Vývoj optovláknového snímače pro sledování stavu ocelové výztuže

1. Úvod

Již dlouho je prosazováno odbornou veřejností, že by bylo vhodné sledovat aktuální technický stav železobetonových mostů i lávek pro pěší během jejich provozu. V současnosti (k 1. 1. 2021) je v rámci ČR z celkových zhruba 17 650 mostů téměř 20 % (3 350 mostů) ve špatném, velmi špatném, či kritickém stavu, [1]. Mezi hlavními příčinami, které vedly k této situaci, je důležité zmínit především vliv nedostatečné či zanedbané údržby. Ke zlepšení této situace by mimo jiné přispěla znalost aktuálního technického stavu ocelové výztuže. Tento příspěvek se zabývá představením vývoje integrovaného snímače sledujícího stav výztuže. Ten je součástí senzorického systému, který umožňuje sledovat více konstrukcí najednou, sledovat naměřená data online v real-time režimu i vytvořit systém varovných upozornění při dosažení stanovených limitních hodnot. Mosty či lávky by při využití tohoto systému mohly být vzdáleně monitorovány po celou dobu své životnosti, čímž by mohla být včas odhalena jejich případná poškození či poruchy. Tento systém by umožnil efektivní plánování oprav a údržby těchto konstrukcí, čímž by se snížila pracnost oprav i náklady s nimi spojené.

obr. 1 Řez korodovaným ocelovým prutem [2]. R_b: poloměr výztužného prutu, R_rb: redukovaný poloměr (úbytek nosného materiálu v průběhu koroze), R_r: postup koroze (přírůstek oxidu železitého)

První fáze návrhu senzoru je detailně popsána v [3]. Koncept návrhu snímače vychází z poznatků o korozních dějích na ocelových výztužích. V průběhu korozního procesu korodovaný prvek zmenšuje svůj nosný průměr, ale jeho celkový průměr je vlivem korozních produktů zvětšován, viz obr. 1. Korozní senzor se skládá ze dvou částí: úpalku betonářské výztuže a senzorické struktury. Je umístěn do sledované konstrukce do blízkosti hlavní nosné výztuže prvku. Koncepčně se jedná o montáž senzorické struktury vybavené optovláknovým snímačem s Braggovou mřížkou (Fibre Bragg Grating, FBG) pro měření mechanické deformace přenášené na úpalek betonářské výztuže, jehož délka může být variabilní a odvíjí se především od délky senzorické struktury, množství senzorických struktur i od konstrukčního uspořádání sledovaného prvku. Průřez, materiál i orientace podélné osy úpalku výztuže odpovídá hlavní nosné výztuži sledovaného prvku. Optovláknová senzorická struktura je na část betonářské výztuže navinuta ve spirále.

2. Optimalizace návrhu

obr. 2 Schéma modifikace uspořádání snímače

První vyvinutá varianta senzoru včetně jejího laboratorního testování je podrobně popsána v [3]. Další fází vývoje byla optimalizace této varianty s cílem zvýšení citlivosti na korozní děje. Toho bylo dosaženo zavedením předpětí do části z uhlíkového kompozitu s FBG strukturou. Původní varianta měla kompozitovou část snímače uloženou posuvně v nerezové trubičce, jež byla navinuta na betonářskou výztuž (obr. 2 nahoře). Optimalizovaný návrh byl opatřen osazeními na obou koncích kompozitové části, o stejném nebo větším průměru, než má ochranná nerezová trubička (obr. 2 dole). Pomocí těchto osazení bylo možné dosáhnout při výrobě předpětí kompozitové části snímače vůči nerezové trubičce.

Dále byla navržena a otestována varianta umístění FBG snímače v drážce vyfrézované v betonářské výztuži. Původní předpoklad bylo citlivější zachycení korozních dějů působící na snímač ze tří směrů současně. Jak je uvedeno dále, tento předpoklad se nepotvrdil. Vzhledem k dobré mechanické ochraně optovláknové části snímače (v porovnání s variantou vedení ve spirále na povrchu výztuže) bude tato varianta využita pro kompenzační měření. Zároveň je v drážce možné realizovat přechod z kompozitové části snímače na kabeláž, což přináší další zodolnění snímače.

Pro účely testování dlouhodobého vlivu korozních dějů na samotných snímačích a následně na snímačích umístěných v betonových vzorcích byla vyrobena série snímačů ve třech konfiguracích:

1. Senzorická struktura vedená v axiálním směru v drážce ve výztuži (viz obr. 3)
2. Senzorická struktura vedená ve spirále na povrchu výztuže (viz obr. 3)
3. Senzorická struktura vedená ve spirále na PTFE (polytetrafluoretylen, teflon) tyči (reference pro vyhodnocení chování samotné senzorické struktury – tento materiál se vyznačuje vynikající teplotní a chemickou odolností, viz obr. 5)

obr. 3 Snímače s drážkou

obr. 4 Snímače se spirálou

obr. 5 Referenční snímače

3. Laboratorní testování

Po optimalizaci a výrobě různých typů snímačů následovalo jejich laboratorní testování. Hlavním cílem tohoto testování bylo ověřit citlivost snímačů na korozní děje (samostatné snímače i snímače umístěné v betonových prvcích). Tomuto dlouhodobému testování předcházely i další experimenty popsané v textu dále (stabilita snímačů při betonáži, stabilita snímačů při běžných provozních podmínkách).

Nejprve proběhlo laboratorní testování korozních senzorů simulující různé environmentální podmínky v betonových konstrukcích. Jedná se specificky o následující experimenty:

• 
  obr. 6 Návrh zkušebního cyklu simulace zrání betonu (změny teploty a vlhkosti)
  Experiment simulující teplotně-vlhkostní podmínky při zrání betonu dle cyklu znázorněného v grafu na obr. 6. Tento cyklus byl využit na samostatné nezabetonované senzory pro ověření jejich stability při betonáži. Cyklus byl proveden ve třech opakováních.
   
• Experiment simulující běžné teplotně-vlhkostní provozní podmínky, tzn. měnící se relativní vlhkost (65–95 %) při zachování konstantní teploty 21 °C graficky znázorněný na obr. 7 vlevo a měnící se teplotu (−20 – +40 °C) při zachování přirozené relativní vzdušné vlhkosti (klimakomora nastavena na 50 % relativní vlhkosti, přirozenou regulaci provádí při zkoušce komora autonomně) – viz obr. 7 vpravo. Oba cykly byly provedeny ve třech opakováních.

obr. 7 Návrh zkušebního cyklu provozních podmínek. Vlevo: konstantní teplota. Vpravo: variace teploty.

Dalším krokem bylo již testování v podmínkách, které výrazně přispívají ke korozi. Vzorky byly ponořeny do 5% roztoku NaCl a teplotně-vlhkostní podmínky okolního prostředí byly nastaveny na 35 °C a 95 % RH. V tomto prostředí byly vzorky ponechány vždy cca čtyři týdny.

Po testování samotných snímačů bez vlivu i s vlivem korozního prostředí následovalo testování snímačů umístěných v modelu konstrukce, tedy uvnitř betonového prvku. Byly vyrobeny celkem tři trámky z lehčeného betonu, který byl vybrán kvůli jeho porozitě, aby došlo k urychlení korozních dějů.

Každý železobetonový trámek měl průřez o rozměrech 100 × 100 mm, jeho celková délka byla 500 mm. Trámek byl zhotoven z lehkého betonu ze směsi Liapor Mix třídy LAC 4 – D 0,8 S1. Standardní výztuž je nahrazena vždy jedním testovaným a jedním referenčním senzorem, které jsou umístěny do tažené oblasti nosníku (při předpokladu namáhání za ohybu) s krytím 10 mm, viz obr. 8. Pro výrobu testovaných senzorů jsou využity úpalky betonářské výztuže z oceli B500B o průměru 32 mm, pro výrobu referenčního senzoru je využita tyč z PTFE. Betonáž byla provedena do forem z dřevovláknitých desek. Vývody kabeláže byly provedeny s ochranou pomocí koaxiálních plastové a pryžové trubičky.

obr. 8 Forma pro betonování zkušebního vzorku

Po ruční betonáži (obr. 9) a ukončení cyklu zrání byly vzorky umístěny do lázně s korozním roztokem v klimakomoře (obr. 10), připojeny k ústředně a byl spuštěn naplánovaný zkušební program (stabilní podmínky okolního prostředí: teplota 35 °C, relativní vzdušná vlhkost 95 %, testování po dobu 4 týdnů).

obr. 9 Dvojice vzorků při betonáži

obr. 10 Trojice vzorků v korozním roztoku

4. Výsledky laboratorního testování

Testování senzorů v konstrukci železobetonových trámků předcházelo testování nezabetonovaných snímačů pro ověření jejich stability při betonáži (zrání betonu) i v rámci běžných provozních podmínek. Uvedený graf (obr. 11) prezentuje tři cykly simulace zrání betonu, tři cykly simulace provozních podmínek (konstantní teplota) a tři cykly provozních podmínek (variace teploty). Testování prokázalo, že v závislosti na měnících se teplotně-vlhkostních parametrech je odezva senzorů dle předpokladů (výrazně závislá na změně teploty).

obr. 11 Výsledky environmentálního testování nezabetonovaných senzorů. dra – varianta snímačů v drážce, fbg – samostatná fbg mřížka, ref – referenční snímač teflon, spi – varianta snímačů ve spirále, RH – relativní vlhkost vzduchu

Při vyhodnocování výsledků měření korozního přírůstku byly používány výpočetní postupy vyvinuté při testování první varianty senzoru. Jejich charakteristikou je uplatnění stabilizujícího referenčního signálu a pozornost byla v tomto případě zaměřena na ověření předpokladu zesílení citlivosti snímače, resp. jeho odezvy na korozní přírůstky po přechodu na koncepci senzorické struktury předepjaté v nerezové trubičce. Vyhodnocené výsledky citlivosti korozních snímačů v podobě linearizovaných korozních přírůstků jsou shrnuty v následující tabulce:

5. Závěr

Z výsledků vyplývá, že došlo k předpokládanému zhruba čtyřnásobnému zvýšení citlivosti po modifikaci konstrukce snímače na předepjatou variantu (v případě volné deformace snímače v korozním roztoku, ukázka vyhodnocení měření pro vzorek s předepjatým snímačem vedeným ve spirále a teplotně kompenzovaným pomocí snímače v drážce je na obr. 12), resp. zhruba trojnásobnému zvětšení citlivosti po umístění snímače do betonu (ukázka vyhodnocení měření pro vzorek s předepjatým snímačem vedeným ve spirále a teplotně kompenzovaným pomocí senzoru v drážce je na obr. 13). Potvrdil se tedy i předpoklad, že korozní přírůstek indikovaný snímačem, který je obklopen betonem, kdy expanze průměru betonářské výztuže je brzděna tuhostí okolního betonu, bude menší než v případě volného umístění výztuže v korozním roztoku. Nicméně výsledná hodnota korozního příspěvku 0,3 nm/měsíc (změna vlnové délky indikovaná FBG snímačem) je plně dostačující pro indikaci poruchového stavu. Senzor umístěný v drážce vykazoval podstatně horší výsledky za jinak stejných podmínek než předepjatý senzor ve spirále, navíc se stabilní odezvou v době experimentu, ukázal se tak jako vhodný pro kompenzační účely. Lze jím při použití ve sledované stavební konstrukci kompenzovat faktory, které ovlivňují měření korozních přírůstků (vliv teploty, vlhkosti, vliv dotvarování a smršťování betonu, vliv zatěžování konstrukce aj.).

obr. 12 Vývoj korozního přírůstku na snímači s FBG vedeným ve spirále, volné uložení

obr. 13 Vývoj korozního přírůstku na snímači s FBG vedeným ve spirále, umístění v železobetonovém trámku

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory TAČR v rámci programu ZÉTA, projekt TJ02000163: Sledování technického stavu mostních konstrukcí pomocí technologie FBG senzorů.

Literatura

1. Přehledy z informačního systému o silniční a dálniční síti ČR, stav k 1. 1. 2021, Ředitelství silnic a dálnic ČR, Odbor silniční databanky a NDIC. Citováno 21. 6. 2021. Dostupné online https://www.rsd.cz/wps/wcm/connect/d4f00eed-e6d7-4488-bac4-233113763473/prehledy_2021_1_cr.pdf?MOD=AJPERES
2. Balafas, I.; Burgoyne, Ch. J. Modeling the Structural Effects of Rust in Concrete Cover. In Journal of Engineering Mechanics, vol. 137, issue 3, 2011. ISSN 1943-7889.
3. Čápová, K. et al. Návrh snímače pro sledování stavu ocelové výztuže – první fáze testování. In TZB-info, 2020, 22(27), ISSN 1801-4399