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监测混凝土结构的五种关键传感器综述
塔赫里 西马*
(麦格理大学科学与工程学院,澳大利亚新南威尔士州2109号)
精彩部分
·最近的结构故障引起了人们对基础设施可靠性的关注。
·关键结构性能参数的变化直接影响混凝土结构的耐久性。
·结构健康监测系统可以监测结构在使用过程中的异常变化。
·混凝土中关键结构性能参数的监测需要专门的监测技术。
·大多数已开发的监控技术离成熟还有很长的路要走。
摘 要
目前正在研究多种结构健康监测方法，以解决混凝土基础设施在不同使用寿命阶段的可靠性问题。本综述介绍了用于监测混凝土基础设施健康状况的传感器领域的最新成就。重点介绍了用于温度、湿度、pH、腐蚀速率、应力/应变等监测参数的传感器，以及基于光纤、布拉格光栅、压电、电化学、无线和自传感技术的传感器。本文将讨论几个已开发的具体监测传感器的例子(从实验室概念到商业化产品)及其各种优点和缺点以及公开的研究问题。
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关键词
混凝土结构 结构健康监测 湿度传感器 温度传感器 pH传感器 腐蚀传感器 应力/应变传感器
目 录
1介绍···················································································· 2
2混凝土结构的结构健康监测································································ 2
3用于设计结构健康监测的传感器的技术······················································ 5
3.1光纤和布拉格光栅传感器···························································· 5
3.2压电式传感器······································································ 6
3.3电化学传感器······································································ 6
3.4无线传感器········································································ 7
3.5自传感混凝土······································································ 7
4温度传感器·············································································· 7
5湿度传感器·············································································· 9
6 pH传感器··············································································· 10
7腐蚀传感器· ············································································ 11
8应力/应变传感器········································································ 13
9总结 ··················································································· 16
* 地址:澳大利亚新南威尔士州北莱德麦格理大学科学与工程学院2109号。
电子邮件: shima.taheri@mq.edu.au
1介绍
混凝土是地球上消耗第二多的材料，从建筑到道路、跑道、多层停车场、桥梁、水坝、隧道和污水处理系统，它造就了耐用、经济、实用和引人入胜的结构。从混凝土浇筑开始，在混凝土产品的整个生命周期中，必须充分考虑许多重要的问题和参数(如湿度、温度、压力和荷载)，以确保其安全可靠的运行。例如，在建筑物建成之前，测量新浇筑混凝土的内部温度和湿度，可以帮助确定混凝土养护和干燥的水平和速度。此外，混凝土的表面特性(如pH值、硬度、化学成分)在其使用寿命期间的变化会促进溶解的污染物的进入，以及气体和液体的渗透;因此，必须不断地监测这些变量。
混凝土本身是一种非常耐用的建筑材料。然而，混凝土基础设施可能会由于暴露在与环境、荷载、侵蚀作用、嵌入金属的腐蚀、霜冻、超载、混凝土抗体积变化、磨损/侵蚀和化学作用相关的恶劣条件下而恶化。不充分的设计和施工实践也会导致恶化。决定是否修理、修复、升级、拆除或重建混凝土结构是基于若干结构和力学评估和对结构性能标准的深思熟虑，以及确定损害的原因和类型以及损害对整体结构的影响。为了提高在结构管理方面目前的实践状况，混凝土结构性能和监测技术被学术界正积极地探索中。
本综述论文的主要目的是为了讨论对于一种典型的混凝土基础设施的成功的结构健康监测来说用于监测五个关键参数(温度、湿度、腐蚀速率、pH值、应变/应力/裂缝)的技术,以及为了总结最近的在为检测和监测这些参数而发展的传感器技术的方面的进展。之所以选择这些参数，是因为它们在结构安全性以及基础设施的长期耐久性、可持续性和强度方面起着重要的作用。这些参数的极端值能够导致结构失效。
长期以来，温度和湿度等气候相关因素一直被认为是在民事诉讼程序、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方面的关键因素。温度和湿度随着时间的变化而变化，并对各种结构参数产生影响，包括设计荷载、混凝土养护时间以及结构的寿命和性能。在污水管道等混凝土结构中，监测pH值是必不可少的，因为极低和极高的pH值会在混凝土中造成一些问题，如腐蚀(混凝土和钢筋)、氯离子侵蚀和剥落。钢筋混凝土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，并且几乎出现在每一个结构和每一种气候条件中。混凝土基体的腐蚀最终导致钢筋的腐蚀。结构应力和应变是工程设计中两个重要的力学性能指标。混凝土结构在使用期间可能会经历极端的结构荷载、气候和天气条件，从而导致应力、开裂和变形。开裂最终会导致侵蚀剂加速渗透，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、pH、应变/应力/裂纹)可以节省大量资金。因为及时的保护措施，如小修小补，可以延长结构的使用寿命，减少可能的损坏和资产损失。所选择的新兴技术(光纤、布喇格光栅、压电、电化学、无线和自感知技术)在近几十年对土木工程结构表现出了一定的适配性。虽然这些传感器提供了显著的好处，但结构健康监测领域仍然面临着重大的挑战。这篇综述确定了每种传感器类型的性能缺陷，在开发这些传感器的未来一代时需要解决这些缺陷。以下各节将首先侧重于审查混凝土结构健康监测的重要性，然后审查先进技术背后的基本原则，这些技术支持通过传感和监测混凝土基础设施的结构健康监测系统来获取信息。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值以及应变/应力和裂纹检测方面的应用。
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。目前的人工评估结构的方法在固定的时间间隔可能是昂贵的和劳动密集型的。传感器技术、无线通信、数据处理技术和人工智能的进步，以及不断增长的老化结构数量和最小化维护成本的压力，减少了在役故障和不可预见的停机时间，导致了更智能的结构健康监测技术的发展。
新设计的结构健康监测系统可以永久安装，能够对结构和环境条件进行持续和系统的诊断、监测和评估。然后，这些变量被用来评估关键的结构性能参数，从而得出关于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，优化维护决策，防止灾难性的基础设施故障。缺陷、裂缝、风化作用、变形、压力、pH、湿度、化学渗透或温度等监测参数有助于识别损伤的来源和程度。分析结构健康监测结果与采用合适的传感技术同样重要，仍然是复杂混凝土结构结构健康监测所面临的挑战之一。
混凝土结构健康监测可采用破坏性方法和非破坏性方法。破坏性技术，如化学分析，需要样品的提取和制备。它们既耗时又昂贵，而且只能在实验室研究后才能提供结果。然而,非破坏性技术(NDT)包括回弹锤试验、声发射技术和超声检测，这些技术更简单、更经济，并且可以提供不需要提取样品的结果。然而，大多数破坏性和非破坏性技术并没有提供连续的健康监测数据，需要使用智能传感器来帮助解决这个问题。
图1 根据性能和复杂程度进行结构健康监测分类
结构健康监测评价技术根据其性能和复杂程度可分为5个层次，如图1所示。许多只支持局部损伤的检测(如裂缝检测)的非破坏性技术评估，包括超声检测，可分为I级或II级。根据传感器的工作原理，传感器可以分为II级到Ⅴ级智能复合材料，自修复混凝土和智能结构可以分为IV级和Ⅴ级。这些技术还处于起步阶段，但有望成为的结构健康监测技术的未来。
在一定的暴露条件下，对混凝土的表面特性进行连续的和现场的监测，是对结构的退化率和使用性能进行现实评估的一个有用的方法。传感器可以用来收集大量的从混凝土的固化到它的日常性能，以及它的外观或在其生命周期的不同点的(在混凝土或钢筋中的)腐蚀过程的数据。在混凝土结构中嵌入传感器是一种有前景的、非破坏性的方法，它能够收集空前庞大数量的数据。从快速的初始测试到性能数据的演进，嵌入式传感器可以实现结构性能数据的无缝更新和长期管理。利用不同类型的传感器，可以在结构的使用寿命内跟踪关键结构性能(KSP)参数。
一个典型的自动化混凝土结构健康监测系统可能遵循这个过程:关键结构性能数据被嵌入式传感器收集，这些数据有如工作负载、裂缝、腐蚀速率、湿度和pH值等。接收到的数据被输入数据处理和可视化系统。收集的数据通过引线或无线传输系统传输。虽然无线传输方法更昂贵，传输速度更慢，但它比使用引线更好，因为引线对于许多结构配置来说不是一个实用的选择，而且在较长的距离中，信噪比可能会出现问题。计算机软件可用于将无线传输的数据可视化到读取设备上。然后，建筑工人就能够理解并根据所提供的图表做出决策。这进一步的发展将使广泛腐蚀的早期检测、使用寿命的测定和民用基础设施的长期可靠性成为可能。这一进展可以很容易地取代原始的锤击钢筋混凝土从而寻找其空洞和损伤的方法。
混凝土传感器要么嵌入结构材料中，要么绑定到构件表面以进行实时损伤评估。它们可以被放置在新的或现有的结构中。在现有结构的情况下，使用的砂浆应具有与现有混凝土相似的化学成分。表面传感器适用于现有建筑物。在施工结构中，建议在浇铸前或浇铸过程中安装嵌入式传感器。与传统的破坏性监测技术相比，混凝土传感器具有相当大的优势，但也各有优缺点。电池驱动的传感器使用寿命有限，而电缆传感器在操作上不实用。在结构中嵌入传感器可能会导致小裂缝(小于1毫米)，这可能会加速有害的氯离子或水分的渗透。混凝土传感器被安置在恶劣的环境中。因此，它们必须足够坚固，能够承受霜冻、极端高温、施加的荷载、腐蚀性环境(咸、碱或酸的条件)，以及混凝土内的长期放置。他们甚至可能在使用期间遭受盗窃和破坏。然而，对于长期监控，传感器漂移是一个大问题，特别是对于嵌入式系统，因为重新校准是困难的或不可能的。
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