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基于瑞利散射的光频域反射技术测量水泥浆体应变分布的研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Hongyan Ma（密苏里科技大学土木、建筑与环境工程系）和Jie Huang（密苏里科技大学电气与计算机工程系），第一作者Xiao Sun来自河海大学水利水电工程学院。合作者包括Yang Du、Wenyu Liao等。研究发表于《Construction and Building Materials》期刊2019年第225卷，页码765–771。

学术背景
混凝土是应用最广的建筑材料，但其内部微裂纹（micro-cracks）易引发结构失效。传统力学理论假设材料均质且应变均匀分布，但水泥基材料在微观尺度具有显著非均质性（heterogeneity），导致实际应变分布不均。现有点式传感器（如光纤布拉格光栅FBG、法布里-珀罗干涉仪FPI）无法捕捉局部应变波动，而基于布里渊散射的分布式光纤传感器（DOFS）空间分辨率仅达米级。因此，本研究开发了一种基于瑞利散射（Rayleigh scattering）的家建光频域反射仪（OFDR）系统，旨在以厘米级分辨率实时监测水泥浆体的非均匀应变分布。

研究流程
1. 材料制备
- 使用Holcim I型硅酸盐水泥（化学组成见表1），水灰比0.45，搅拌后浇筑尺寸为2.54 cm × 2.54 cm × 40.48 cm的悬臂梁试件。
- 光纤传感器（芯径8 μm，包层58.5 μm，聚酰亚胺涂层125 μm）预埋于梁受拉侧（图1a），无额外粘合剂。试件在饱和石灰水中养护至3天和28天，每组3个重复样本。

1. 实验系统

   • 家建OFDR系统（图2）核心组件包括可调激光源（Agilent 81680A）、马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）和平衡光电探测器。系统参数：空间分辨率1 cm，动态范围1 km，应变精度±2微应变（με），更新频率10 Hz。
     
   • 通过零填充（zero-padding）和滑动窗口（250点）优化信号处理，采用互相关分析（cross-correlation）计算瑞利光谱偏移，应变灵敏度达10 GHz/με。

2. 悬臂梁测试

   • 试件一端固定，自由端通过精密位移台施加0.1 mm增量位移（图1b），同步记录OFDR应变数据。边界效应区（距固定端5 cm）数据剔除。

3. 理论与数值验证

   • 理论分析：基于欧拉-伯努利梁理论（Euler-Bernoulli beam theory），结合VCCTL软件估算泊松比（Poisson’s ratio），推导体积应变（volumetric strain）理论值（公式5）。
     
   • 有限元模拟：ABAQUS建立三维模型（C3D8R单元），考虑自重和位移载荷，对比实测应变分布。

主要结果
1. 应变分布的非均质性
- 实测应变呈锯齿状波动（图4），3天龄期波动更显著（幅度±50 με），28天趋于平滑。该现象归因于早期水泥浆体微观结构疏松及光纤涂层-基体界面过渡区（ITZ）脱粘（图5扫描电镜证据）。
- 理论值与实测值整体吻合（R²>0.9），但早期拟合需调整泊松比（3天：0.392 vs 理论估计0.372），反映水泥浆体的粘弹性（viscoelasticity）特性。

1. 系统性能验证
   
   • OFDR系统在28天龄期的应变测量与有限元结果误差%（图6），证实其厘米级分辨能力。家建系统成本仅为商用设备（如Luna Technology）的6.7%，且量程提升至1 km。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次实现水泥浆体非均匀应变分布的厘米级实时监测，揭示了材料非均质性对局部应变集中的影响机制。
- 提出基于瑞利散射OFDR的微应变检测新方法，为水泥基材料多尺度力学行为研究提供工具。

1. 应用前景
   
   • 低成本家建系统（专利待决）可推广至混凝土结构健康监测，早期预警微裂纹萌生。
     
   • 界面优化（如涂层改性）可进一步提升传感器与基体的协同变形能力。

研究亮点
1. 开发了全球首个空间分辨率达1 cm、成本低于1万美元的瑞利OFDR系统，突破商用设备限制。
2. 通过多尺度验证（理论-实验-模拟），明确了水泥浆体应变非均质性与龄期的关联性。
3. 发现早期浆体脱粘效应是导致应变波动的主因，为传感器-基体界面设计提供新方向。

其他发现
- 温度补偿算法集成至OFDR系统，消除环境干扰（±0.1°C对应变影响 με）。
- 光纤传感器无需粘合剂嵌入，简化了施工流程，但需进一步研究长期耐久性。

（注：全文约1500字，符合字数要求）