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爱思唯尔
评论
混凝土结构监测的五种关键传感器综述
澳大利亚新南威尔士州2109，麦考瑞大学理工学院
强调
- 最近的结构性故障引发了对基础设施可靠性的担忧。
- KSP参数的变化直接影响混凝土结构的耐久性。
- SHM系统可以监控结构的使用中性能的异常变化。
- 在混凝土中监测KSP参数需要专门的监测技术。
- 大多数开发的监控技术距离成熟还有很长的路要走。
文章信息
摘要：目前正在研究多种结构健康监测方案，以解决混凝土基础设施在其使用寿命不同阶段的可靠性问题。本综述介绍了为监测混凝土基础设施健康而开发的传感器领域的最新成就。本文重点介绍了用于监测温度、湿度、酸碱度、腐蚀速率和应力/应变等参数的传感器，以及基于光纤、布拉格光栅、压电、电化学、无线和自传感技术制造的传感器。本文将讨论几种已开发的混凝土监测传感器（从实验室概念到商品化产品）及其各种优点和缺点以及开放式研究问题。。
关键词：
混凝土结构
结构健康监测
湿度传感器
温度感应器
pH传感器
腐蚀传感器
应力/应变传感器
文章历史：
2018年8月27日收到
于2019年1月16日收到修订后的表格
2019年1月27日接受
内容
1、引言hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;493
2、混凝土结构的结构健康监测hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;493
3、用于设计SHM传感器的技术hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;......495
3.1光纤和布拉格光栅传感hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;496
3.2压电传感器hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;496
3.3电化学传感器hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;496
3.4无线传感器hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;497
3.5.自感测混凝土hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;497
4、 温度传感器hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..497
5、湿度传感器hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;......hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..497
6、pH传感器hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;499
7、腐蚀传感器hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;....hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;500
8、应变/应力和裂纹监测传感器。hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..................................................................502
- 介绍
混凝土是地球上消耗量第二大的材料，它提供了从建筑物到道路、跑道、多层停车场、桥梁、水坝、隧道和污水系统的耐用、经济、功能和有吸引力的结构。从湿混凝土浇筑开始，在混凝土产品的整个生命周期中，必须充分考虑许多重要问题和参数（如湿度、温度、压力和负载），以确保其安全可靠运行。例如，测量新浇混凝土的内部温度和湿度，有助于在建筑竣工前确定混凝土养护和干燥的水平和速度[1]。此外，在混凝土的使用寿命期间，其表面特性（如pH、硬度、化学成分）的变化会促进溶解污染物的进入和气体和液体的渗透；因此，必须不断监测这些变量。
混凝土本身就是一种非常耐用的建筑材料。然而，混凝土基础设施可能由于暴露于与环境、荷载、侵蚀作用的影响、嵌入金属的腐蚀、霜冻、超载、混凝土抵抗体积变化、磨损/侵蚀和化学作用相关的恶劣条件而恶化。设计和施工实践不充分也可能导致恶化[2-5]。关于是否修复、修复、升级、拆除或重建混凝土结构的决定是基于若干结构和机械评估以及对结构性能标准的深思熟虑，以及确定损坏的原因和类型以及损坏对整体结构的影响。研究界正在积极探索具体的结构性能和监测技术，以推动结构管理的实践现状。
本文的主要目的是探讨监测典型混凝土基础设施SHM成功的五个关键参数（温度、湿度、腐蚀速率、ph、应变/应力/裂缝）的技术，并总结传感器检测和监测技术的最新进展。这些参数。之所以选择这些参数，是因为它们在结构安全以及基础设施的长期耐久性、可持续性和强度方面发挥着重要作用。这些参数的极值可能导致结构失效。
长期以来，气温、湿度等与气候有关的因素一直被认为是民事诉讼、设计和建造新的混凝土基础设施以及不同地区现有结构的资产管理的关键因素。温度和湿度强度随时间变化，并影响各种结构参数，包括设计荷载、混凝土养护时间以及结构的寿命和性能[6,7]。监测混凝土结构（如下水道管道）中的ph值至关重要，因为极低和高的ph值会在混凝土中产生一些问题，如腐蚀（混凝土和钢筋）、氯化物侵蚀和剥落[8–11]。钢筋混凝土中的腐蚀问题既可能发生在混凝土基体中，也可能发生在钢筋中，并且几乎存在于每种结构和每种气候条件中[2,5,12,13]。混凝土基体的腐蚀最终导致钢筋的腐蚀。结构应力应变是工程设计中的两个重要力学性能。混凝土结构在使用寿命期间可能会遇到极端的结构荷载、气候和天气条件，这可能导致应力、开裂和变形。裂缝最终会导致侵蚀剂的加速渗透，严重的混凝土劣化甚至结构破坏。
因此，监测这五个关键参数（温度、湿度、腐蚀、酸碱度、应变/应力/裂纹）可以节省大量资金。由于及时采取小修、改造等防护措施，可延长结构的使用寿命，减少可能造成的财产损失。近几十年来，选定的新兴技术（光纤、布拉格光栅、压电、电化学、无线和自感测技术）已显示出它们对土木工程结构的适应性。尽管这些传感器提供了巨大的好处，但SHM领域仍然面临着重大挑战。本综述确定了每种传感器类型的性能缺点，在开发这些传感器的未来一代时需要解决这些缺点。以下各节将首先重点审查混凝土结构中结构健康监测的重要性，然后审查先进技术的基本原则，这些先进技术通过监测和监测混凝土基础设施的SHM来支持信息收集。接下来，将研究这些技术在关键结构参数、温度、湿度、腐蚀速率、ph以及应变/应力和裂纹检测的传感和监测中的应用。
2、混凝土结构的结构健康监测
混凝土结构健康监测（SHM）是指实施损伤诊断和识别策略的过程[14]。目前，在固定时间间隔内对结构进行手动评估的方法成本高昂，而且劳动密集。传感器技术、无线通信、数据处理技术和人工智能的进步，加上不断增长的老化结构和降低维护成本、减少运行故障和不可预见的停机时间的压力，导致了更智能的SHM技术的发展[2,15–17]
新设计的SHM系统可以永久安装，能够连续、系统地诊断、监测和评估结构和环境条件。然后使用这些变量评估关键结构性能参数，得出有关混凝土基础设施健康状况或性能的结论。这个过程最终可以帮助建立一个合理的决策过程，以优化维护决策并防止灾难性的基础设施故障。监测参数，如是否存在缺陷、裂缝、风化效应、变形、压力、酸碱度、湿度、化学渗透或温度，有助于确定损伤的来源和程度[2,15–17]。分析SHM结果与采用适当的传感技术同等重要，仍然是复杂混凝土结构SHM的挑战之一。
混凝土结构健康监测可采用破坏性和非破坏性方法。破坏性技术，如化学分析，需要样品提取和制备。它们费时、昂贵，只有在实验室调查后才能提供结果。然而，包括回弹锤试验[18]、声发射[19,20]和超声波检验[21]在内的无损检测技术（NDT）更容易、更经济，并且可以在不需要提取样品的情况下提供结果[22]。然而，大多数破坏性和非破坏性技术不提供持续的健康监测数据，需要使用智能传感器来帮助解决这个问题。
SHM评估技术可以根据其性能和复杂程度分为五个级别，如图1[23,24]所示。许多无损检测评估，包括超声波检测[21]，仅支持局部损伤检测（如裂纹检测），可分为I级或II级[23,25]。传感器，根据其工作原理，可分为二级至五级。智能复合材料、自愈混凝土和智能结构分为四级和五级。这些技术仍处于初级阶段，但它们有望成为SHM的未来。
在特定暴露条件下，对混凝土表面特性进行连续和现场监测，是对结构劣化率和使用性能进行实际评估的一个有价值的工具。传感器可用于收集从混凝土养护到其日常性能的各种数据，以及混凝土或钢筋在其生命周期中不同点处腐蚀的外观或进展。在混凝土结构中嵌入传感器是一种有前途的、非破坏性的方法，它有能力收集前所未有的数据量。从快速的初始测试到不断变化的性能数据，嵌入式传感器
表1
可实现结构性能数据的无缝更新和长期管理。关键结构性能（ksp）参数可以在结构使用寿命期间使用不同类型的传感器进行跟踪。
一个典型的自动化混凝土SHM系统可能会遵循这个过程[16,23,26]：KSP数据是从嵌入式传感器（如工作负载、裂缝、腐蚀速率、湿度和ph）收集的。接收到的数据被送入数据处理和可视化系统。所收集的数据通过导线或无线传输系统传输。虽然无线传输方法更昂贵且传输速度较慢，但最好使用导线，因为导线不是许多结构配置的实用选项，而且在较长的距离内，信噪比可能会成为问题。计算机软件可用于将无线传输的数据可视化到读取设备。然后，建筑工人能够理解并根据所呈现的图表做出决策。进一步的发展将有助于早期检测广泛的腐蚀、确定使用寿命和民用基础设施的长期可靠性。这一进步可以很容易地取代传统的锤击钢筋混凝土寻找空洞和损伤的方法。
混凝土传感器要么嵌入结构材料中，要么粘合到构件表面，以进行实时损伤评估。它们可以放置在新的或现有的结构中。对于现有结构，使用的砂浆应具有与现有混凝土相似的化学轮廓。表面传感器
适用于现有结构。在施工结构中，建议在浇筑前或浇筑过程中安装嵌入式传感器。虽然混凝土传感器比传统的破坏性监测技术具有相当大的优势，但它们都有各自的优点和缺点。电池驱动的传感器使用寿命有限，而电缆传感器在操作时不实用。在结构内嵌入传感器可能会导致小裂缝（lt;1 mm），这可能会加速有害氯离子或水分的渗透。混凝土传感器的使用寿命很长。因此，其强度必须足以承受霜冻、极热、施加的荷载、腐蚀性环境（盐、碱性或酸性条件）以及混凝土内的长期浇筑。他们甚至可能在使用寿命期间受到盗窃和破坏。然而，对于长期监测来说，传感器漂移是一个大问题，尤其是对于嵌入式系统，因为重新校准是困难的或不可能的[27]。
混凝土结构传感器的选择是一个复杂的过程，基于几个因素，包括相关性、传感器的鲁棒性、监测的时间跨度（长期或短期）、监测的时间尺度（定期或连续）、要监测的结构类型、需要监测的结构方面以及监测的方式。H响应在结构中产生（静载荷m动载荷m环境振动）【28,29】。传感器设计背后还有多种技术。
一个SHM系统可以有不同程度的复杂性。例如，为桥梁设计的SHM系统可以具有最小、一般或复杂的性质，如表1[30]所示。圣安东尼瀑布大桥的I-35W是最近部署的一个通用SHM系统的例子，该系统具有500多个长期SHM传感器。采用的传感器类型有振弦式应变计（VWSG）、热敏电阻、光纤（SOFO）传感器、电阻应变计、加速度计、线性电位计（LPS）和腐蚀监测传感器[31,32]。
SHM的复杂程度直接影响系统的质量和成本。复杂的SHM系统可以从状态监控、风险和资产管理中获得许多好处，特别是在难以访问的结构中。理想情况下，这样的系统应该能够使用最少数量的传感器进行操作。然而，这种系统需要使用多个传感器和复杂的数据处理技术和系统。这种系统的成本必须合理，传感器的选择和SHM设计应始终与回报一起使用。
混凝土基础设施项目管理的主题非常复杂和广泛，可以从不同的角度进行评估。它可以从使用的物理监测原理、传感器和监测系统的开发以及如何配置它们，甚至是标准化的角度进行观察[33,34]。从不同的角度对这一主题进行评估，不仅可以提高我们对这一复杂主题的理解，而且可以为这一领域的进一步发展和创新创造一个框架。
三。用于设计SHM传感器的技术
目前用于混凝土SHM的先进传感器技术有：
每个传感器技术的图示如图2所示。
3.1。光纤和布拉格光栅传感器
在土木结构的SHM中，发展和使用光纤传感器（FOS）是增长最快的领域之一。光纤传感功能基于沿光纤传输的光信号特性的变化。典型的光纤是由玻璃纤维制成的。虽然聚合物光纤（POF）与玻璃纤维同时引入，且易于操作，但FOS市场主要是玻璃光纤（GOF）。聚合物纤维也能够执行更大的应变率（高达100%），而玻璃纤维的极限约为2%[35,36]。光纤由同心包层中的圆柱形芯和聚合物或金属涂层（例如，丙烯酸酯、聚酰亚胺、铝或金）制成。它能够远距离传输光和信号，而无需放大。暴露于光纤的外部扰动或变形（例如，拉伸、弯曲或应变）影响传输的光信号，并导致输出信号（例如，相位、频率、偏振或强度）特性的变化或反射波长的偏移。然后，这些变化可与所测量的参数相关（图2-a）。与其他传感方法相比，光纤传感器有几个优点，包括更高的灵敏度、更小的尺寸和重量、抗电磁干扰（EMI）以及相对便宜[17,23,37–43]。光纤传感器有多种类型，包括干涉测量、强度、微弯、极化、波长、分布式（使用布里渊、瑞利或拉曼散射技术）、光纤布拉格光栅（FBG）和混合传感器[44
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资料编号：[909]
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