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基于分布式光纤传感技术的水泥浆体非均匀应变测量研究
1. 研究团队与发表信息
本研究由Xiao Sun（河海大学水利水电工程学院）、Yang Du、Wenyu Liao、Hongyan Ma（密苏里科技大学土木、建筑与环境工程系）及Jie Huang（密苏里科技大学电气与计算机工程系）合作完成，发表于《Construction and Building Materials》期刊2019年第225卷（页码765–771）。
2. 学术背景与研究目标
混凝土是全球应用最广泛的建筑材料，其结构健康监测对预防失效至关重要。传统理论假设材料均匀且应变分布均匀，但水泥基材料（如水泥浆体）在微观尺度上具有显著的非均质性，导致实际应变分布不均，可能引发微裂纹。现有应变监测技术（如光纤布拉格光栅（FBG）和法布里-珀罗干涉（FPI）传感器）多为点式传感，空间分辨率低（米级），难以捕捉局部应变波动。
本研究旨在开发一种高空间分辨率（1厘米）、高精度（±2微应变）的瑞利散射光学频域反射技术（Rayleigh scattering-based Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR），用于实时监测水泥浆体的非均匀应变分布，并通过理论分析和有限元模拟验证其可行性。
3. 研究流程与方法
（1）材料制备与样本设计
- 材料：使用Holcim生产的I型硅酸盐水泥，水灰比0.45，制备尺寸为2.54 cm × 2.54 cm × 40.48 cm的水泥浆体悬臂梁试件。
- 光纤传感器嵌入：将单模光纤（芯径8 μm，包层58.5 μm，聚酰亚胺涂层125 μm）嵌入试件受压侧（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。
（2）悬臂梁加载实验
- 加载装置：采用精密位移平台（分辨率0.01 mm）对自由端施加逐级位移（步长0.1 mm），通过接触针传递荷载（图1b）。
- 应变监测：通过OFDR系统实时记录应变信号，初始接触点通过应变突变确定。
（3）OFDR系统开发
- 硬件：基于可调谐激光源（Agilent 81680A）和辅助干涉仪构建，动态范围1 km，更新频率10 Hz。
- 信号处理：通过快速傅里叶变换（FFT）将光频域信号转换为空间域，滑动窗口（250点）提取局部瑞利散射谱，交叉相关分析计算应变（灵敏度10 GHz/με）。
- 温度补偿：通过温度校准数据消除热效应。
（4）理论与数值验证
- 理论模型：基于欧拉-伯努利梁理论计算理论应变，需输入弹性模量（E）和泊松比（ν）。通过虚拟水泥实验室（VCCTL）软件估算ν（3天：0.372；28天：0.336），但实测数据拟合后修正为0.392和0.355。
- 有限元模拟：采用Abaqus软件（C3D8R单元）模拟三维效应，验证二维理论的适用性。
4. 主要研究结果
（1）应变分布的非均匀性
- 实测应变呈锯齿状波动（图4），3天龄期波动更显著，28天趋于平滑，反映水泥水化程度提高后材料均质性增强。
- 波动原因：早期水泥浆体多孔、界面过渡区（ITZ）存在（图5），导致光纤与基体脱粘；后期水化产物（如C-S-H凝胶）填充孔隙，改善界面结合。
（2）理论与实验一致性
- 理论应变（式5）与实测数据总体吻合（图4），28天误差更小。有限元结果（图6）显示梁端剪切变形轻微影响，但整体验证了欧拉-伯努利梁理论的适用性。
（3）技术性能验证
- OFDR系统空间分辨率达1 cm，精度±2 με，优于商用系统（如Luna Technologies，成本15万美元），且自制系统成本仅1万美元，有望进一步降至3000美元。
5. 研究结论与价值
科学价值
- 首次将高分辨率OFDR技术应用于水泥基材料应变监测，揭示了微观非均质性导致的局部应变波动，挑战了传统均匀应变假设。
- 提出通过水化龄期改善光纤-基体界面结合的策略，为分布式传感在水泥基材料中的优化应用提供依据。
应用价值
- 为混凝土结构健康监测提供高性价比、高精度的分布式应变传感方案，可早期预警微裂纹，预防结构失效。
6. 研究亮点
- 技术创新：自主研发低成本OFDR系统，突破商用设备空间分辨率和成本限制。
- 方法创新：结合理论、实验与模拟，多尺度验证应变非均匀性。
- 发现创新：明确界面脱粘是应变波动主因，提出龄期依赖的监测精度提升路径。
7. 其他有价值内容
- 研究揭示了早期水泥浆体的粘弹性行为（拟合ν偏高），为后续时变材料模型开发提供参考。
- 附录中详细列出了水泥化学与矿物组成（表1-2），支持材料性能的可靠性分析。
该研究通过跨学科合作（土木工程与光电技术），为水泥基材料应变监测开辟了新途径，兼具学术前瞻性与工程实用性。