耐久性不足是钢筋混凝土结构可靠性能、抗震性能衰减的主要原因之一，而钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素^[1]。

由于不同强度等级混凝土的极限拉应变、孔隙率不同，光纤光栅锈蚀传感器的工作状态也会不同。本文依据法拉第电解定律设计通电加速腐蚀实验，探究光纤光栅传感器在不同强度等级混凝土中的工作性能，对不同强度等级混凝土中钢筋锈蚀及保护层开裂过程进行实验分析，为光纤光栅锈蚀传感器的改进与应用提供实验数据，对钢筋混凝土结构施工期和运营期的健康监测具有重要意义。

1 实验设计 1.1 传感器设计及原理

为实现混凝土中钢筋锈蚀率的定量、实时、无损监测，本文基于FBG应变、温度传感原理，设计一种新型光纤光栅钢筋锈蚀传感器，如图 1所示。该传感器包括锈蚀体和不锈钢体，锈蚀体用被测钢筋精细加工而成，小直径圆柱表面缠绕锈胀感知光纤光栅，用于测量钢筋锈蚀率；不锈钢体用不锈钢精细加工而成，小直径圆柱表面缠绕温度补偿光纤光栅，用于排除温度对锈胀应变监测的影响；锈胀感知光纤光栅和温度补偿光纤光栅串联于同一根光纤，利用光栅波分复用原理解析光栅中心波长。该传感器解决了光纤光栅的应变-温度交叉敏感问题，结构简单小巧。

该传感器的工作原理为：钢筋通电腐蚀锈胀，直径逐渐增大，缠绕在锈蚀体表面的锈胀感知光纤光栅感测到环向应变而产生波长漂移λ₁：

$ {{\lambda }_{1}}={{k}_{\varepsilon }}\centerdot \varepsilon +{{k}_{T\text{1}}}\centerdot T $

(1)

式中，Κ_ε、Κ_T1分别为应变传感器的应变灵敏度系数(pm/με)和温度灵敏度系数(℃/με)，ε、T分别为环向应变及温度变化量。由于光纤光栅对温度和应变交叉敏感^[2]，为排除温度的影响，设置FBG温度补偿器。

温度补偿器采用不锈钢体代替锈蚀体，二者尺寸和所处环境相同，但缠绕于不锈钢体表面的温度补偿FBG只受温度影响，其波长漂移量为：

$ \lambda _{2}^{{}}={{k}_{{{T}_{\text{2}}}}}\centerdot T $

(2)

式中，Κ_T2为温度补偿器的温度灵敏度系数(℃/με)。由式(1)、(2)可得钢筋的锈胀环向应变ε：

$ \varepsilon =\frac{1}{{{k}_{\varepsilon }}}\centerdot {{\lambda }_{\text{1}}}-\frac{{{k}_{T}}_{_{1}}}{{{k}_{\varepsilon }}\centerdot {{k}_{T}}_{_{2}}}\centerdot {{\lambda }_{\text{2}}} $

(3)

式(3)可简化为：

$ \varepsilon {\rm{ = }}\alpha {\lambda _{\rm{1}}}{\rm{ - }}\beta {\lambda _{\rm{2}}} $

(4)

设锈蚀体的直径为R，钢筋锈蚀厚度为δ，钢筋锈蚀膨胀后的直径变为R′。

锈蚀体的锈胀环向应变ε可以用截面尺寸表示为：

$ \varepsilon \text{=}\frac{2\pi R'-2\pi R}{2\pi R}=\frac{R'}{R}-1 $

(5)

设锈蚀体的锈蚀部分体积膨胀系数为m, 则锈蚀部分钢筋体积变化关系为：

$ \left[ \pi {{R}^{2}}-\pi {{\left( R-\delta \right)}^{\text{2}}} \right]m\text{=}\pi R{{\text{ }\!\!'\!\!\text{ }}^{\text{2}}}\text{-}\pi {{\left( R-\delta \right)}^{2}} $

(6)

由式(5)、(6)可得：

$ {{\left( 1-\frac{\delta }{R} \right)}^{\text{2}}}\text{=}\frac{m\text{-}{{\left( 1+\varepsilon \right)}^{2}}}{m-1} $

(7)

设钢筋材质密度为ρ，则锈蚀体锈蚀率κ为：

$ \kappa =\frac{\rho \pi {{R}^{2}}-\rho \pi {{\left( R\text{-}\delta \right)}^{\text{2}}}}{\rho \pi {{R}^{\text{2}}}}\text{=1-}{{\left( \text{1-}\frac{\delta }{R} \right)}^{\text{2}}} $

(8)

由式(4)、(7)、(8)可得锈蚀体的锈蚀率监测值为：

$ \kappa =\frac{{{\left( 1+\alpha {{\lambda }_{1}}-\beta {{\lambda }_{2}} \right)}^{2}}-1}{m-1} $

(9)

1.2 试件制作

本实验模拟环境类别为三类a，选用构件的类型为柱，其最小保护层厚度取40 mm。利用强度等级分别为C30、C40、C50的混凝土，浇筑3组边长为150 mm的立方体试件，每组试件有2个立方体。如图 2所示，将制作好的钢筋腐蚀传感器埋置于混凝土立方体的中心。制作好的试件如图 3所示。

试件所用的混凝土采用普通硅酸盐水泥P.O42.5，中粗砂，石子最大粒径为20 mm，粗、细骨料均清洗、晾晒后使用，各组分的配合比如表 1所示。实验所用的光纤光栅钢筋锈蚀传感器长度为40 mm，中间圆柱直径为15 mm。

1.3 加速腐蚀实验

加速腐蚀是指将被测试件与电源正极相连，通过电解液组成闭合回路，在电势的作用下使钢筋失去电子被氧化而被快速腐蚀的过程。实验采用的加速腐蚀装置如图 4所示。

6个试件在标准养护室养护28 d后，放入浓度为3.5%的氯化钠电解液中充分浸泡，浸泡1个月后利用恒流电源提供25 mA的电流进行加速腐蚀。为确保6个试件腐蚀速率相同，将6个试件串联成如图 5所示的回路。在加速腐蚀的同时，采用型号为ZX-FP-M01的光纤光栅解调仪实时采集光纤光栅中心波长，采集频率为1 Hz。

2 实验结果与分析

实验结束后，取出试件擦干，在裂缝处涂抹白色显缝剂，可以清晰看到试件侧面有如图 6所示的顺筋裂缝，裂缝四周有棕色锈迹，说明混凝土保护层已经产生贯通裂缝，且有锈蚀产物溢出。

依据式(9)，分析光纤光栅解调仪采集到的波长数据，得到钢筋腐蚀率曲线图，其中钢筋锈胀系数取1.5^[3]。如图 7所示，3组不同混凝土强度试件的钢筋腐蚀率显著不同。

由于3组试件的混凝土强度等级不同，钢筋保护层的极限抗拉强度和孔隙率也会不同，进而造成钢筋腐蚀率有如下区别：

1) 在0~10 h腐蚀阶段(称第1阶段)，3组试件的钢筋腐蚀率监测值均变化十分缓慢，该阶段钢筋表面的钝化膜尚未完全脱钝。混凝土试件的强度越高，对应传感器的监测值变化越明显。原因是混凝土强度越高，钢筋与混凝土保护层交界处的空隙越小，早期铁锈越不易流失，锈胀感知FBG越容易感测到钢筋的锈胀应变。

2) 随着钢筋脱钝完成，钢筋腐蚀速率增加，此时进入第2阶段，该阶段铁锈自由膨胀，不断进入钢筋周围的孔隙。3组试件进入第2阶段的时间分别为12 h(C30)、14 h(C40)、14 h(C50)，表明钢筋脱钝的速度基本一致，并不受混凝土强度等级的影响。

3) 随着铁锈的增多，钢筋周围的孔隙被铁锈充满而进入受拉应力状态，此时进入第3阶段。如图 6所示，第3组试件(C50)腐蚀率曲线中，22~26 h腐蚀率略有减小，这与蒋建华等^[4]的结论相同，其原因是混凝土达到极限拉应力，铁锈进入到新产生的混凝土内部裂缝中。由于混凝土强度较低、腐蚀速率过快，另外2组试件(C30、C40)迅速进入到下一阶段，该腐蚀率短暂下降阶段不明显。由于C30试件孔隙较多、裂缝开展迅速，铁锈溢出光纤而流失，锈胀感知光纤光栅中心波长不再增加，传感器失效。

4) 当混凝土保护层产生内部裂缝后，随着裂缝的开展，钢筋周围的水分和氧气大幅增多，钢筋腐蚀速率再次加快，3组试件产生混凝土贯通裂缝的钢筋腐蚀率约为0.3%(C30)、0.65%(C40)和0.9%(C50)，此时有铁锈溢出。

3 结语

本文通过光纤光栅钢筋腐蚀传感器研究了3种不同钢筋混凝土强度下的钢筋腐蚀率变化规律和裂缝开展过程，得出如下几点结论：

1) 本文提出的新型光纤光栅钢筋腐蚀传感器的灵敏度较高，可监测钢筋腐蚀率仅达0.02%的早期钢筋腐蚀；实验中传感器可测得1%的腐蚀率，但并未损坏，此时混凝土已严重开裂，说明该传感器的测量范围可以满足工程中钢筋腐蚀监测的需求；该传感器的理论测量范围达2%，有待后续实验验证。

2) 不同强度等级混凝土中钢筋的脱钝时间无明显差别，即脱钝完成后腐蚀速率陡增的时间相近，该特征可作为钢筋腐蚀监测预警信息之一；此外，混凝土强度越高，光纤光栅腐蚀传感器灵敏度也越高，越容易监测到早期锈胀应变。

3) 混凝土中钢筋腐蚀速率不断变化，这主要与混凝土的孔隙率、裂缝开展等有关，钢筋脱钝阶段腐蚀速率缓慢，脱钝后腐蚀速率增大，随着铁锈积累，氧气水分减少，腐蚀速率再次减缓，当混凝土保护层产生裂缝后腐蚀速率大幅增加。

4) 该光纤光栅钢筋腐蚀传感器可监测混凝土中钢筋腐蚀的多个阶段，可同时采用监测到的腐蚀率和腐蚀速率综合预警钢筋锈蚀程度，减少误报率。