自从20世纪70年代光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,FBG)技术出现并应用于结构监测以来,FBG技术发展迅速。FBG具有良好的传感性能、时间耐久性能及抗干扰性能,适合在建筑结构监测领域使用。FBG传感器不易受电磁干扰影响,FBG传感器与单模光纤组成的传感网络信号传输距离长,覆盖范围广,无需信号中途放大。FBG传感器可以串联形式实现相互连接,节约了大量线缆。基于FBG的传感技术已经广泛应用于建筑或桥梁的结构健康监测中^[1]。

FBG的封装技术一直受到关注,良好的封装不仅可以对FBG有良好保护,也可提高 FBG传感性能。现阶段出现了一些以金属材质^[2]及高聚物片状材料^[3],管状材料^[4]封装形式为主的传感器,但此类传感器与混凝土结构材质特性差别较大,力学耦合不佳,传感性能不理想。

近几年建筑结构加固技术发展迅速,对老旧建筑、古代建筑^[5]、新建建筑的关键结构部件进行建筑加固能够极大提高建筑结构性能。纤维增强塑料(fiber reinforced plastics,FRP)在结构加固领域也得到了大量应用^[6],利用FRP对建筑结构进行加固能够极大提高结构的承载力和延性,优化结构性能。常见的FRP有芳纶纤维增强塑料(aramid FRP,AFRP)^[7]、玻璃纤维增强塑料(glass FRP,GFRP)^[8]、碳纤维增强塑料(carbon FRP,CFRP)^[9]、玄武岩纤维增强塑料(basalt FRP,BFRP),现有的建筑结构加固工程多采用CFRP。而近几年BFRP因其低廉的价格及优异的综合性能越来越受到结构加固市场的青睐^[10],BFRP的力学性能要远远优于GFRP,抗老化性能要优于AFRP。BFRP某些力学性能也较CFRP优良^[11]。

将FBG传感器封装进建筑加固使用的复合纤维材料中,不仅对建筑结构有加固作用,而且FBG-BFRP智能片材亦可对加固结构进行有效的应变监测^[12]。在目前的研究中,对掺入FBG的CFRP、GFRP的传感性能研究较多,而掺入FBG的BFRP片材传感性能研究较少,BFRP力学特性及表面特性与CFRP、GFRP有较大区别,因此研究FBG-BFRP智能片材传感特性意义很大。 1 FBG-BFRP 技术特点 1.1 FBG应变传感原理

由耦合波理论可得,当满足相位匹配条件时,光纤光栅的布拉格波长为 λ_B=2nΛ,式中:λ_B为布拉格波长;n为光纤传播模式的有效折射率;Λ为光栅周期。图 1所示为 FBG传感原理示意图。

图 1

Fig. 1

图 1 FBG传感原理示意图 Fig.1 Sensing principle of FBG

光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光的中心波长的变化,光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测量的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为

假定光纤仅受外界力作用产生应变,在此过程中保持温度不变化,则光纤传感的方程式可简化为

BFRP由玄武岩岩石高温熔融拉丝制备而成,其原料本身是天然材料,绿色环保,符合当今绿色建筑的发展趋势。BFRP与混凝土在材料特性上有较高的相似性,且温度膨胀系数一致,易与基底混凝土材料界面紧密结合,即使发生较大的温度变化也不易产生界面剥离现象。因此将传感原件掺入BFRP中能够准确感知混凝土结构的应变。BFRP中的纤维部分为无机非金属材料,化学性质稳定,耐腐性及耐久性好。BFRP造价相对低廉,与建筑结构加固中广泛应用的CFRP相比,其造价约为CFRP的3/5^[14],有市场推广价值。BFRP材料具有广阔的应用前景,将FBG与BFRP片材结合,使用环氧树脂浸润并固化,制备成具备传感功能的复合材料的形式。智能片材实现了对FBG的完善保护并提高了传感性能。

BFRP能对FBG完善保护。首先,BFRP能提高传感器整体的机械强度,FBG自身抗剪切能力不佳,而BFRP可对FBG形成良好保护,提高FBG抗剪切作用能力,有效抵御传感器安装及后期施工过程对FBG造成的冲击。其次,BFRP也能提高传感器抗化学腐蚀的作用,混凝土中的离子及空气中的酸性气体对金属材质及非金属材质传感器都存在化学腐蚀,BFRP中的环氧树脂可有效隔绝来自混凝土及空气中酸性气体的化学腐蚀,延长了传感器的使用寿命。

将FBG掺入BFRP也提高了传感器的传感性能。首先BFRP可提高FBG传感灵敏性。未封装的FBG直接贴在被测混凝土结构表面时,传感器仅有一个侧面与混凝土接触,即一个界面带动FBG产生应变。当被金属片状封装时,主要存在上下两个界面带动FBG产生应变,利用BFRP封装FBG,BFRP较软,包裹性好。封装后形成FBG被四周与之平行的玄武岩纤维包裹的结构,即四周都可带动FBG产生应变,因此传感器传感灵敏性提高。其次BFRP可提高FGB受力均匀性。混凝土结构在100 mm线度以上可以作为连续均匀弹性体,但在小于100 mm线度内,由于混凝土内的气泡、石子、沙砾等材料分布不均匀因素存在,导致混凝土各局部面应变不均匀,不能视作均匀弹性体。若简单采用未封装10~20 mm长,0.015~0.050 mm宽FBG作为传感器,监测数据不能代表实际面应变,且由于栅区各处应变不均,易产生啁啾现象,难以准确测量。BFRP在1 mm线度内为均匀弹性体,各局部力学特性均匀,FBG与之结合后增大了与被测结构表面的接触面积,混凝土表面的应变经过BFRP传递给FBG后变均匀。封装后的FBG测量数据更具代表性,也避免了啁啾现象^[15] 2 FBG-BFRP智能片材结构设计及测试 2.1 FBG-BFRP智能片材结构

在设计中采用建筑加固中的单向玄武岩纤维布,单向玄武岩纤维布的纤维方向即为被加固结构的方向^[16],玄武岩纤维布为30 mm×16 mm的矩形,能够将FBG较好地覆盖并封装保护。

FBG-BFRP智能片材的制备流程参考建筑加固施工工艺。将FBG使用环氧树脂胶粘贴在剪裁好的玄武岩纤维布上,在制备中,保证FBG径向方向与纤维方向一致,FBG栅区位置位于BFRP材料中央,便于FBG-BFRP智能片材测试时安装标定。施加调配好的加固用环氧树脂胶,覆盖上层BFRP材料。采用软质重物压合片材,环氧树脂完全浸润上下两层BFRP。待环氧树脂完全固化,最终形成复合材料形式,完成FBG-BFRP智能片材制备。封装示意图如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图2 FBG-BFRP智能片材封装示意图 Fig.2 Package of FBG-BFRP intelligent sheet

采用等强度悬臂梁作为测试平台^[17],检测FBG-BFRP智能片材应变传感性能。等强度悬臂梁尖端加载的力与其表面应变呈线性关系。

传感性能计算: λ_B=1 541.1 nm,弹光系数P_e=0.78,根据式(2)理论灵敏度k=0.001 202 nm/με。由于智能片材厚度的存在，在采用等强度悬臂梁实验时,FBG应变理论上略大于等强度悬臂梁表面应用,因此光纤实际理论灵敏度系数修正为0.001 413 nm/με(应变：物体局部的相对变形为相对物理量，单位为με即微应变)。

传感性能测试:依次施加等质量砝码，从而制造等量增加的应变，施加砝码同时观测FBG返回峰值波长变化;按上述方式连续施加并减少砝码多次并记录数据,图 3为FBG-BFRP智能片材波长-功率特性曲线。

图 3

Fig. 3

图 3 FBG-BFRP智能片材波长-功率特性曲线 Fig.3 Spectrum of the FBG-BFRP intelligent sheet

根据实验数据得到传感性能:实测灵敏度为0.001 460 nm/με,k_t=1.03,FBG-BFRP部分传感特性曲线如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 FBG-BFRP智能片材部分传感特性曲线图 Fig.4 Sensing characteristics of FBG-BFRP intelligent sheet

测试结果表明,FBG-BFRP智能片材的灵敏度比未封装的FBG传感器高,线性度良好,重复性好。FBG在经过封装后未出现啁啾现象,证明封装流程可靠,避免了其他干扰应力对FBG的作用。总之FBG-BFRP智能片材能够作为较为可靠的传感器并可被结构监测系统采用。FBG-BFRP的传感线性良好,量程亦超过了常见混凝土结构可耐受的应变范围。

3 结 论

根据实验测试,Δλ_B与ε之间仍保持较好的线性关系,并未出现原有类似封装过程中由于FBG受应力不均匀出现的啁啾现象,证明封装方法可靠。虽然灵敏度系数与理论FBG灵敏度系数之间存在微小差异,FBG-BFRP智能片材仍能够作为较为可靠的传感器对建筑结构应变进行监测。

在未来的研究中,可将掺有FBG的BFRP用于混凝土结构加固实验,通过研究初始加载到破坏全过程FBG波长信号变化,进一步研究其用于建筑加固及结构健康监测的有效性。