)備，其中一些已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用并具有良好的使用效果。但由于鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)周期一般較長(zhǎng)，采用手持式設(shè)備人工監(jiān)測(cè)將導(dǎo)致鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)在時(shí)間上的不連續(xù)性，帶來報(bào)警不及時(shí)的問題。此外，人工監(jiān)測(cè)易受外部條件（如碼頭結(jié)構(gòu)、天氣狀況等）和人為因素的影響，且檢測(cè)工作量大，耗費(fèi)人力物力。

而內(nèi)嵌式傳感器可長(zhǎng)久安置于混凝土中，在不破壞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鋼筋腐蝕的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，能較好地克服人工監(jiān)測(cè)的不足，現(xiàn)已成為國內(nèi)外鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的內(nèi)嵌式傳感器有S+R陽極梯形、CorroWatch多探頭腐蝕傳感器和ECI埋入式腐蝕監(jiān)測(cè)儀等[4]。盡管上述傳感器應(yīng)用效果良好，但仍存在著一些問題，例如：探頭較敏感易氧化，因此施工前盡量使傳感器處于密封狀態(tài)；傳感器體積較大，影響鋼筋周圍的腐蝕環(huán)境，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性遭到質(zhì)疑；電化學(xué)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果易受電磁干擾、溫濕度變化等因素的影響；由于基于不同的電化學(xué)理論，不同電化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)之間的判斷結(jié)論不統(tǒng)一。

綜上所述，開發(fā)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無損檢測(cè)、定量分析、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)處理等功能，且體積較小、受外界干擾小的鋼筋腐蝕智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

光纖傳感器作為新一代智能傳感器，集信息傳輸與傳感于一體，具有抗腐蝕、耐高溫、體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[5]，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于上述特性以及在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的良好表現(xiàn)，光纖傳感器被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)鋼筋腐蝕智能化監(jiān)測(cè)的重要研究方向之一，現(xiàn)已成為鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的新熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)電阻應(yīng)變儀相比，光纖傳感器可更為有效地監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋腐蝕應(yīng)變[6]。

1 混凝土中鋼筋腐蝕的機(jī)理與特點(diǎn)

通常情況下，混凝土中的鋼筋在高堿性環(huán)境中會(huì)逐漸形成一層致密的表面鈍化膜，保護(hù)鋼筋免受腐蝕[7]。如果鋼筋所處的致鈍環(huán)境長(zhǎng)期保持，那么在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，鋼筋的表面鈍化膜是穩(wěn)定的。然而，當(dāng)混凝土受到氯離子侵蝕或碳化等因素的影響時(shí)，鋼筋所處環(huán)境的堿性將會(huì)下降，導(dǎo)致鋼筋的鈍化膜產(chǎn)生局部破壞。一旦引起腐蝕的其它條件（維持腐蝕的水和氧）具備，鋼筋將發(fā)生腐蝕。混凝土中的鋼筋銹蝕，屬于電化學(xué)過程，電化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式如下[8]：

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e=4OH-

陽極反應(yīng)：Fe-2e=Fe2+

總反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2

腐蝕產(chǎn)物Fe（OH）2可進(jìn)一步氧化，生成2價(jià)或3價(jià)的氧化物與水化物（由氧的供給量決定）即鐵銹。鐵銹較元素鐵體積脹大2.5～6倍，一旦產(chǎn)生會(huì)使混凝土保護(hù)層開裂、剝落，加速鋼筋的進(jìn)一步腐蝕[8]。上述腐蝕機(jī)理表明，伴隨著鋼筋在混凝土中的腐蝕，鋼筋的一些物理參量（如體積、顏色、表面狀態(tài)等）將發(fā)生改變。通過監(jiān)測(cè)這些物理量的變化，可以直接反映鋼筋的腐蝕狀況。基于上述思路，一些學(xué)者利用光纖傳感器監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的物理變化，以監(jiān)測(cè)鋼筋的腐蝕狀況。目前，監(jiān)測(cè)最多的物理變化是鋼筋銹蝕所引起的體積膨脹。

2 光纖傳感器的工作原理

光纖傳感器以其優(yōu)越的性能在鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。目前，被用于鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)研究的光纖傳感器主要有微彎型光纖傳感器、光纖布拉格光柵型傳感器、長(zhǎng)周期光纖光柵型傳感器，光波導(dǎo)型傳感器等。下面簡(jiǎn)要介紹上述各種傳感器的工作原理。

2.1 微彎型傳感器

當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí)，由于微彎作用導(dǎo)致光纖內(nèi)模式間的耦合，使傳輸光的部分能力泄漏到包層中去，將造成微彎損耗，這就是光纖的微彎效應(yīng)[9]。微彎型傳感器利用上述微彎效應(yīng)來檢測(cè)被測(cè)物理量的變化，屬于強(qiáng)度調(diào)制型傳感器。

2.2 光纖布拉格光柵型傳感器

光纖布拉格光柵滿足布拉格條件λBragg=2nΛ，其中λBragg、n和Λ分別為布拉格中心波長(zhǎng)，光纖芯層的有效折射率和光柵周期。當(dāng)光纖光柵所探測(cè)的物理量變化時(shí)，n或Λ將發(fā)生相應(yīng)改變，造成λBragg的漂移。光纖布拉格光柵傳感器利用中心波長(zhǎng)的漂移探測(cè)被測(cè)物理量的變化，光柵周期小于1μm，屬于波長(zhǎng)調(diào)制型反射傳感器[9]。

2.3 長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器

長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器[10]也屬于光纖光柵型傳感器，但其光柵周期一般大于100μm。長(zhǎng)周期光柵的相位匹配條件為：

式中：nco和分別為纖芯和第p層軸對(duì)稱包層模的折射率；λ（p）為第p階包層模的透射波長(zhǎng)；Λ為光纖光柵周期。

2.4 光波導(dǎo)傳感器

光纖是一種實(shí)用的波導(dǎo)，根據(jù)波導(dǎo)理論，當(dāng)光在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，光波將在所有纖芯與包層界面處發(fā)生全反射而沿光纖全長(zhǎng)傳輸。然而，當(dāng)光纖包層被金屬包層取代后，波導(dǎo)條件將被破壞，在該金屬包層區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)部分光泄漏或雙折射現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出光能量或偏振態(tài)發(fā)生變化。通過檢測(cè)輸出光能或偏振態(tài)的變化，可以判斷金屬的腐蝕狀態(tài)。當(dāng)金屬包層成份與被測(cè)材料成份相同時(shí)，該類型傳感器就可以用于監(jiān)測(cè)被測(cè)材料的腐蝕[11]。

3 監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的光纖傳感器

為實(shí)現(xiàn)光纖傳感技術(shù)在鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的工程應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者反復(fù)探索，不斷創(chuàng)新，將鋼筋腐蝕過程中發(fā)生的物理變化和光纖傳感技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成了多種可監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的光纖傳感器方案。

3.1 基于“腐蝕保險(xiǎn)絲”的光纖腐蝕傳感器

“腐蝕保險(xiǎn)絲”光纖傳感器利用了光纖的微彎效應(yīng)[12]。其基本原理是：將多模光纖彎曲成直徑為數(shù)mm的圈，并用“腐蝕保險(xiǎn)絲”（鋼絲或鋼絲環(huán)）固定。光到達(dá)彎曲處時(shí)，由于折射光的強(qiáng)度將會(huì)下降。當(dāng)“腐蝕保險(xiǎn)絲”在環(huán)境中腐蝕斷開后，光纖將會(huì)松弛并趨向變直，導(dǎo)致探測(cè)光的強(qiáng)度增加，據(jù)此可以判斷腐蝕狀態(tài)。但這種傳感器只有當(dāng)“腐蝕保險(xiǎn)絲”腐蝕至斷裂時(shí)，才能判斷腐蝕的發(fā)生與否，無法監(jiān)測(cè)腐蝕過程。圖1為基于“腐蝕保險(xiǎn)絲”的光纖傳感器的基本原理示意圖。

圖1 基于“腐蝕保險(xiǎn)絲”的光纖傳感器基本原理

3.2 基于鐵銹顏色檢測(cè)的腐蝕傳感器

這種腐蝕傳感器基于鋼筋銹蝕前后顏色變化和比色法的原理，可通過腐蝕造成的顏色變化，直接反映腐蝕狀態(tài)[13]。但存在如下問題：信噪比較小，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度低；需建立龐大的標(biāo)準(zhǔn)圖譜數(shù)據(jù)庫，可操作性不強(qiáng)；屬于定性分析，無法定量反映腐蝕程度。

3.3 基于彈簧銹蝕的光纖腐蝕傳感器

圖2為彈簧銹蝕光纖腐蝕傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖[14]。該器件由光纖光柵、有預(yù)應(yīng)力的鋼彈簧和一些機(jī)械部件組合而成。其基本工作原理是：當(dāng)鋼絲被腐蝕變細(xì)時(shí)，其彈性系數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，從而改變光纖光柵所受的拉力。通過監(jiān)測(cè)光纖光柵的波長(zhǎng)漂移就可以感知鋼絲被銹蝕的程度[14]。盡管該傳感器在一定程度上可以監(jiān)測(cè)鋼絲的腐蝕過程，但由于鋼絲選擇過粗導(dǎo)致其對(duì)腐蝕的靈敏度有限。此外，彈簧與支架之間的摩擦力導(dǎo)致波長(zhǎng)變化不平滑。

圖2 基于彈簧銹蝕的光纖腐蝕傳感器

3.4 基于腐蝕敏感膜的光纖腐蝕傳感器（腐蝕敏感膜傳感器）

腐蝕敏感膜傳感器是一種基于光波導(dǎo)理論的傳感器。該傳感器通過Fe-C合金膜局部取代光纖介質(zhì)包層，構(gòu)成腐蝕敏感膜，獲取鋼筋腐蝕信息。圖3為這種傳感器的典型結(jié)構(gòu)示意圖。Fe-C合金膜在電化學(xué)腐蝕過程中，光功率變化速度最大處的電位與腐蝕電流峰電位對(duì)應(yīng)，可見測(cè)量腐蝕過程中的光功率可以獲取腐蝕信息[15]。HNO3腐蝕實(shí)驗(yàn)、中性鹽霧試驗(yàn)等不同腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的加速腐蝕實(shí)驗(yàn)[16]也得到了上述結(jié)論。當(dāng)傳感器在混凝土中進(jìn)行加速腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，光纖傳感器的輸出光功率變化與周圍介質(zhì)的pH值變化（由鋼筋腐蝕引起）呈對(duì)應(yīng)關(guān)系[17]。上述研究均表明該傳感器可用于監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋的腐蝕。

盡管腐蝕敏感膜傳感器用于監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕具有一定的可行性，但還存在著一些問題。如腐蝕敏感膜的制備方法仍需改進(jìn)；腐蝕傳感器的傳感規(guī)律尚不明確；腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路較單一，研究不夠系統(tǒng)；傳感器還未能定量分析等。針對(duì)這些問題，許多學(xué)者展開了相關(guān)研究。

圖3 基于腐蝕敏感膜的光纖腐蝕傳感器

3.4.1 腐蝕敏感膜的制備方法

作為光波導(dǎo)腐蝕傳感器的關(guān)鍵元件，F(xiàn)e-C合金膜質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到傳感器的成功與否。然而，鐵材質(zhì)疏松且與石英玻璃親和力差，在光纖上直接制備Fe-C膜難度大。因此，光波導(dǎo)傳感器成敗的關(guān)鍵，就是如何在光波導(dǎo)上制備Fe-C膜。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，大致可分為兩類。第一類是直接在光纖表面真空蒸鍍一層Fe-C膜[18-19]。該方法制備的Fe-C合金膜衍射峰位與碳鋼一致[19]，但制備時(shí)間長(zhǎng)且膜厚比較小[20]，而且存在氧化問題需嚴(yán)格控制工藝。盡管光信號(hào)對(duì)敏感膜的腐蝕信息有響應(yīng)[18-19]，但有鑒于上述缺陷，直接真空蒸鍍Fe-C合金膜作為腐蝕敏感膜可行性并不高。

另一類是先使纖芯表面金屬化，形成一層很薄的中間導(dǎo)電膜，然后通過電鍍?cè)谥虚g膜上沉積一定厚度的Fe-C合金膜。中間導(dǎo)電膜可以解決光纖與Fe-C親和力差以及光纖金屬化的問題[11]。然而，只有當(dāng)中間導(dǎo)電膜厚度小于所用光波波長(zhǎng)時(shí)，F(xiàn)e-C合金膜的腐蝕信息才能通過光纖傳感[15]，而且導(dǎo)電層連續(xù)才能獲得質(zhì)量較好的Fe-C合金膜[21]。因此，中間導(dǎo)電膜的質(zhì)量直接關(guān)系到Fe-C合金膜的腐蝕敏感性。

目前，F(xiàn)e-C合金使光纖金屬化（制備中間導(dǎo)電膜）的方法有分為化學(xué)鍍和物理氣相沉積兩類。化學(xué)鍍包括化學(xué)鍍Ag[11，15]、化學(xué)鍍Cu[20]等。物理氣相沉積 （PVD） 包括離子濺射鍍金[20-21]、磁控濺射鍍鎳[21-22]、PVD濺射鍍Fe-C合金[23]、真空蒸鍍Fe-C合金膜[19-20]和離子濺射鍍Fe-C合金膜[20]等。化學(xué)鍍時(shí)，為增加結(jié)合力，纖芯表面需進(jìn)行粗化處理。粗糙的線芯表面增加了光泄露量，而且會(huì)對(duì)隨后電鍍帶來負(fù)面影響[20]，因此化學(xué)鍍存在一定的局限性。離子濺射制備Fe-C合金膜時(shí)，F(xiàn)e-C合金膜會(huì)發(fā)生嚴(yán)重氧化[20]。磁控濺射鍍Ni工藝簡(jiǎn)單，獲得的鎳膜均勻連續(xù)而且與基體結(jié)合力很強(qiáng)。然而，鎳基體上電鍍得到的Fe-C合金膜表面氣孔較多，厚度小，而且不均勻，局部鍍層已脫落[21]。真空蒸鍍與電鍍復(fù)合制備的Fe-C合金膜結(jié)構(gòu)和耐蝕性與普通碳鋼近似，而且利于電鍍技術(shù)可有效增加真空蒸鍍Fe-C合金膜的厚度[19]。PVD濺射鍍制備Fe-C合金膜在纖芯周圍厚度分布均勻、表面光滑，但由于電鍍過程中纖芯表面電流分布不均勻，導(dǎo)致復(fù)合制備合金膜表面不夠光滑均勻[23]。濺射鍍金與電鍍復(fù)合制備Fe-C合金膜用時(shí)較短，獲得的鍍層厚度較大[21]。盡管金膜對(duì)敏感膜對(duì)光功率的負(fù)面影響大于真空蒸鍍的Fe-C膜，但濺射鍍金與電鍍法復(fù)合制備的敏感膜光功率變化幅度卻更大，可見其傳感性能更好。但需要指出的是，從上述傳感器的試驗(yàn)效果看，中間導(dǎo)電膜的引入或多或少會(huì)對(duì)Fe-C合金膜腐蝕敏感性產(chǎn)生一定負(fù)面影響[11，21]。

3.4.2 腐蝕敏感膜傳感器的傳感規(guī)律

腐蝕敏感膜傳感器的傳感規(guī)律（即輸出光功率隨腐蝕的變化規(guī)律）與傳感器所處的腐蝕環(huán)境密切相關(guān)。當(dāng)傳感器在混凝土環(huán)境中時(shí)，輸出光功率隨腐蝕進(jìn)程的變化規(guī)律不明顯；而在液體腐蝕環(huán)境中時(shí)，輸出光功率隨腐蝕進(jìn)程的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律性。在低濃度腐蝕溶液中，不同厚度的Fe-C合金膜由外至內(nèi)均勻腐蝕，輸出光功率在腐蝕末期急劇增大；在高濃度腐蝕溶液中，F(xiàn)e-C金屬膜在局部產(chǎn)生裂紋，隨裂紋擴(kuò)張膜層被逐塊腐蝕掉；輸出光功率整體趨勢(shì)增大，但未見特別急劇的增大現(xiàn)象。在混凝土試塊中，輸出光功率的變化不規(guī)律，但整體趨勢(shì)還是一個(gè)增大的過程[23]。

3.4.3 腐蝕敏感膜傳感器的定量監(jiān)測(cè)方案

定量監(jiān)測(cè)是鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向和難點(diǎn)之一。目前，關(guān)于腐蝕敏感膜的研究主要在定性研究，定量分析還不多，下面是一個(gè)定量監(jiān)測(cè)的方案。

不同厚度的Fe-C合金膜基本都在膜還剩大約1～2μm時(shí)，光功率迅速增加，故單個(gè)傳感器只能定性判別腐蝕程度。但若將多個(gè)不同厚度傳感器放在一起時(shí)，不同厚度的膜會(huì)在不同腐蝕程度產(chǎn)生響應(yīng)（光功率迅速增大），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕程度的定量監(jiān)測(cè)[20]。

3.4.4 其它腐蝕敏感膜傳感器

一般情況下，腐蝕敏感膜傳感器的敏感膜與光波的傳輸方向平行（以下簡(jiǎn)稱“平行式傳感器”）。隨著敏感膜腐蝕傳感器研究的發(fā)展，近年來國內(nèi)外學(xué)者提出了敏感膜與光波傳輸方向垂直的傳感器[24-25]（以下簡(jiǎn)稱“垂直式傳感器”）。垂直式傳感器與平行式傳感器的工作原理相同，不同點(diǎn)在于敏感膜的方向。圖4是典型的垂直式傳感器[24]。其制作方法是沿垂直方向?qū)⒐饫w切斷，經(jīng)處理后在平整的光纖尾部通過濺射敏感膜。圖5為另一種垂直式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖[25]。與上個(gè)例子的主要不同點(diǎn)是：傳感器采用兩根光纖，一根為單模光纖（SMF），輸入光波；另一根為多模光纖（MWF），接收反射光波。光纖尾部未采用濺射技術(shù)鍍覆敏感膜，而是使用焊有腐蝕敏感膜的鋼套管。

綜上所述，腐蝕敏感膜傳感器靈敏度高，用于監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕具有可行性，是極具潛力的鋼筋腐蝕傳感器。但還有一些問題值得關(guān)注和解決。

1） 傳感器的研究目前主要集中于定性研究，定量研究報(bào)道較少。

2） 傳感器腐蝕監(jiān)測(cè)基于光強(qiáng)調(diào)制，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)光強(qiáng)也會(huì)改變，因此實(shí)際使用過程中還應(yīng)配備參比光纖（即未鍍膜的光纖）監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行補(bǔ)償。

3） 腐蝕敏感膜與光纖之間存在中間導(dǎo)電膜影響合金膜的腐蝕敏感性。

4） 腐蝕敏感膜存在整塊掉落的風(fēng)險(xiǎn)，而且鍍層厚度和成分往往不均勻，因此制備方法還需深入研究。

5） 腐蝕敏感膜傳感器比較脆弱，難以滿足混凝土結(jié)構(gòu)的粗放式施工要求，還需對(duì)其埋入工藝進(jìn)行深入探討，以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

圖4 典型的垂直式傳感器

圖5 另一種垂直式傳感器

3.5 基于鋼筋腐蝕膨脹的光纖腐蝕傳感器（鋼筋腐蝕膨脹傳感器）

鋼筋腐蝕過程中，表面會(huì)生成鐵銹，導(dǎo)致鋼筋體積膨脹。通過監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕過程中體積的變化，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土中鋼筋的腐蝕狀況。國內(nèi)外學(xué)者將鋼筋腐蝕膨脹這一基本原理和光纖傳感技術(shù)融合形成了多種形式的鋼筋腐蝕膨脹傳感器。

3.5.1 基于光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的鋼筋腐蝕膨脹傳感器（FBG傳感器）

光纖布拉格光柵傳感技術(shù)利用中心波長(zhǎng)調(diào)制獲得傳感信息，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。研究表明，將光纖布拉格光柵用于測(cè)量混凝土中鋼筋的腐蝕，測(cè)量精度優(yōu)于±0.1μm，測(cè)量范圍約12μm，特別適用于混凝土中鋼筋腐蝕的早期監(jiān)測(cè)[26]。目前，光纖光柵傳感技術(shù)已成為國內(nèi)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，并形成了多種形式鋼筋腐蝕傳感器。

早期的FBG傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將光纖光柵直接黏固在圓形鋼棒或帶肋鋼筋表面[26]。這種傳感器原理簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，適合監(jiān)測(cè)鋼筋的早期腐蝕。然而，裸光纖光柵無法勝任混凝土粗放式施工，實(shí)用性不強(qiáng)。對(duì)上述傳感器進(jìn)行改進(jìn)，在鋼筋上拋光出一定長(zhǎng)度和深度區(qū)域，并用鋼絲網(wǎng)保護(hù)，可較好地保護(hù)光纖[27]。然而，當(dāng)這類傳感器埋入混凝土?xí)r，將受到各個(gè)方向應(yīng)力的作用，這些應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致光纖中心波長(zhǎng)漂移。因此，需對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行修正以更準(zhǔn)確表征腐蝕作用造成的漂移量。采用波長(zhǎng)-應(yīng)變系數(shù)能夠解決上述問題[28]。但這類傳感器的光纖長(zhǎng)期處于彎曲狀態(tài)將影響光纖傳感器的壽命。此外，鋼筋在混凝土中腐蝕膨脹時(shí)，光纖固定點(diǎn)黏結(jié)力將下降，可能導(dǎo)致光纖滑移或脫落，影響測(cè)量精度。圖6和圖7分別為早期的和改進(jìn)后的FBG傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 早期的FBG傳感器

圖7 改進(jìn)后的FBG傳感器

隨后提出的FBG傳感器方案在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有重大變化，盡量避免光纖彎曲，更多考慮光纖保護(hù)。圖8是以單根鋼筋為腐蝕主體的光纖光柵傳感器（單筋傳感器）[29]。單筋傳感器包括鋼筋、光纖光柵、不銹鋼支座和不銹鋼支桿。鋼筋置于兩不銹鋼凹槽之間，光柵1和光柵2分別傳感腐蝕信息和溫度信息。整個(gè)傳感器采用酚醛樹脂封裝、保護(hù)并設(shè)置多個(gè)小孔。該傳感器考慮了光纖的保護(hù)問題，但兩條光纖垂直分布不利于實(shí)際布線。此外，鋼筋與不銹鋼支座直接接觸，可能會(huì)導(dǎo)致電偶腐蝕，加速鋼筋腐蝕，難以有效模擬鋼筋的真實(shí)腐蝕歷程。

圖8 單筋光纖光柵腐蝕傳感器

圖9和圖10是以兩根鋼筋為腐蝕主體的光纖光柵傳感器（雙筋傳感器）。雙筋傳感器將兩根鋼筋緊密排列后，使光纖與鋼筋固定。當(dāng)鋼筋腐蝕時(shí)，體積膨脹，兩根鋼筋便會(huì)互相推開，引起光柵波長(zhǎng)變化，通過測(cè)定波長(zhǎng)便可獲得鋼筋腐蝕程度和腐蝕速率[30-31]。雙筋傳感器有兩代產(chǎn)品，主要不同點(diǎn)在于鋼筋與光纖的固定方式。第一代傳感器將光纖直接黏貼在兩根鋼筋頂部。傳感器可能會(huì)由于局部腐蝕即頂部和底部腐蝕產(chǎn)物數(shù)量不同，傳遞不精確的信息，而且不利于光纖保護(hù)。第二代傳感器將光纖放置在剖開鋼筋的通槽中，較好地避免了上述問題，并進(jìn)行了如下工作：引入不銹鋼溫度補(bǔ)償傳感器和特種砂漿封裝技術(shù)[31-32]；通過加速腐蝕試驗(yàn)，建立了傳感器信號(hào)與鋼筋腐蝕率的定量關(guān)系[32-33]；采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，提出了鋼筋腐蝕傳感器的優(yōu)化布置方案[33]。這些工作為傳感器的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)奠定了良好基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)表明[33-34]，雙筋傳感器具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。然而，該傳感器以雙筋接觸面的腐蝕作為腐蝕信號(hào)來源，但實(shí)際腐蝕不均勻，可能先從其它面腐蝕。由于砂漿和鋼筋之間有間隙，其它面早期腐蝕膨脹信號(hào)很難被光纖光柵捕捉。

圖9 第一代雙筋光纖光柵腐蝕傳感器

圖10 第二代雙筋光纖光柵腐蝕傳感器

3.5.2 基于長(zhǎng)周期光纖光柵傳感技術(shù)的鋼筋腐蝕膨脹傳感器（LPFG傳感器）

利用長(zhǎng)周期光纖光柵（LPFG）監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕，可以避免環(huán)境溫度、應(yīng)變的交叉影響，因此無需采用溫度補(bǔ)償傳感器。這種方法測(cè)量鋼筋腐蝕厚度的準(zhǔn)確度可達(dá)1.2μm，測(cè)量范圍達(dá)3 mm，適用于混凝土中鋼筋腐蝕的早期至中期監(jiān)測(cè)[35]。目前，LPFG傳感器監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕還處于起步階段。圖11和圖12是兩個(gè)典型LPFG傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖[35-36]。前者基于LPFG的微彎效應(yīng)，利用其透射光譜隨彎曲度增加逐漸變淺、諧振波長(zhǎng)處的光功率與LPFG的彎曲度成線性這一特性，將鋼筋腐蝕膨脹與光柵彎曲相結(jié)合[35]。后者基于LPFG折射率敏感特性，將混凝土內(nèi)鋼筋周圍環(huán)境折射率與LPFG透射光譜相關(guān)聯(lián)，獲得鋼筋腐蝕程度與LPFG諧振峰波長(zhǎng)之間的關(guān)系[36]。LPFG傳感器的準(zhǔn)確度低于FBG傳感器，但監(jiān)測(cè)范圍卻遠(yuǎn)大于FBG傳感器，兩者適用于鋼筋腐蝕的不同階段。若將兩者組合使用可能會(huì)達(dá)到更好的效果。

圖11 基于微彎效應(yīng)的LPFG傳感器

圖12 基于折射率敏感特性的LPFG傳感器

3.5.3 基于布里淵光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)的鋼筋腐蝕膨脹傳感器（BODTA傳感器）

光纖中自發(fā)布里淵散射光的頻移及功率變化與溫度及應(yīng)力呈線性關(guān)系，布里淵光時(shí)域反射測(cè)量（BOTDR）技術(shù)就是利用上述原理進(jìn)行傳感的。目前，BOTDR傳感器監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的研究也處于起步階段。圖13為典型BOTDR傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖[37]。這種傳感器以經(jīng)過處理的螺紋鋼為腐蝕主體，光纖緊密纏繞于鋼筋表面，并采用環(huán)氧樹脂固定，光纖層外加透水材料和鐵絲網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)[37]。研究表明，該傳感器對(duì)鋼筋質(zhì)量損失率的有效監(jiān)測(cè)范圍約為0.0%～0.1%，分辨率約為1.1×10-5，能夠有效監(jiān)測(cè)鋼筋的早期腐蝕，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕的準(zhǔn)分布式、實(shí)時(shí)和定量測(cè)量[38]。在混凝土構(gòu)件表面直接布設(shè)傳感器光纖（見圖14），并結(jié)合BOTDR技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋銹脹的在線分布式監(jiān)測(cè)，特別是能夠識(shí)別鋼筋的不均勻腐蝕[39-40]。然而，在鋼筋或混凝土構(gòu)件表面纏繞多股光纖，顯然會(huì)影響腐蝕介質(zhì)的侵入，導(dǎo)致鋼筋腐蝕環(huán)境的改變，使傳感器模擬鋼筋腐蝕的準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑。

圖13 BOTDR傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 傳感光纖布設(shè)實(shí)物照片

3.5.4 基于腐蝕敏感膜和光纖光柵技術(shù)的鋼筋腐蝕膨脹傳感器

這種傳感器基于鋼筋腐蝕膨脹這一基本原理，在光纖布拉格光柵表面鍍覆Fe-C合金膜。當(dāng)Fe-C合金膜銹蝕膨脹時(shí)，光纖受到應(yīng)力，導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)漂移，據(jù)此可以監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕[41]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示。傳統(tǒng)腐蝕敏感膜傳感器利用輸出光功率的變化表征腐蝕狀態(tài)，而這種傳感器則利用敏感膜腐蝕膨脹所導(dǎo)致的布拉格波長(zhǎng)漂移表征腐蝕狀態(tài)。與傳統(tǒng)腐蝕敏感膜傳感器類似，該傳感器也面臨著光纖保護(hù)和封裝等問題。

圖15 基于腐蝕敏感膜和光纖光柵技術(shù)的鋼筋腐蝕膨脹傳感器

4 結(jié)論與展望

國內(nèi)外學(xué)者的研究取得了一定的進(jìn)展，提出了多種鋼筋腐蝕的光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，并能從一定程度上監(jiān)測(cè)鋼筋的腐蝕狀態(tài)，證明了基于光纖傳感器的鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性。盡管這些傳感器多數(shù)還未應(yīng)用于工程，但對(duì)于提出新型或更實(shí)用的光纖傳感器方案有著重要的借鑒意義。就目前研究現(xiàn)狀來看，要實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，還需進(jìn)一步研究下列問題：

1） 如何將鋼筋腐蝕前后狀態(tài)的變化和傳感原理更有效

結(jié)合；

2） 如何進(jìn)一步提高鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)效果；

3） 如何封裝才能達(dá)到既模擬腐蝕環(huán)境又保證傳感器耐久性的效果；

4） 如何建立傳感器采集信號(hào)與腐蝕率的定量關(guān)系；

5） 如何布置傳感器才能合理全面反映腐蝕信息；

6） 如何融合、處理和評(píng)估多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)。

綜上所述，一個(gè)適合實(shí)際工程應(yīng)用的鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅要包括有效的智能監(jiān)測(cè)傳感器（光纖傳感器），還應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、腐蝕狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)和合理的傳感器布置模型、封裝及安裝措施等。

[1] Mehta PK.“Durability of Concrete—Fifty Yearsof Progress?”[C]//Malhorta V M.Proc.of 2nd Inter.Conf.on Concrete Durability.Farmington Hills：ACI，1991：1-31.

[2]GB/T 50344—2004，建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] Song H W，Saraswathy V.Corrosion Monitoring of Reinforced Concrete Structures-A Review[J].Int.J.Electrochem.Sci.，2007（2）：1-28.

[4] 陳龍，潘峻.埋入式腐蝕傳感器在橋梁中的應(yīng)用[C]//穗港澳科技·產(chǎn)業(yè)（腐蝕防護(hù)）發(fā)展論壇會(huì)議論文集.廣州：廣州市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2009：212-218.

[5] 姜德生，何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子·激光，2002，13（4）：420-430.

[6] Grattan SK T，Taylor SE，Sun T，et al.Monitoringof Corrosion in Structural Reinforcing Bars：Performance Comparison Using In Situ Fiber-Optic and Electric Wire Strain Gauge Systems[J].IEEE Sensors Journal，2009，9（11）：1 494-1 501.

[7] 葛燕，朱錫昶.海洋環(huán)境鋼筋混凝土的腐蝕和陰極保護(hù)技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2004（3）：28-30.

[8]洪乃豐.混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)及鋼筋腐蝕的電化學(xué)性質(zhì)[J].工業(yè)建筑，1999，29（9）：58-61.

[9]宮經(jīng)寬，劉樾.光纖傳感器及其應(yīng)用技術(shù)[J].航空精密制造技術(shù)，2010，46（5）：49-53.

[10]吳椿烽，冒麗榮，鄭磊.光纖光柵傳感器的研究與應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用，2010（8）：17-20.

[11]陳偉民，黎學(xué)明，黃宗卿，等.鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的光波導(dǎo)傳感方法原理探索[J].光子學(xué)報(bào)，1999，28（2）：129-133.

[12]Bennett K D，McLaughlin L R.Monitoring of Corrosion in Steel Structures Using Optical Fiber Sensors[J].Proceedings of SPIE，1995，2 446：48-59.

[13]Fuhr PL，Ambrose T P，Huston DR，et al.Fiber Optic Corrosion Sensingfor Bridgesand Roadway Surface[J].Proceedings of SPIE，1995，2 446：2-8.

[14]陽莎，耿健新，葉青，等.光纖光柵在金屬銹蝕傳感中的應(yīng)用[J].中國激光，2006，33（5）：641-644.

[15]黎學(xué)明，張勝濤，黃宗卿，等.鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的光纖傳感技術(shù)[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1999，11（3）：169-173.

[16]Li X M，Chen WM，Zhu Y，etal.Monitoringthe Corrosion of Steel in Reinforced Concrete Using Optical Waveguide Methods[J].Proceedingof SPIE，2000，3 986：172-179.

[17]黎學(xué)明，陳偉民，黃宗卿，等.光纖傳感器對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的研究[J].光電子·激光，2001，12（10）：1 037-1 040.

[18]李學(xué)金，林文山，范平，等.鋼筋腐蝕光纖傳感器的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2001，20（8）：10-13.

[19]雒婭楠，邱志剛，宋詩哲，等.PVD法及與電鍍復(fù)合制備光纖腐蝕傳感器的Fe-C合金敏感膜[J].化工學(xué)報(bào)，2004，55（6）：947-951.

[20]閆磊朋，李威，洪曉華，等.Fe-C合金膜光纖腐蝕傳感器的制作及性能研究[J].激光技術(shù)，2009，33（3）：252-255.

[21]雒婭楠.碳鋼光纖腐蝕傳感器的敏感膜制備及傳感研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[22]Dong SY，Liao Y B，Tian Q，et al.Study on Different Preparing Methods of the Metallized Fiber Core for Optical Fiber Corrosion Sensor[J].Proceedingsof SPIE，2005，5 634：627-633.

[23]李威，閆磊朋.Fe-C合金膜光纖腐蝕傳感器傳感規(guī)律研究[J].光子學(xué)報(bào)，2009，38（8）：2 029-2 034.

[24]Leung C K Y，Wan K T，Chen L Q，et al.A Novel Optical Fiber Sensor for Steel Corrosion in Concrete[J].Sensors，2008，8：1 960-1 970.

[25]Wang Y，Huang H.Optical Fiber Corrosion Sensor Based on Laser Light Reflection[J].Smart Mater.Struct.2011，20（8）：1-7.

[26]江毅，嚴(yán)云，Leung CK Y.光纖光柵腐蝕傳感器[J].光子學(xué)報(bào)，2006，35（1）：96-99.

[27]Zheng Z P，Lei Y，Sun X N.Measuring Corrosion of Steels in Concrete Via Fiber Bragg Grating Sensors—Lab Experimental Test and in-field Application[C]//Song G B.Earth and Space 2010：Engineering， Science， Construction， and Operations in Challenging Environments.Honolulu：ACSE，2010：2 422-2 430.

[28]Chen W，Dong X P.Modification of the Wavelength-Strain Coefficient of FBG for the Prediction of Steel Bar Corrosion Embedded in Concrete[J].Optical Fiber Technology，2012，18（1）：47-50.

[29]李俊，吳瑾.鋼筋銹蝕的光纖光柵監(jiān)測(cè)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（3）：395-398.

[30]李俊，吳瑾，高俊啟.混凝土結(jié)構(gòu)光纖光柵腐蝕傳感器[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2009，29（2）：109-112，118.

[31]李俊，吳瑾，高俊啟.一種監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的光纖光柵傳感器的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（1）：283-286.

[32]Gao JQ，Wu J，Li J，et al.Monitoring of Corrosion in Reinforced Concrete Structure Using Bragg Grating Sensing[J].NDT＆E International，2011，44（2）：202-205.

[33]吳瑾，耿犟，李俊，等.鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（6）：698-701.

[34]Geng J，Wu J，Zhao X M.Application of Fiber Bragg Grating Sensor for Rebar Corrosion[J].Proc.of SPIE，2009，7 493：33.

[35]王彥，梁大開，周兵.基于光纖光柵光譜分析的混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008，28（11）：2660-2664.

[36]劉宏月，梁大開，曾捷，等.基于長(zhǎng)周期光纖光柵折射率敏感特性的混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（8）：81-85.

[37]Zhao X F，Gong P，Qiao GF，et al.Brillouin Corrosion Expansion Sensors for Steel Reinforced Concrete Structures Using a Fiber Optic Coil Winding Method[J].Sensors，2011，11（11）：10 798-10 819.

[38]趙雪峰，宮鵬，路杰，等.基于分布式布里淵光學(xué)時(shí)域反射的光纖腐蝕傳感器的實(shí)驗(yàn)研究[J].光電子·激光，2011，22（3）：333-337.

[39]甘宇寬，施斌，魏廣慶，等.混凝土中鋼筋銹脹分布式光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2010，3：27-29，41.

[40]軒元，劉洋，石啟印，等.BOTDA光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕損傷的試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2009，26（11）：82-86.

[41]Hu WB，Cai H L，Yang M H，et al.Fe-C-coated Fiber Bragg Grating Sensor for Steel Corrosion Monitoring[J].Corrosion Science，2011，53（5）：1 933-1 938.