Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire d'informatique et de mécanique appliquées à la construction IMAC)

Construction material monitoring with "optical hair" hygrometers

Kronenberg, Pascal ; Smith, Ian (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2673.

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    Summary
    Moisture is an essential parameter in the behaviour of capillary-porous construction materials such as timber and concrete. It affects liquid and gas transport phenomena, chemical and biological degradation processes, mechanical properties and, in the case of concrete, hydration. From a scientific point of view, moisture monitoring is essential in order to improve the understanding of material behaviour. Moisture measurements may increase the predictive accuracy of established material behaviour models. In practice, the increased knowledge of material behaviour improves structural maintenance planning. The main objective of this work is to propose a measurement method for non-destructive, in-depth moisture monitoring of construction materials. In this context, an intrinsic point and an averaging fibre optic relative humidity sensor have been developed and tested. The sensors are based on optical fibres that are coated with a hygroscopically swelling transducer polymer. When wet, the swelling of the coating strains the fibre (analogy with the hair hygrometer). The induced strain is assessed with conventional fibre optic strain sensing techniques such as fibre Bragg gratings and Michelson interferometry. Theoretical and experimental studies lead to a detailed understanding of the influence of humidity and temperature on the steady and transient state sensor behaviour. The sensors have an accurate, linear, reversible and reproducible response to relative humidity between 5 and 95 %RH and between 13 and 60 °C, at least. The sensor response time is in the order of 20 minutes. However, when packaged, the sensor responds slower. The temperature cross-sensitivity of the fibre Bragg grating sensor may be compensated with an additional non-hygroscopic grating, while the Michelson interferometric sensor provides an auto-compensation of temperature effects. Tests in mortar and timber samples demonstrate that the sensors preserve their sensing ability when embedded. These tests have also clarified the multiplexing potential of fibre Bragg gratings for forming a multi-point RH sensor. Multi-point sensors are particularly useful for profile measurements.
    Zusammenfassung
    Das Verhalten kapillar-poröser Baustoffe wie Holz und Beton hängt in bedeutendem Masse von deren Feuchtegehalt ab. Dieser beeinflusst Gas- und Flüssigkeitstransport, chemische und biologische Zerfallprozesse, mechanische Eigenschaften und, im Fall von Beton, die Hydratation. Für ein besseres Verständnis des Baustoffverhaltens ist die Überwachung der Feuchte notwendig. Feuchtemessungen ermöglichen auch, die Vorhersagegenauigkeit von Materialmodellen zu steigern. In der Praxis erlaubt die bessere Kenntnis des Baustoffverhaltens die Planung von Bauwerksunterhaltungsmassnahmen zu optimieren. Ziel dieser Arbeit ist, eine Messmethode zur zerstörungsfreien und tiefenauflösenden Baustofffeuchteüberwachung zu entwerfen. Diesbezüglich wurden zwei intrinsische faseroptische relative Feuchtigkeits-Sensortypen entwickelt und getestet. Der eine Sensortyp eignet sich für Punktmessungen, während der andere über die Messdistanz gemittelte Messungen ermöglicht. Die Sensoren bestehen aus einer optischen Faser, die in einer hygroskopisch anschwellenden Polymer-Umformerummantelung eingefasst ist. Bei Wasserkontakt schwillt die Ummantelung und dehnt die Faser (Analogie mit Haarhygrometer). Diese Dehnung kann mit herkömmlichen faseroptischen Dehnungsmesstechniken wie Bragg Gitter (Punktsensor) oder Michelson Interferometer (mittelnder Sensor) erfasst werden. Theoretische und experimentelle Untersuchungen führten zu einem detaillierten Verständnis des Einflusses von Feuchtigkeit und Temperatur auf das stationäre und dynamische Sensorantwortverhalten. Die Sensoren zeichnen sich durch eine genaue, lineare, umkehrbare und reproduzierbare Antwort auf relative Feuchtigkeiten zwischen 5 und 95 %rF bei Temperaturen zwischen mindestens 13 und 60 °C aus. Die Zeitkonstante der Sensorfasern liegt im Bereich von 20 Minuten. Die Sensorhülle, welche unter Gewissen Umständen zur mechanischen Abschirmung der Fasern vom Baustoff benötigt wird, erhöht die Zeitkonstante. Die Temperaturabhängigkeit des Bragg Gitter Sensors kann mit einem zusätzlichen nicht-hygroskopischen Gitter kompensiert werden, während der Michelson interferometrische Sensor eine Autokompensation der Temperatur ermöglicht. Messversuche in Mörtel- und Holzproben haben gezeigt, dass die eingebetteten Sensoren ihre Messfähigkeit beibehalten. Ferner wurde das Multiplexingpotential der Bragg Gitter zur Bildung eines Mehrpunkt-Feuchtigkeitssensors bestätigt. Mehrpunktsensoren eignen sich hervorragend für Profilmessungen.
    Résumé
    Le comportement des matériaux de construction capillaire-poreux, tels le bois et le béton, est très sensible à leur teneur en eau. Les phénomènes de transport des gaz et des liquides, les processus de dégradation chimique et biologique, les propriétés mécaniques et, dans le cas du béton, l'hydratation, sont principalement concernés. De fait, la mesure de la teneur en eau permet de mieux comprendre le comportement de ces matériaux. Les prédictions des modèles peuvent être améliorées en intégrant la teneur en eau comme paramètre connu. En pratique, le comportement à long terme d'une structure est plus prévisible et contribue ainsi à une meilleure planification de la maintenance structurale. L'objectif principal de ce travail est de proposer une méthode de mesure non-destructive permettant de surveiller en continu la teneur en eau au sein des matériaux. Dans ce contexte, deux capteurs d'humidité relative à fibre optique ont été développés et testés, l'un étant un capteur « point » et l'autre un capteur « moyennant », à base de mesure longue. Les capteurs dépendent d'une fibre optique enrobée d'un polymère transducteur hygroscopique. Au contact de l'eau, ce polymère gonfle et étire ainsi la fibre (analogie de l'hygromètre à cheveux). La déformation de la fibre est ensuite analysée par des techniques classiques de mesure de déformation par fibre optique, tels que les réseaux de Bragg ou l'interférométrie Michelson. Une étude théorique et expérimentale a permis d'acquérir une connaissance détaillée de l'influence de l'humidité et de la température sur le comportement stationnaire et transitoire des capteurs. La réponse des capteurs à une humidité relative variant de 5 à 95 %HR est précise, linéaire, réversible et reproductible pour une température comprise entre 13 et 60 °C au moins. Le temps de réponse est de l'ordre de grandeur de la vingtaine de minutes. Cependant, le conditionnement du capteur dans un emballage protecteur tend à prolonger son temps de réponse. La sensibilité à la température du capteur à réseau de Bragg peut être compensé moyennant un réseau supplémentaire non-hygroscopique, alors que le capteur Michelson peut autocompenser les effets de température. Des essais dans le mortier et dans le bois ont montré que les capteurs préservent leur habilité de mesure quand ils sont placés au sein du matériau. Ces essais ont aussi confirmé que les capteurs à réseau de Bragg peuvent facilement être multiplexés pour former un capteur d'humidité multi-point. Ce dernier est idéal pour la mesure d'un profil d'humidité.
    Riassunto
    Riassunto Il tenore d'acqua é un parametro essenziale nei materiali da costruzione capillaro-porosi quali il legno ed il calcestruzzo. Esso influisce sui fenomeni di trasporto di gas e di liquidi, sui processi di degradazione chimica e biologica e, nel caso del calcestruzzo, sull'idratazione. Da un punto di vista scientifico, il controllo del tenore d'acqua è essenziale al fine di comprendere il comportamento di tali materiali. Il valore predittivo dei modelli di comportamento esistenti può significativamente migliorare qualora il tenore d'acqua sia inserito come parametro noto. In pratica, una maggiore conoscenza del comportamento del materiale contribuisce ad una migliore pianificazione della manutenzione della struttura. Lo scopo principale di questo lavoro é di proporre un metodo di misura non-distruttivo, in grado di monitorare in continuo il tenore d'acqua all'interno dei materiali. In tale contesto due sensori d'umidità relativa, basati sulla tecnologia delle fibre ottiche, sono stati concepiti, sviluppati e testati. Il primo sensore è progettato per rilevare puntualmente l'umidità, mentre il secondo è concepito per monitorare ampie zone nel materiale. Entrambi i sensori si basano su di un polimero-trasduttore igroscopico che ricopre una fibra ottica. A contatto con l'acqua tale polimero si espande, allungando la fibra (analogia con l'igrometro a capelli). Poiché il trasduttore è installato sulla fibra ottica appartenente ad un sensore di deformazione di tipo Bragg o Michelson, le deformazioni provocate dall'espansione sono misurabili e registrabili in continuo. Studi teorici e sperimentali hanno portato ad una conoscenza dettagliata dell'influenza dell'umidità e della temperatura sul comportamento stazionario e transitorio dei sensori. La risposta dei sensori ad un tasso d'umidità relativa che va dal 5 al 95 %UR é precisa, lineare, reversibile e riproducibile, per l'intervallo di temperatura studiato durante lo svolgimento della ricerca (13-60 °C). Il tempo di risposta é all'incirca di venti minuti, con tendenza ad aumentare qualora il sensore, per usi specifici, sia protetto da un rivestimento. La sensibilità alla temperatura del sensore basato sulla tecnologia dei reticoli di Bragg, può essere compensata accoppiando al sensore d'umidità un secondo reticolo che non abbia il trasduttore igroscopico. I sensori di tipo Michelson essendo auto-compensati per gli effetti della temperatura non presentato problemi di sensibilità termica. Test condotti su malta e legno hanno dimostrato che i sensori conservano la loro capacità di misura una volta inseriti nel materiale. Tali test hanno mostrato che i sensori a reticolo di Bragg si prestano alla realizzazione di sensori "multi-punto", particolarmente adatti alle misure di un profilo d'umidità.