基于分布式光纤传感的水泥基材料早期变形测量技术研究及其在结构健康监测中的应用

本文针对水泥基材料早期变形测量中传统方法空间分辨率不足、易干扰水化过程等问题，研究人员采用基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，对砂浆早期变形进行精确监测。研究结果表明，该方法具有高重现性和低变异性，成功捕捉到初始收缩及后续膨胀的变形规律，为理解水泥水化机理和优化混凝土结构性能提供了重要技术支撑。

　　

水泥基材料是现代建筑工业中最广泛使用的建筑材料之一，其早期变形行为对结构的长期性能和耐久性具有决定性影响。在浇筑后的最初24小时内，水泥基材料经历复杂的水化过程，伴随着化学收缩、自收缩、塑性收缩和热变形等多种变形机制。然而，传统测量方法如线性规、数字图像相关技术等存在空间分辨率有限、易干扰水化过程、测量结果离散大等局限性，难以准确捕捉这一关键阶段的变形规律。

为解决这一技术难题，来自莱比锡应用技术大学结构混凝土研究所的Martin Weisbrich、Dennis Messerer和Klaus Holschemacher研究团队开展了一项创新性研究，采用基于瑞利散射的分布式光纤传感技术对砂浆早期变形进行精确监测。该研究成果为水泥基材料早期变形研究提供了新的技术途径，对混凝土结构优化设计和长期性能监测具有重要意义。

研究人员采用的主要技术方法包括：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统，空间分辨率达2.6毫米；使用ORMOCER?涂层光纤和未涂层光纤进行对比研究；在标准EN 196棱柱体试件中嵌入传感器；通过电温度传感器进行温度补偿；基于前期研究建立的湿度补偿模型；实验在严格控制的环境条件下进行。

研究结果部分，通过"变形测量"小标题下的数据分析显示：在测量开始后的前两小时内观察到负变形（压缩），随后出现膨胀变形，最大应变达到约115.5微应变。未涂层光纤和涂层光纤在充分补偿后显示出良好的一致性，测量值变异范围低于35微应变，表明该方法具有高重现性。

"温度补偿"部分的研究表明，尽管水化热导致试样内部温度升高约1.4K，但通过电温度传感器的点测数据进行补偿后，温度对测量结果的影响得到有效控制。"湿度补偿"研究显示，聚合物涂层光纤在水泥基环境中的湿度敏感性需要通过专门的补偿模型进行修正，特别是在测量开始后的2-3小时内。

通过"变形测量"的纵向剖面分析证实，在分析区域内应变信号稳定，表明传感器与基体之间具有良好的应变传递效果。未覆盖试样的对比实验进一步表明，泌水重吸收并非早期膨胀变形的唯一原因，水化产物的形成、热膨胀等因素共同作用导致观测到的变形规律。

研究结论部分强调，分布式光纤传感技术为水泥基材料早期变形测量提供了可靠的技术手段，其测量精度和重现性优于传统的波纹管法和塑料套管试验法。该技术能够有效区分不同阶段的变形特征，为理解水泥水化过程中的膨胀-收缩机制提供了直接实验证据。特别是研究观察到初始收缩阶段后的持续膨胀现象，这与近期水化模型认为水化本质上是膨胀过程的观点相一致。

该研究的重要意义在于：首次系统验证了分布式光纤传感技术在水泥基材料早期变形监测中的适用性；建立了完整的温度-湿度补偿方法体系；为混凝土结构从浇筑到长期使用的全寿命周期监测提供了技术基础；对优化混凝土配合比设计、预防早期开裂、提高结构耐久性具有重要实践价值。未来结合深度学习算法对分布式光纤传感数据进行分析，有望进一步提升早期变形自动识别和解释的准确性。