混凝土结构裂缝监测装置及其监测方法

摘要

本发明公开了一种混凝土结构裂缝监测装置及其监测方法，裂缝监测装置包括水循环系统和测温系统，水循环系统包括至少一根使用时布置于混凝土内的灌水管和用于给灌水管供水、并能采集灌水管内水压的供水部；每根灌水管外套装有至少一段采用脆性材料制成、且内径大于所述灌水管外径的第一套管；第一套管两端安装有封堵第一套管与灌水管间间隙的密封块，位于所述第一套管内的灌水管上开设有若干过水孔；测温系统包括解调仪和至少一根布置于混凝土内与解调仪连接的测温线路，所述测温线路临近所述第一套管。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土裂缝监测技术，具体涉及一种混凝土结构裂缝监测装置及其监测方法。

背景技术

混凝土是应用最为广泛的工程材料，而作为力学间断面的裂缝常显著地改变构件内的应力场，破坏工程结构的整体性，严重降低结构的承载能力，并加速其老化；对于钢筋混凝土结构，裂缝还可能导致钢筋锈蚀，并加剧裂缝的发展。裂缝是混凝土工程建设中首要关注的问题，防缝是混凝土工程的基本要求。准确、及时地监测裂缝的发生发展过程，对保障工程安全、防止事故发生具有重要意义。

现有技术中CN201911006960.8公开了一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统和监测方法，其结构如图1所示，该系统由加热测温集成系统、监测管1、第二套管2组成，加热测温集成系统由加热测温集成线路3、解调仪4和稳压电源5组成；监测管1内径需比加热测温集成线路3略大，第二套管2采用多孔吸水材料。

采用该监测系统进行裂缝监测应首先取得结构未开裂状态下的基准值，工程运行期监测前，需设法使被测部位被水充分浸湿，使第二套管2的含水率发生改变，而第二套管2的密度、比热、热传导系数均与其含水率有关，含水率越大，这三个热力学参数越大，均可导致监测管1中的热源降温速度加快，因此，根据监测管1中测点升温后的降温时程曲线可确定降温速度指标，从而进行开裂部位的识别。

该监测系统在实现裂缝监测时，为被动监测，即必须使被测部位充分浸湿才能实现，若是混凝土未被浸湿，就难以获得降温速度指标，而致使裂缝监测不准确；另外在监测时需要进行浸润操作及是否充分浸湿监测，使得监测裂缝操作繁琐。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的混凝土结构裂缝监测装置及其监测方法不需要对混凝土进行充分浸湿就可以实现裂缝的监测。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种混凝土结构裂缝监测装置，其包括水循环系统和测温系统，

所述水循环系统包括至少一根使用时布置于混凝土内的灌水管和用于给灌水管供水、并能采集灌水管内水压的供水部；

每根灌水管外套装有至少一段采用脆性材料制成、且内径大于所述灌水管外径的第一套管；

所述第一套管两端安装有封堵第一套管与灌水管间间隙的密封块，位于所述第一套管内的灌水管上开设有若干过水孔；

所述测温系统包括解调仪和至少一根布置于混凝土内与解调仪连接的测温线路，所述测温线路临近所述第一套管。

第二方面，提供一种混凝土结构裂缝监测装置的监测方法，其包括：

S1、采用供水部向灌水管中供水，直至灌水管内的压力达到预设压力；

S2、判断灌水管内的压力是否减小，若是，进入步骤S3，否则继续执行步骤S2；

S3、启动供水部对其内部的水进行加热，并采用供水部内置的水泵将热水泵入灌水管内循环流动；

S4、启动测温系统，通过测温系统实时监测各条测温线路的温度时空分布，温度时空分布上的温度突变点对应的部位为混凝土开裂位置。

本方案的监测装置进行裂缝监测的原理为：灌水管布置在混凝土内后，其内部灌满有水，压力恒定；当混凝土发生裂缝时，脆性材料制成的第一套管会破坏，这样灌水管内的水经过水孔从破裂的第一套管流出，这样会导致灌水管内的压力发生变化；供水部能够采集到灌水管内的压力变化，之后向灌水管内泵入加热的水，沿着破裂的第一套管流出，启动的测温线路能够采集到混凝土内的温度时空分布，找到温度突变点，以此找到混凝土发生裂缝的部位。

本发明的有益效果为：本方案通过灌水管的压力变化可以准确地确定出混凝土内是否发生裂缝，之后再通过渗漏处的热水结合测温线路，快速地寻找到混凝土发生裂缝的位置，从而达到裂缝的快速准确定位。

本方案提供的监测装置不需要被动对混凝土进行浸润就可以实现裂缝的主动监测，可以降低裂缝监测的操作步骤，同时还能保证裂缝监测的准确性。

附图说明

图1为现有技术中混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统的结构示意图。

图2为本方案的混凝土结构裂缝监测装置的结构示意图。

图3为监测管、灌水管和套管布置在混凝土后，沿混凝土宽度方向的剖视图。

图4为监测管、灌水管和套管布置在混凝土后，沿混凝土宽度长度方向的剖视图。

图5为实施例中的套管覆盖范围内的温度分布曲线。

其中，1、监测管；2、第二套管；3、加热测温集成线路；4、解调仪；5、稳压电源；6、水循环系统；61、灌水管；611、过水孔；62、供水部；63、第一套管；64、分水器；65、集水器；66、密封块；7、测温系统；71、测温线路；8、混凝土。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本方案的混凝土结构裂缝监测装置包括水循环系统6和测温系统7。

如图2-4所示，水循环系统6包括至少一根使用时布置于混凝土8内的灌水管61和用于给灌水管61供水、并能采集灌水管61内水压的供水部62；灌水管61布置于混凝土8后，通过供水部62给灌水管61中灌满水，以使灌水管61内具有一恒定的压力。

每根灌水管61外套装有至少一段采用脆性材料制成、且内径大于所述灌水管61外径的第一套管63；第一套管63可以采用陶瓷管或玻璃管。

实施时，本方案优选当存在多根灌水管61时，水循环系统6还包括分水器64和集水器65，所述供水部62输出的水经过分水器64进入多根灌水管61，多根灌水管61的回水通过集水器65送入供水部62。

分水器64的设置，可以保证供水部62内的水均匀地进入每根灌水管61，而保证每根灌水管61在混凝土8未出现裂缝时，灌水管61内的压力均相同。

第一套管63的内径比灌水管61外径大，确保二者间有一定间隙，其外部形状和尺寸根据工程需要确定，以不影响被测结构的力学性能为原则。

第一套管63材质的独特设置，可以在混凝土8产生裂缝时破裂，从而可以通过灌水管61内水的渗漏，而主动快速地检测到混凝土8出现了裂缝。

第一套管63两端安装有封堵第一套管63与灌水管61间间隙的密封块66，位于所述第一套管63内的灌水管61上开设有若干过水孔611；密封块66可以为采用防水胶形成的防水胶层。

密封块66的设置可以防止混凝土8未出现裂缝时，灌水管61内的水从端部间隙泄露，影响灌水管61内水压，出现裂缝的误判。

测温系统7包括解调仪4和至少一根布置于混凝土8内与解调仪4连接的测温线路71，所述测温线路71临近所述第一套管63。其中，测温线路71为基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统或多点串联的光纤布拉格光栅准分布式传感系统。

实施时，本方案优选位于混凝土8内的测温线路71套装于一监测管1内，且所述监测管1的内径大于测温线路71的外径；使用时，所述监测管1与测温线路71之间的间隙内灌装有绝缘液体。

监测管1需具有较高的强度和柔韧性，能对测温线路71起保护作用，其内径比测温线路71外径大，以确保测温线路71能顺利穿入监测管1内，若是测温线路71出现损坏，可以方便测温线路71的更换。

监测管1布置在混凝土8内后，监测管1内宜灌满绝缘液体，如：纯净水，以改善测温线路71与周围介质间的传热性能，监测管1可采用耐热聚乙烯(PE-RT)管或聚四氟乙烯(PTFE)管。

本方案的供水部62为锅炉或打压泵；采用锅炉时，锅炉自带的压力表能够对灌水管61内的压力进行的检测，其能够自动对水进行加热，并通过自带的泵将热水泵入灌水管61。

其中的打压泵，其上也具有压力表，也可以实现压力的检测，不过在灌入热水时，只能通过打压泵手动将热水压入灌水管61中。

本方案的监测管1、灌水管61和第一套管63需预埋在被测混凝土8结构内部，宜优先埋设在受拉区；在钢筋混凝土8结构中，监测管1、灌水管61和套管的预埋位置需避开钢筋(箍筋、纵向受力钢筋等)。

本方案的检测装置除了上述提到的效果外，还具有如下优点：

(1)该监测技术为分布式或移动分布式监测，覆盖面广，不会因为局部裂缝过宽或裂缝数过多而导致测温线路71中出现监测盲区；

(2)测温线路71受监测管1保护，使传感器的成活率提高；

(3)测温线路71可从监测管1中取出进行修复或更换，避免局部断点导致整条测温线路71失效，满足长期监测需求；

(4)裂缝定位识别方法简单、高效，方便实施。

至此以完成对本方案的混凝土8结构裂缝监测装置的详细描述，下面接着对该监测装置的监测方法进行描述。

混凝土8结构裂缝监测装置的监测方法包括：

S1、采用供水部62向灌水管61中供水，直至灌水管61内的压力达到预设压力；

S2、判断灌水管61内的压力是否减小，若是，进入步骤S3，否则继续执行步骤S2；

当灌水管61与第一套管63组成的管路系统覆盖的区域产生裂缝，且裂缝深度延伸至第一套管63时，致使第一套管63开裂，灌水管61中的水将从过水孔611流出并沿裂缝面向外泄漏，锅炉内置压力表的读数将减小，预示有裂缝产生；故本方案在监测时可以通过灌水管61内的压力判断混凝土8内是否产生裂缝。

S3、启动供水部62对其内部的水进行加热，并采用供水部62内置的水泵将热水泵入灌水管61内循环流动；当水压太小导致锅炉无法启动时，可通过锅炉上的补水阀补水加压；

S4、启动测温系统7，灌水管61中的热水将从过水孔611流出并沿裂缝面向外泄漏，致使裂缝处的监测管1升温，通过测温系统7实时监测各条测温线路71的温度时空分布，温度时空分布上的温度突变点对应的部位为混凝土8开裂位置。

下面结合具体的实例对本方案提供的监测装置和监测方法的有效性进行说明：

为了验证本方案提供的裂缝监测装置的有效性，制作了1个钢筋混凝土8试件，试件尺寸为1000mm*400mm*280mm。试件中预埋了监测管1、灌水管61和第一套管63各一根，监测管1与灌水管61的间距为100mm。

监测管1采用外径10mm，内径6mm的PTFE管；灌水管61采用外径16mm，内径12mm的PE-RT管；第一套管63采用外径25mm，内径19mm，长500mm的陶瓷管。

试件浇筑成型养护28d后进行三点弯曲试验，使跨中开裂，然后采用本方案的监测装置进行测试，其中：测温系统7采用光纤布拉格光栅(FBG)温度传感系统，FBG温度传感器采用外径4mm，长40mm的铜管封装。

第一套管63覆盖范围内，监测管1内的温度分布曲线如图5所示，通过图5可以看出：与跨中开裂部位对应的测点温度明显高于其他部位，根据该异常现象即可进行裂缝的识别。