Návrh snímače pro sledování stavu ocelové výztuže – první fáze testování

Tento příspěvek popisuje první fázi návrhu systému pro sledování technického stavu ocelové výztuže v konstrukcích železobetonových mostů či lávek. Navržené snímače byly osazeny na betonářskou výztuž různých průměrů (6 mm, 8 mm, 12 mm, 16 mm). Nejprve byla sledována jejich odezva na měnící se teplotu a následně byly ponořeny do nádoby s 5% roztokem NaCl, nebyly nijak mechanicky zatíženy a při pokojové teplotě byly ponechány působení tohoto roztoku způsobujícího korozní degradaci. Výsledky tohoto testování prokázaly, že princip měření využívající snímač založený na FBG (Fibre Bragg Grating) pro sledování příbytku oxidu železitého na povrchu výztuže je funkční. Závislost přírůstku objemu oxidu železitého je, taktéž dle předpokladu, rostoucí s druhou mocninou průměru výztuže; je tedy zřejmé, že senzor, který je umístěný na prutu o větším průměru, vykazuje výrazně lepší výsledky. Na základě výsledků testování tedy bude pro další práce použit senzor umístěný na výztuži o průměru minimálně 12 mm.

1. Úvod

Konstrukce dálničních a silničních mostů, lávek pro pěší i ostatních prvků dopravní infrastruktury jsou důležitou součástí každodenního života celé společnosti. Znalost jejich aktuálního technického stavu je tedy pro bezpečný a spolehlivý provoz dopravní sítě naprosto zásadní. V České republice je v provozu přibližně osmnáct tisíc silničních mostů, z toho zhruba pětina je jich ve špatném nebo velmi špatném technickém stavu. Na hlavních páteřních komunikacích (dálnice a silnice I. třídy) je ve špatném až havarijním stavu přibližně pět set mostů, na komunikacích nižších tříd je jich ke třem tisícům. Příčin, které k této situaci vedly, je mnoho, velmi důležitá je ovšem kombinace rostoucí dopravní zátěže a nedostatečné údržby, [1]. Ve fázi, kdy je most nebo lávka již ve velmi špatném technickém stavu, je náprava škod vysoce nákladná a pracná.

Tento příspěvek představuje první fázi návrhu systému pro sledování technického stavu kritických míst mostních konstrukcí a lávek ze železobetonu (Structural Health Monitoring – SHM). Oproti současně užívaným metodám monitoringu je jeho hlavní výhodou především umístění snímačů přímo v konstrukci a tím pádem zvýšení jejich odolnosti vůči klimatickým vlivům a poškození. Další výhodou senzorů zabudovaných v železobetonových prvcích je jejich lokace v těsné blízkosti výztuže a tím možnost hodnocení jejího stavu již od fáze výstavby.

Využití tohoto systému v praxi by do budoucna přineslo možnost vzdáleně sledovat nosnou konstrukci mostu nebo lávky po celou dobu životnosti, odhalit tím včas případná poškození nebo poruchy a naplánovat nutné opravy tak, aby nebyly příliš nákladné a pracné. Systém umožňuje sledovat až desítky konstrukcí najednou, lze tedy snížit požadavky na personál nutný pro hodnocení stavu konstrukcí v terénu.

2. Návrh snímače

První fáze návrhu zahrnovala především vývoj vhodného snímače pro sledování stavu ocelové výztuže včetně jeho zapouzdření i systému uchycení k ocelové výztuži. Okrajovými podmínkami definujícími zadání pro výzkum a vývoj snímače byly zejména požadavky na variabilitu snímače (musí jednoduše pokrýt velké rozpětí průměrů betonářské výztuže), dále velká mechanická odolnost (bude ukládán před betonáží), schopnost pokrýt dlouhé úseky s minimálním počtem senzorů (minimalizace ceny). Snímač by také neměl zasahovat do samotné výztuže, ať už oslabením nosného průřezu nebo jakýmkoliv ztížením prací při spojování výztuže.

Těmto požadavkům vyhovuje koncepce montáže optovláknového snímače vybaveného Braggovou mřížkou (Fibre Bragg Grating – FBG) pro měření mechanické deformace na betonářskou výztuž požadované délky (dle délky snímače nebo množství snímačů, konstrukčního uspořádání infrastrukturního prvku apod.). Takto vzniklý snímač je umístěn při betonáži do blízkosti nosné výztuže. Materiál, velikost nosného průřezu a orientace podélné osy senzorického kusu výztuže musí odpovídat nosné výztuži. Pro pokrytí všech směrů postupu koroze je optovláknový snímač navinutý v podobě spirály na ocelovou výztuž.

V přípravné fázi byly zvažovány a testovány následující koncepce snímače:

1. Holé optické vlákno s FBG snímačem přilepené na povrchu výztuže.
2. Optické vlákno s FBG snímačem chráněné těsným obalem ze skleněného kompozitu.
3. Optické vlákno s FBG snímačem umístěné v trubičce z uhlíkového kompozitu, přilepené k výztuži v celé délce.
4. Optické vlákno s FBG snímačem v trubičce z uhlíkového kompozitu, umístěné s možností osového posuvu v trubičce z nerezové oceli.

Varianta č. 1 poskytuje obecně vysokou citlivost, ale optické vlákno není primární ochranou dostatečně chráněno proti obtížným podmínkám při betonáži. V celé délce přilepené vlákno navíc měří pouze lokálně (v blízkém okolí FBG snímače). To je slabinou i v případě varianty č. 2. Varianta č. 3 je založena na principu extenzometru, kdy je FBG snímač v trubičce uchycen ve dvou bodech, je proto citlivý v celé délce trubičky. Problematickou zůstává nižší míra odolnosti proti mechanickému poškození.

Varianta č. 4 je založena na variantě č. 3 s přidanou ochrannou vnější trubičkou z nerezové oceli. Byla testována ve dvou variantách. První bylo mechanické přichycení sestavy snímače na výztuž (ocelový prut) pomocí šroubovacích hadicových spojek. Tento způsob montáže nicméně neposkytuje spolehlivý spoj a přenos deformace z výztuže na snímač. Druhou variantou je přichycení snímače na výztuž pomocí tzv. chemické kotvy. Takto vzniklý spoj je pevný, navíc v zásadě cementová chemická kotva má podobné vlastnosti jako beton.

obr. 1 Detail provedení připojovací kabeláže (vlevo) a zakončení senzoru (vpravo)

Pro prvotní fázi experimentů byly vyrobeny 4 kusy snímače dle konceptu varianty č. 4. Optické vlákno s primární ochranou z polyakrylátu a s FBG mřížkou o vlnové délce v pásmu 1550 nm je umístěno do trubičky z uhlíkového kompozitu (s epoxidovou matricí) tak, aby bylo předepnuto mezi koncovými body. Tím je zajištěno, že činná délka odpovídá délce snímače. Jako ochrana proti vnějším vlivům slouží vnější trubička z nerezové oceli (vnější průměr 2 mm). Uhlíková a nerezová trubička nejsou spojeny, axiální posuv tak není blokován. Jeden konec snímače je opatřen propojovací kabeláží s FC/APC optickým konektorem (obr. 1). Sestavený snímač je navinut na betonářskou výztuž a zafixován chemickou kotvou (obr. 2).

obr. 2 Pohled na sestavu senzoru a betonářské výztuže

obr. 3 Řez korodovaným ocelovým prutem [2].
Rb: poloměr výztužného prutu, Rrb: redukovaný poloměr (úbytek nosného materiálu v průběhu koroze), Rr: postup koroze (přírůstek oxidu železitého)

Návrh snímače využívá poznatků o korozních dějích na ocelových výztužích. Při korozním procesu korodovaný prvek sice zmenšuje svůj nosný průměr, ale vlivem korozních produktů zvětšuje svůj objem celkový, viz obr. 3.

3. První fáze testování

Proběhlo laboratorní testování snímačů osazených na čtyřech vzorcích betonářské výztuže o různých průměrech (6 mm, 8 mm, 12 mm, 16 mm). Nejprve byla sledována jejich odezva na měnící se teplotu okolí a následně byly vystaveny působení účinků 5% roztoku NaCl. Tento roztok byl zvolen záměrně, neboť chloridy způsobují korozi výztuže u silničních staveb. Chlorid sodný, někdy chlorid vápenatý, se používají jako rozmrazovací prostředky při zimní údržbě komunikací. Přestože vozovky na mostech se nesmí ošetřovat chloridovými prostředky, jsou chloridy v betonu mostních konstrukcí nacházeny, a to především vlivem aerosolu, který se při přejezdu vozidel nad silnicí tvoří a je unášen i na mostní konstrukci, [3]. Vzorky byly ponořeny do nádoby s 5% roztokem NaCl (obr. 4), nebyly nijak mechanicky zatíženy a při pokojové teplotě byly ponechány působení tohoto roztoku způsobujícího korozi povrchu. Na dvou stranách nádoby byla měřena a následně průměrována teplota okolního vzduchu, testované snímače měřily relativní přetvoření.

obr. 4 Snímače osazené na betonářské výztuži. Vlevo: vzorky umístěné v nádobě bez roztoku soli. Vpravo: vzorky ponořené v solném roztoku.

Na následujících grafech jsou prezentovány výsledky měření po odstranění vlivu teploty a okolních parazitních jevů. Výsledky jsou modelovány vůči počátečním parametrům v prvních hodinách měření, kdy se přírůstek relativní deformace indikované snímačem považuje za neměřitelně malý, a tedy se statisticky v naměřených hodnotách nemohl projevit. Na takto zpracovaných datech byla pro každý vzorek provedena kalibrační predikce korelovaná s výsledkem, obr. 5. Modrou barvou (magv) jsou znázorněny měřené hodnoty, oranžovou barvou (pred_resid) je zobrazeno residuum po proložení kalibrační predikcí, červenou barvou (magv_resid_kor) rozdíl mezi měřenými hodnotami a residuem po proložení kalibrační predikcí a zelená křivka (predlin) znázorňuje výsledek proložení finální lineární regresí na residua.

(a)

(b)

(c)

(d)

obr. 5 Výsledky měření po odstranění vlivu teploty a okolních parazitních jevů. (a) R02: ø16, (b) R03: ø12, (c) R05: ø8, (d) R06: ø6. Svislá osa: změna vlnové délky Δλ [pm]. Vodorovná osa: datum [rrrr-mm-dd].

Pokud se vyřadí první vzorek na výztuži největšího průměru, jehož výsledky nejsou konzistentní s ostatními výsledky (důvodem je výrazně rozdílná míra počátečního objemu korozních produktů této výztuže oproti ostatním vzorkům, viz obr. 4 vlevo), pak je zřejmý rapidně klesající koeficient přírůstku oxidu železitého s klesajícím průměrem výztuže, viz tab. 1. Tento výsledek je zcela v souladu s prvotními předpoklady. Závislost přírůstku oxidu železitého je, taktéž dle předpokladu, rostoucí s druhou mocninou průměru výztuže. Je tedy zřejmé, že senzor, který je umístěný na výztuži o větším průměru, vykazuje výrazně lepší indikované výsledky.

Na základě výsledků testování tedy bude pro další práce použit senzor umístěný na výztuži o průměru minimálně 12 mm.

4. Závěr

V rámci první fáze návrhu snímače pro sledování stavu ocelové výztuže byly vyrobeny čtyři vzorky, u nichž byla následně v laboratorních podmínkách na volné výztuži otestována soudržnost se sledovaným materiálem a jejich teplotní stabilita a odezva na mechanické namáhání způsobené zvětšováním objemu výztužného prutu při procesu koroze. Na základě výsledků testování bylo určeno, že pro další fáze testování bude použit senzor umístěný na výztuži o průměru minimálně 12 mm. Tento senzor bude podroben dlouhodobému experimentu, jehož cílem bude především urychlení procesu karbonatace betonu a vytvoření vhodných podmínek pro pronikání chloridů do struktury betonu až k výztuži.

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. TP 216: Navrhování, provádění, prohlídky, údržba, opravy a rekonstrukce ocelových a ocelobetonových mostů PK, Technické podmínky. Ministerstvo dopravy, Odbor silniční infrastruktury. Praha, prosinec 2009.
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. Rovnaníková, P.; Rovnaník, P.; Křístek, R. Stavební chemie, Modul 3, Degradace stavebních materiálů a chemie kovů. Fakulta stavební, VUT v Brně, 2004.