Wird der Sensor beschädigt, wenn er direkt in Beton eingegossen wird und dieser aushärtet?
Kurz gesagt: Wenn ungeschützte „blanke“ Sensoren (wie unverkapselte Glasfasern oder Gitter) direkt in Beton gegossen werden, werden sie mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zerquetscht oder gerissen; aber wenn professionell verkapselte Sensoren verwendet werden, werden sie überhaupt nicht zerquetscht und arbeiten langfristig stabil und hochpräzise.
Bei der „Einbettungsinstallation“ im Bauingenieurwesen treten bei direktem Eingießen zerbrechlicher Quarzfasern (blanke Fasern mit einem Durchmesser von normalerweise nur 125 \mu\text{m}, mit Beschichtung 250 \mu\text{m}) in Beton folgende fatale physikalische und chemische Schadensmechanismen auf:
1. Mechanische Schäden während des Betonierens
Beim Betonieren und Rütteln (Vibration) bewegen sich die Steine (Zuschlagstoffe) heftig und stoßen aneinander. Für die Mikrometer-Fasern ohne Schutzschicht führt dies zu enormen lokalen Punktpressungen und Scherkräften. Direkte Stöße von Zuschlagstoffen lassen die blanken Fasern augenblicklich brechen.
2. Ungleichmäßige Spannungen während der Betonhärtung und im Betrieb
Während der Aushärtung (exotherme Hydratationsreaktion) und Verfestigung des Betons treten Volumenkontraktionen (Shrinkage) auf. Diese ungleichmäßige Kontraktionsverformung übt komplexe Scherspannungen an der Grenzfläche aus. Wenn dem Sensor eine ausreichende Druckschutzhülse fehlt, wird die optische Einheit im Inneren durch lokale Überlastung direkt zerstört.
3. Korrosion durch chemische Umgebungen
Nach dem Aushärten befindet sich Beton in einer stark alkalischen Umgebung (der pH-Wert liegt normalerweise bei 12 bis 13). Wasser, Sauerstoff und hochkonzentrierte Hydroxidionen greifen die Oberfläche der freiliegenden Quarzfaser (Siliziumdioxid) chemisch an, was zu Spannungskorrosionsrissen führt, die die Ermüdungslebensdauer erheblich verkürzen oder sogar innerhalb kurzer Zeit zu Bruch führen.
Allgemeine technische Lösung: Verkapselungsschutz aus Metall und Polymer
Um dieses Problem zu lösen, werden in der Industrie üblicherweise Sensoren mit „hochfestem Verkapselungsschutz“ für die Einbettungsinstallation verwendet. Zum Beispiel bietet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) für diese anspruchsvollen Einbettungsüberwachungsumgebungen verschiedene spezielle Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren an:
A. Dehnungsmesstechnik für Bewehrungsstahl und Beton
Der OFSCN® Fiber Bragg Grating Rebar Strain Gauge ist eine typische Anwendung für dieses Szenario. Er wird normalerweise auf Basis des OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor hergestellt.
- Physikalischer Schutzmechanismus: Der Außendurchmesser des Sensors beträgt nur etwa 1,1 mm. Eine hochfeste, elastische Legierungshülse bietet einen robusten Metallschutz für das empfindliche Faser-Bragg-Gitter.
- Druckbeständigkeit: Die Hülse isoliert vollständig von punktuellen Druckkräften durch Sand und Zuschlagstoffe sowie von Scherkräften durch Aushärtungsschwinden. Sie wird nicht nur nicht zerquetscht, sondern überträgt auch die tatsächlichen longitudinalen Mikrodehnungen von Beton oder Bewehrungsstahl genau auf das interne Gitter.
B. Flexible und punktweise verteilte Einbettung
Für Einbettungsüberwachungen, die eine extrem hohe Wasser- und Feuchtigkeitsbeständigkeit sowie eine mittlere Festigkeit erfordern, können Polymer-verkapselte Sensoren mit Edelstahlrohrverstärkung verwendet werden:
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter) (Außendurchmesser nicht größer als 1,2 mm, mit nahtloser Stahlrohrschutzschicht)
- OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (1.5mm/2.3mm diameter) (Außendurchmesser nicht größer als 2,3 mm, mit nahtloser Stahlrohrschutzschicht)
Diese Sensoren verwenden eine Doppelrohrtechnologie aus „Polymer-Pufferschicht + nahtloses Metallrohr“. Sie schirmen seitliche, harte Punktpressungen effektiv ab und bieten gleichzeitig eine ausgezeichnete Flexibilität, Zug- und Druckfestigkeit sowie die Fähigkeit, Feuchtigkeit und alkalische chemische Korrosion vollständig abzudichten.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Solange Sie verkapselte Sensoren mit hochfesten Metall-/Polymerrohren wählen und diese direkt am Bewehrungskorb befestigen und dann mit Beton gießen und verdichten, werden die Sensoren absolut nicht zerquetscht und liefern präzise Daten über die internen Dehnungs- und Temperaturentwicklungen im Beton über Jahrzehnte hinweg.