摘 要

钢筋的锈蚀已经成为当今世界影响混凝土结构耐久性的最主要原因。因此，结构的安全服役依赖于阻止或减缓钢筋的锈蚀。目前，在钢筋表面施加防护涂层是隔离环境、弱化混凝土多孔性的常用方法。其中，在提高混凝土密实性基础上掺用钢筋阻锈剂，被认为是最简单，经济和有效的技术措施。为了监测阻锈剂的阻锈效果，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。将光纤锈蚀传感器埋入掺有迁移型钢筋阻锈剂（MCI）的混凝土中。在相同的锈蚀环境下，与没有掺杂钢筋阻锈剂的混凝土进行对比锈蚀传感实验。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，集信息传输与传感与一体等诸多优点，能够对钢筋锈蚀状态进行无损、实时的监测，提供预警信息等，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。

本文主要研究内容为：在实验室条件下，设计钢筋阻锈剂的实验方案，制备光纤光栅锈蚀传感器，利用光纤光栅锈蚀传感原理，对钢筋阻锈剂的阻锈性能进行监测分析。通过利用光纤解调仪或光谱仪记录Bragg光栅波长的漂移，建立钢筋阻锈剂性能监测评估模型。

关键词：光纤光栅，阻锈剂，磁控溅射，脉冲电镀，Fe-C膜

Abstract

The corrosion of steel has become the main reason in the world that influences the durability of concrete structure. Therefore, the safety of the structure depends on stopping or slowing down the corrosion of steel. At present, smearing protective coatings on the surface of steel is the common method to isolate environment and weaken the porosity of concretes. Among them, adding steel corrosion inhibitor on the basis of improving the intensity of concretes, is considered the most simple, economic and effective technical measure. In order to monitor the effect of the steel corrosion inhibitor, 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. And the fiber Bragg grating corrosion sensor is buried in the concrete which has been doped a migrating corrosion inhibitor (MCI). In same corrosion experimental environment, the former and the one which has no corrosion inhibitor admixtures in concrete were compared. 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.

The main research work of this thesis is concluded as: under the conditions of laboratory, steel corrosion inhibitor materials experimental plans are designed, and fiber Bragg grating corrosion sensors have been manufactured. Using optical fiber Bragg grating corrosion sensing principle to monitor and analyze the performance of the steel corrosion inhibitor. Through the use of fiber demodulation instrument or light spectrum to record the Bragg grating wavelength shift, and to establish a corrosion inhibitor performance monitoring and evaluation model.

Key words: Fiber Bragg grating, Corrosion Inhibitor, Magnetron Sputtering, Pulse plating, Fe-C film

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 2

1.3 钢筋阻锈剂的应用 3

1.4 光纤光栅检测手段 4

1.4.1 光纤Bragg光栅简介 5

1.4.2 光纤光栅信号检测 5

1.5 本论文的研究内容 6

第2章 材料的表征分析 8

2.1 Fe-C敏感膜的表征 8

2.2 钢筋阻锈剂XRF分析 8

第3章 光纤光栅锈蚀传感器和测试试件的制备 11

3.1 传感器的制备流程 11

3.1.1 光纤光栅表面导电银膜的制备 11

3.1.2 光纤光栅表面Fe-C敏感膜的制备 13

3.2 砂浆棒的制备 15

3.2.1 砂浆原料配比 15

3.2.2 实验过程 15

3.3 锈蚀监测系统 17

第4章 钢筋阻锈剂性能分析 20

4.1 锈蚀环境下Fe-C敏感膜锈蚀情况 20

4.2 钢筋同步锈蚀情况分析 22

4.3 阻锈剂的性能评估 23

第5章 总结与展望 24

5.1 本文总结 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 钢筋锈蚀研究背景

由于金属材料的易腐蚀性，每年因此而产生了巨大的经济损失，并且造成了大量资源的浪费，甚至会带来潜在的安全隐患。据不完全统计，每年由于腐蚀造成的金属损失达10％～20％，折合高达7000多亿美金^[1]。在建筑、机械、汽车行业，钢铁等金属材料应用广泛，特别是建筑行业使用的钢铁耗量巨大，其主要使用形式是钢筋混凝土。钢筋混凝土结构广泛运用在我国建筑工程、交通工程、水利工程等行业，其结构形式是利用钢材的高抗拉强度和高延展性及混凝土的高抗压强度而设计的复合结构。由于一般情况下，钢筋混凝土使用环境所处暴露，其周围存在的有害化学物质对其结构长期入侵，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，致使钢筋混凝土结构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，导致混凝土承载性和耐久性的降低^[2-4]。

钢筋锈蚀会导致钢筋延展性降低，并且会使钢筋混凝土构件的承载力下降，从而带来很大的安全隐患。钢筋严重锈蚀甚至会造成钢筋混凝土整体结构的破坏，这会对建筑行业的健康发展产生阻碍作用，并且由于钢筋混凝土的破坏需要重建，给社会带来巨大的经济压力。因此，对混凝土中钢筋的锈蚀进行监测，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重要意义。钢筋锈蚀监测技术可以实现对大型钢结构的锈蚀状态进行实时在线监测，并发出锈蚀预警信号，依照监测结果显示的锈蚀的严重程度采取对应的措施。对于处于高锈蚀风险地区的混凝土，钢筋的锈蚀监测尤为重要^[5-7]。