基于集成染料光致发光压电光谱技术的原位界面应力分析用光学水泥传感器的构建与特性研究

《Journal of Building Engineering》：Construction and characterization of optical cement sensor for in-situ interfacial stress analysis via integrated dye photoluminescence piezospectroscopy

　　•在土木工程领域提出一种荧光非接触式应力测量方法。•石英砂引导的测量方式为评估界面过渡带内的内部应力提供了一种途径。•荧光智能混凝土能够对施加的应力或残余应力产生光谱响应。

引言
混凝土中的界面过渡带是混凝土微观研究的核心课题之一，因为其微观结构与力学行为直接决定了混凝土的宏观性能[1]、[2]。在微米尺度上捕捉界面过渡带在受力作用下的动态损伤演化仍是当前面临的挑战[3]。传统上，应力-应变试验是验证结构性能以及预测/监测动态损伤的重要方法[4]、[5]。随着超大型土木工程项目的不断发展，确保结构的完整性与可靠性对于保障结构性能与安全至关重要。在工程实践中，用于结构检测的最常用传感器是应变计。它通过将应力引起的应变转化为电阻的变化来测量机械变形。在实际应用中，应变计需要手动粘贴，且其一致性与精确度会受到粘贴过程的重大影响[6]、[7]。例如，实际粘贴位置与目标位置之间通常存在1到4毫米的偏差[8]。在应变梯度较大或强度不连续的区域，如开口处、加固区域以及缺口处，这种误差更为明显，从而降低了测量精度。除了容易受到各种误差因素的影响外，在大型结构上安装应变计还需要复杂的粘贴和布线工序，这大大增加了操作人员的工作量。最重要的是，应变计无法植入界面过渡带中进行原位测试。因此，应力/应变检测技术不可避免地朝着无线化和智能化方向发展，而智能混凝土便是这一技术演进的产物。

压阻智能混凝土是一种典型的多功能结构材料，兼具承重与传感功能，被广泛应用于结构健康监测领域。它的自感知能力源自内部导电网络产生的压阻效应[9]。当碳基或金属基导电填料被混入普通水泥基质中时，基质内部就会形成连续的导电路径。当试件受到外部载荷作用时，水泥基质会发生压缩或拉伸变形，这会改变导电组分之间的间隙与重叠情况，打破原有的稳定导电网络，进而导致整体电阻率发生同步变化。在实验室试验和现场工程监测中，通常采用嵌入式电极和外表面电极两种电极布置方式来采集电阻率数据。通过长期校准和数据拟合，可以量化电阻率波动与外部载荷之间的函数关系，从而使混凝土结构能够自主感知并反馈其内部应力状态[10]。然而，导电网络本身具有固有的脆弱性，而任何组分或微观结构上的差异都可能通过电阻率被放大，从而导致虚假响应或测量结果的一致性较差[11]、[12]。导电添加剂的占比以及添加剂的形态可能会极大影响混凝土的压阻性能[13]。环境参数，比如水泥基复合材料中的湿度/含水量，也可能使电阻率表现出现较大波动。例如，压电介电常数受含水量影响较大，而压阻性则受纤维含量影响显著[14]；沥青乳液由于能增加砂浆中的含水量并产生微孔效应，可提升混凝土的压阻性能[15]。除此之外，压阻智能混凝土的传感信号表现为低幅度、低阻抗的直流/低频电阻变化。为降低接触电阻和噪声，必须使用金属导线将电流引入高精度的LCR仪表或锁相放大器中，这一要求使得利用压阻智能混凝土实现无线应力测量变得十分困难。

目前应力-应变检测技术的研究热点在于光学无线测量领域[16]、[17]，相关关键技术包括光纤布拉格光栅（FBG）、光弹性法、数字图像相关技术（DIC）、X射线衍射技术（XRD）以及中子衍射技术。其中，FBG方法的原理是外部力会使光纤光栅发生变形[18]，这种变形会导致光栅周期或光纤芯的有效折射率发生变化，进而使中心反射波长发生偏移。不过，基于FBG的应力-应变测量需要与被测物体保持良好接触，依赖手动布线，且无法实现无线传输。这些局限性不仅给实际应用带来不便，还会增加相关成本。更不用说它无法用于界面过渡带的检测。光弹性法利用由各向同性透明无定形材料（如环氧树脂）制成的薄膜在应力作用下产生的双折射效应[19]。进行测量时，需在被测物体表面涂覆这类薄膜，然后将其置于偏振光环境中，物体表面的应力分布就会以干涉图的形式呈现出来。该方法的一个主要局限是其测试系统相对复杂，而且无法检测界面过渡带内的界面应力。DIC技术是一种非接触式测量方法，它借助计算机视觉和图像处理技术，对受力状态下材料表面的全场位移和应变进行测量[20]。通过对比物体变形前后的数字图像，通过对像素灰度分布的相关匹配，可以计算出表面各点的位移变化，进而得出应变场分布。然而，DIC并不适合长距离测量：随着测量距离的增加，单个像素对应的实际物理长度也会增大，这会降低位移计算的精度。此外，表面纹理质量与照明均匀度也会对相关匹配的精度产生重要影响——较差的散斑图案或眩光会导致异常的应变值出现。XRD和中子衍射技术的原理是，当晶体暴露在X射线或中子束下时，其晶体结构会起到衍射光栅的作用[21]。由于成本高昂且可能对操作人员造成健康危害，这些方法在大多数应用场景中难以普及。值得注意的是，要将上述光学技术集成到智能混凝土中难度很大。为克服这些局限性，本研究提出了一种基于光致发光压光谱技术能够实现自感知应变的光学水泥传感器，该传感器具有精度高、可无线测量且操作简单等优点。

PLPS效应指的是光致发光的应力敏感现象[22]，通常采用Cr3+或Eu3+离子作为荧光应力探针。PLPS技术多用于检测航空发动机叶片热障涂层中的残余应力以及陶瓷材料中的内部应力[23]，近年来也被越来越多地应用于其他领域，比如混凝土的无损检测[24]。尽管其灵敏度极低（最大的压光谱系数仅约为10 cm-1/GPa），但它几乎可以成为应变计的理想替代品。微小应变引发的光谱变化极为微弱，若要利用压光谱技术准确识别和分析这些微小的光谱偏移，所使用的光谱仪必须具备极高的光谱分辨率和出色的信噪比。这类光谱仪体积庞大且结构复杂，大大增加了实际测试的难度。张等人[25]对传统的PLPS技术进行了改进，他们选用了对环境变化响应度较高的宽光谱发光材料作为压光谱传感介质，并采用了更为严谨的重心算法（2025年该算法被重新命名为平衡中心算法[26]）来量化光谱带的峰值位置。仅需借助普通的便携式光纤光谱仪，这一改进就使得压光谱的分辨率比传统PLPS技术高出3到6个数量级。此后，他们还报告称，使用宽光谱发射的荧光粉作为敏感材料，并对压光谱数据进行自参考积分强度比分析，也能得到高分辨率的结果[27]。在本研究中，罗丹明6G被选作荧光应力指示剂[26]，并且首次被用于混凝土的应力-应变测量。研究人员测量了在不同外力作用下的荧光光谱，并分析了光谱特性随应力的变化情况。这些结果与通过应变计测量得到的结果进行了对比，从而验证了直接利用混凝土试件对应力刺激作出反应的可行性。因此，这种方法能够实现对混凝土界面过渡带内应力的实时、非接触式且具有空间分辨能力的监测。

实验片段
试件制备
本实验所使用的试件为边长为20毫米的立方体水泥砂浆块。实验中使用了强度等级为42.5的普通波特兰水泥。用于校准试验和界面过渡带应力分析试验的试件是分别制备的，其制备过程遵循ISO 1920-3:2019标准。用于压光谱检测的敏感材料前体是浓度为1.25的R6G水溶液。

压光谱校准
图3展示了在逐级加载过程中测量得到的一系列应力敏感光谱。从这些原始光谱中可以看出，随着施加载荷的增加，样品的荧光强度逐渐减弱。这种现象可能是由于压缩应力减小了R6G分子间的间距，从而增强了分子间相互作用，延长了能量传递过程，最终导致某种现象发生的概率增加。

结论
本研究提出了一种集成荧光压光谱功能的智能混凝土，该混凝土能够通过水泥中掺杂材料的荧光直接感知混凝土的应力状态。通过将石英颗粒掺入混凝土中，我们测得了测试块内部石英/水泥界面过渡带处的应力。一方面，我们检测到了界面过渡带处的残余应力，同时还观察到了残余应力与外部应力叠加的情况。

作者贡献声明
魏薇：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，方法学，资金获取，概念构思。郭晓军：验证，概念构思。白胜宝：概念构思。刘轩：验证。王梦宇：方法学，正式分析。黄旭辰：验证。徐文豪：写作——初稿撰写，调研，正式分析，数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性
数据将应要求提供。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62265012，负责人：魏薇）的资助。

徐文豪|魏薇|郭晓军|白胜宝|王梦宇|黄旭辰|刘轩