地下岩土和钢筋混凝土结构腐蚀环境的高性能光纤监测技术与评价方法

Underground reinforced concrete structures due to the complexity of its serving environment, compared with ground structures, have more prominent corrosion problems, which directly threats the underground structures durability and safety. We utilize long-period grating fiber optic sensor and nano-film coatings (increase sensing sensitivity and selectivity) to develop a distributed sensor network suitable for underground corrosive agents detection .Through the different regions, different depths , different parts of the underground geotechnical environment monitoring, results of corrosion distribution environment, the establishment of standards and evaluation methods of corrosion of underground geotechnical environment and provide environmental assessment theory of corrosion of underground rock structures and the siting of methods ; while underground reinforced concrete structure corrosive media and external surroundings full information monitoring , based on studies of underground reinforced concrete structure and the extent of damage under the laws of single and multi- media coupling , based on the establishment of underground reinforced concrete structures in corrosive environments corrosion warning and evaluation methods for the safety assessment of underground structures , repair and reinforcement to provide the scientific basis for life time design.

地下岩土及钢筋混凝土结构由于其服役环境的复杂性，与地上结构相比，存在的腐蚀问题更为突出，直接威胁地下工程中几乎所有结构的耐久性和安全性。针对这一特点，本项目利用长周期光栅对折射率的敏感性；结合纳米膜涂层，增加其传感灵敏度及其选择性；再通过光纤一对多熔接技术，最终建立分布式传感网络，建立适用于地下多重腐蚀介质耦合侵蚀环境的高性能光纤传感系统，直接用于地下环境的监测。通过对不同地域，不同深度，不同部位的地下岩土环境进行监测，得出腐蚀环境分布规律，建立地下岩土腐蚀环境标准和评价方法，为我国地下岩土结构选址提供腐蚀环境评估理论和方法；同时对地下钢筋混凝土结构内腐蚀介质及外部周围环境进行全信息监测，研究地下钢筋混凝土结构基于单一及多重介质耦合作用下的损伤程度及规律，建立基于腐蚀介质环境的地下钢筋混凝土结构的腐蚀预警及评价方法，为地下结构的安全评定，维修加固与全寿命设计等提供科学依据。

随着我国城市化、工业化进程的加快，对地下环境、大气环境的监测需求日益增加。长周期光栅（LPG）由于具有体积小，抗电磁干扰能力强，复用能力强，抗腐蚀，灵敏度高等特点，在光纤传感器领域显示出了巨大的应用前景。本课题通过对长周期光纤光栅的数值模拟及试验验证，探究了其在温度、应变、环境折射率、气(液)体浓度等复杂环境下的传感特性，具体研究工作如下:.（1）研究了长周期光纤光栅的传感理论及其传感特性，为其在环境监测的运用提供了理论依据；数值模拟了长周期光栅传感技术在不同温度、应变、不同环境折射率、酸碱度、氯离子、相对湿度、二氧化碳等气(液)环境下的传感响应；研究了长周期光栅的制备方法，并通过CO2激光点写法制备了LPG，进行了相对湿度传感实验，验证了其可行性。.（2）提出了一种提高传感灵敏度及其传感可选择性的纳米薄膜技术，并采用ESA(静电自组装)将其沉积在长周期光纤光栅上。对纳米涂层进行了表征分析，并测试了其温度稳定性。通过进行相对湿度对比试验，验证了其在提高传感灵敏度上的显著效果。.（3）研究了光子晶体光纤的传感原理及其传感特性，为其在环境监测的运用提供了理论依据；对光子晶体光纤内部空气通道纳米涂层工艺的进行了模拟和实验；开创了光子晶体光纤结合长周期光栅的新型传感平台，通过与普通光纤长周期光栅、纳米涂层的长周期光栅、外部涂层的光子晶体光纤长周期光栅、内部涂层的光子晶体光纤长周期光栅进行相对湿度（RH）的对比实验，验证了其可行性及其具有高灵敏度的特点。