摘 要

如今钢筋的锈蚀已经成为世界上影响混凝土结构耐久性的最主要原因。因此，对混凝土中钢筋的锈蚀情况进行监测，并提供预防和警报作用，具有十分重要的意义。由于光纤光栅锈蚀传感器具有体积小、抗腐蚀、耐高温、抗电磁干扰、集信息传输与传感于一体等诸多优点，能够对钢筋锈蚀状态进行无损、实时的监测，提供预警信息，故被认为是未来混凝土中钢筋锈蚀智能化监测最主要的方法之一。然而裸光纤光栅本身非常脆弱，因此需要对其进行有效的封装保护，本文选择醋酸纤维素膜作为封装材料。为了监测醋酸纤维素膜的封装效果，本课题采用光纤光栅锈蚀传感监测技术，通过在光纤光栅表面沉积一层与钢筋组成相同的Fe-C敏感膜，形成锈蚀传感器。

本文主要研究内容为：在实验室条件下，制备光纤光栅锈蚀传感器并用醋酸纤维素膜进行封装，利用光纤光栅锈蚀传感原理，通过利用光纤解调仪或光谱仪记录Bragg光栅波长的漂移，对醋酸纤维素膜的封装效果进行监测分析，评估醋酸纤维素膜的封装效果。

关键词：光纤光栅，Fe-C膜，醋酸纤维素膜，旋涂法，提拉法

Abstract

The corrosion of steel has become the main reason in the world that influences the durability of concrete structure. Therefore, it is of great significance to monitor the corrosion of steel bars in concrete and to provide preventive and alarming effects.Fiber Bragg grating corrosion sensor has many advantages, such as small size, corrosion resistance, high temperature resistance, anti-electromagnetic interference and the integration of information transmission and sensing, and so on. It can be used to monitor steel corrosion with the properties of non-destructive and real-time monitoring, and to provide early warning information. Therefore, it is considered as the main method of intelligent monitoring for steel corrosion in concretes in the future.However, bare fiber grating itself is very fragile, so it needs effective packaging protection, we select the cellulose acetate film as a packaging material in this paper.In order to monitor the encapsulation effect of cellulose acetate film, the fiber grating sensing technology in corrosion has been adopted. The corrosion sensor is formed by deposing a Fe-C sensitive film, which has the same elements with steel.

The main research work of this thesis is concluded as: under the conditions of laboratory, fiber Bragg grating corrosion sensors have been manufactured and packed them with cellulose acetate film. Using optical fiber Bragg grating corrosion sensing principle to monitor and analyze the encapsulation effect of cellulose acetate film through the use of fiber demodulation instrument or light spectrum to record the Bragg grating wavelength shift.

Key words: Fiber Bragg grating,Fe-C film,Cellulose acetate film,Spin coating method,Pulling method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 钢筋锈蚀研究背景 1

1.2 钢筋锈蚀机理 1

1.3 光纤Bragg光栅 2

1.3.1 光纤Bragg光栅简介 3

1.3.2 光纤光栅信号检测 4

1.4 醋酸纤维素膜 4

1.4.1 醋酸纤维素膜简介 4

1.4.2 醋酸纤维素膜的制备 5

1.5 传感器的封装 6

1.6 本文研究内容 7

第2章 CA膜的制备及其表征 9

2.1 实验部分 9

2.1.1 实验原料及仪器 9

2.1.2 CA膜的制备 10

2.1.3 聚乙二醇对膜结构的影响 11

2.2 CA膜的性能测试及表征 13

2.2.1 CA膜折射率测量 13

2.2.2 CA膜厚度测量 15

2.2.3 醋酸纤维素膜透水实验 17

2.3 本章小结 18

第3章 传感器的制备及封装方法研究 19

3.1 引言 19

3.2 薄膜材料制备 20

3.2.1 磁控溅射镀银 20

3.2.2 电镀法成膜 21

3.3 醋酸纤维素膜的封装 22

3.3.1 旋转涂膜法 22

3.3.2 浸渍-提拉法 23

3.4 本章小结 24

第4章 传感器性能分析 25

4.1 传感器表面CA膜SEM分析 25

4.2 封装后传感器锈蚀实验 25

4.2.1 锈蚀检测系统 25

4.2.2 锈蚀环境下Fe-C敏感膜锈蚀情况分析 27

4.3 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪 论

1.1 钢筋锈蚀研究背景

金属腐蚀与防腐蚀问题与现代科学技术发展和人民生活息息相关，金属材料在使用过程中，受环境的作用往往随时间的延长而逐渐受到损毁或性能下降，通常称之为“腐蚀”或“老化”。90%以上的金属材料使用量都是钢铁，全世界现存的钢铁及金属设备每年腐蚀率大约为10%，世界上每年因腐蚀造成的损失甚至高于7000亿美元^[1]。一般看来，腐蚀对国民经济所造成的损失占的2—4%，由此可见，金属腐蚀问题已然十分严重和普遍。在建筑、机械、汽车等行业，钢铁等金属材料应用广泛，尤以建筑行业使用的钢铁耗量最为巨大，其主要使用形式是钢筋混凝土。由于通常情况下，钢筋混凝土使用环境暴露，其周围存在的有害化学物质长期入侵其结构，如大气中酸雨的侵蚀，西北地区盐碱地土壤中氯离子的渗透，北方冬季道路上广泛使用的除冰盐引入的氯离子侵蚀，海防工程所处海洋环境中以氯离子为主的各种化学物质的作用等因素，导致钢筋混凝土中的钢筋容易发生锈蚀，带来最直接的后果是混凝土产生裂缝，导致混凝土承载力和耐久性的降低^[2-4]。因此，监测混凝土中钢筋的锈蚀情况，并提供预防和警报作用，对避免因钢筋锈蚀带来的严重后果的产生和构件结构修复的研究具有十分重要的意义。

1.2 钢筋锈蚀机理

钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的原因主要有两个：氯离子对钢筋表面钝化膜的入侵和混凝土的碳化^[5]。混凝土由于碳化或其中存在的碱性物质的流失而导致内部环境的pH值下降时，钢筋表面的钝化膜在酸性环境下被侵蚀破坏，钢筋由原来的钝态变成更容易产生化学反应的激发态，从而给锈蚀的产生提供了有利条件。土壤、海洋环境或道路除冰盐的使用引入到混凝土表面的氯离子，会通过混凝土中存在的孔隙，在水分环境下迁移到去处钝化层的钢筋表面。混凝土中钢筋的锈蚀是一个复杂的电化学过程，可将这个过程比作电池反应。由于钢筋所处混凝土中，环境复杂，其表面极易产生电位差。在电化学反应的阳极，铁原子失去电子转化成铁离子，阴极发生吸氧反应，该电化学反应导致钢筋表面的钝化膜逐步被侵蚀^[6]。

阳极反应为：