, 杨柳君 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-11-02
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51904055，U1906208, 51874069)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2001010)。
作者简介：李磊(1995-), 男, 安徽宿州人, 东北大学硕士研究生;
朱万成(1974-), 男, 新疆呼图壁人, 东北大学教授，博士生导师。
摘要：采用光频域反射光纤传感(optical frequency domain reflectometer，OFDR)技术，进行了充填体内部应变高精度测量室内试验，获得了不同胶结剂含量下的充填体在早期硬化过程中的内部应变演化规律和分布特征.结果表明：充填体内部应变演化受固体颗粒物理沉降和化学水化反应的共同作用，可分为物理沉降拉伸、水化放热膨胀、化学自收缩和基本保持稳定4个阶段；充填体内部应变分布前期主要呈上凸型曲线特征，随养护时间的增加，呈现多峰形曲线特征；OFDR技术能够实现充填体内部应变的高精度分布式测量，以及精细分析充填体的内部应变演化特征.
关键词：OFDR分布式监测应变演化胶结充填体时空分布化学收缩
Internal Strain Evolution Test of Cemented Backfill Based on OFDR Technology
LI Lei, HOU Chen, ZHU Wan-cheng
, YANG Liu-jun Shchool of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: ZHU Wan-cheng, E-mail: zhuwancheng@mail.neu.edu.cn.
Abstract: By using optical frequency domain reflectometer(OFDR), a high-precision laboratory test of backfill was carried out, and the internal strain evolution law and distribution characteristics of the backfill during the early hardening process with different cement content was obtained. The results show that the internal strain evolution of the backfill is affected by the combined action of the physical sedimentation of solid particles and the chemical hydration reaction, which can be divided into four stages: physical sedimentation and stretching, hydration exothermic expansion, chemical autogenous shrinkage and basically stablestage. The internal strain distribution of the backfill mainly presents an upward convex curve in the early stage, and with the increase of curing time, it presents a multi-peak curve characteristic; OFDR technology can be used to realize high-precision distributed measurement of the internal strain of backfill and analyze the evolution characteristics of internal strain of backfill.
Key words: OFDR distributed monitoringstrain evolutioncemented backfillspatial and temporal distributionchemical shrinkage
充填体充入矿山地下空区时，其力学特性是充填体设计的关键因素，胶结尾砂充填体作为一种由尾砂、水和胶结剂组成的复杂水泥基材料，其强度特性与水化过程密切相关[1-3].胶凝材料的水化不仅可以生成大量胶结物质，而且可以细化孔隙结构，并为固体颗粒提供结合力，在此过程中会消耗水.由于生成的水化产物体积小于水化前水与水泥体积之和[4-5]，净体积的减少导致内部体积减小(化学收缩)和外部体积的变化(自收缩).化学收缩引起的体积减小很少，导致充填体内部孔隙水压力降低，内部有效应力增加，即所谓的“自干燥”效应.已有研究表明充填体强度的增加是两者共同作用的结果.
胶结尾砂充填体作为多孔材料，已有相关****研究其体积收缩现象[5-8]，但其中绝大多数研究都集中在表面蒸发引起的干燥收缩.干燥收缩是物理变化(含水量变化)的指标，而自收缩(化学收缩)则可归因于胶凝材料内部的化学和结构变化.单纯监测干燥收缩不能反映充填体内化学反应对充填体结构演变的影响.充填体在早期的结构相变与其内部化学反应密切相关，因此充分了解充填体在早期由化学反应和内部结构引起的自收缩就显得尤为重要.
为了监测充填体的内部结构变化，较好的方法是直接采用埋入式测量元件.光纤光栅式传感器由于其灵敏度高、抗电磁干扰能力强、结构简单体积小、对安装埋设部位的物理性能影响小等优点，有助于反映真实充填体水化过程中的内部原位应变变化，在充填体内部应变监测中开始得到初步应用.Hou等[9]将FBG光纤光栅传感器直接埋入不同胶结剂含量的充填料浆中，监测其内部应变演化，结果表明充填体内部应变演化与充填体早期硬化过程密切相关.Yan等[10]采用FBG传感器监测含硫充填体试样内部的应变，认为膨胀性水化产物可造成充填体内部发生膨胀，上述结果说明在早期充填体内部水化反应和应变演化之间存在一定耦合关系.以光纤光栅监测为点测量手段，所获数据只针对于充填体内部某一点，虽然可以布置多个点监测，但不具备监测的空间连续性.充填体作为复杂的多相复合材料，由于内部离析作用显著，破坏了充填体的均质性，使充填体各部位收缩膨胀不同步，因此迫切需要能够反映充填体在水化过程中内部应变时空演化特性的测试手段.分布式光纤传感器作为光纤传感器的一种，因其能实现实时、连续和长距离的多场监测，被广泛应用于滑坡[11]、隧道[12]和岩土[13-14]等变形监测.例如，吴涵等[15]通过土体剪切试验，采用光频域反射光纤传感(OFDR)技术获得光纤各点随土体剪切过程的应变分布；高磊等[16]利用同样技术获得了灌注桩沿桩身的变形分布情况；方袁江等[17]采用分布式光纤测试技术获得了土样内部的轴向应变分布.分布式光纤传感器不仅具有上述光纤光栅式传感器的优点，还兼具连续传感传输的能力，能够获取物理量在空间和时间的多维分布信息.
基于光频域反射光纤传感(OFDR)技术，将分布式光纤直接布置在充填体中，对早期充填体硬化过程(0~7d)内部应变进行同步实时监测，探究分布式光纤测试技术在充填体内部应变监测中的实际效果，研究充填体固化过程中的内部应变时空演化特性.研究结果对于建立基于分布式光纤传感的充填体内部应变的监测技术方法具有重要意义.
1 分布式光纤测试技术作为具有高空间分辨率的一种分布式光纤传感技术，OFDR被广泛应用于多种柔性材料和设备的温度和应变监测[18-19].OFDR的基本原理如图 1所示，只需在待测光纤一端激发光源，由于光纤的折射率不均匀，光会在待测光纤中发生瑞利背向散射，携带信息的散射光与参考光经耦合器进入采集与处理器进行分析.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 OFDR基本原理图Fig.1 Basic schematic diagram of OFDR |
当光纤受到应变或外部温度发生变化导致光纤的反射光谱发生漂移时，测量漂移量与扰动之间存在对应关系[19]，分布式光纤的应变总量为
 | (1) |
利用分布式光纤监测充填料浆中硬化过程的应变演化时，增设一段光纤用于温度补偿，利用全光纤段(温度和应变共同影响下的光纤段)的光谱漂移变化数据去除温度补偿段的光谱漂移变化数据，最终获取充填体内单纯应变变化数据.
2 分布式光纤充填体应变测试模型试验2.1 试验原料使用普通硅酸盐水泥、水和石英砂制备胶结充填体.
2.1.1 尾砂为了消除天然尾矿中可能存在的矿物和化学元素对充填料浆混合料水化过程的影响，确保试验结果可靠，采用wSiO2为93.2%的石英砂作为充填骨料.人工硅尾砂粒径分布如图 2所示.主要化学和物理特性如表 1和表 2所示，其中，尾砂的比表面积为207.4 cm2/kg，表面积平均粒径D[3, 2]和体积4次矩平均粒径D[4, 3]分别为28.9，74.8 μm.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 人工硅尾砂粒径分布曲线Fig.2 Particle size distribution curve of artificial silica tailings |
表 1(Table 1)
 表 1 人工硅尾砂的主要化学成分(质量分数)Table 1 Main chemical composition of artificial silica tailings(mass fraction)?
| 表 1 人工硅尾砂的主要化学成分(质量分数) Table 1 Main chemical composition of artificial silica tailings(mass fraction)? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2(Table 2)
表 2 人工硅尾砂的物理特性Table 2 Physical characteristic of artificial silica tailings
| 表 2 人工硅尾砂的物理特性 Table 2 Physical characteristic of artificial silica tailings |
2.1.2 胶结剂和水所有试样均使用32.5普通硅酸盐水泥Ⅰ型(PCI)作为胶结剂.当pH为7时，普通硅酸盐水泥Ⅰ型的主要化学成分如表 3所示.为了消除水中其他矿物成分对充填料浆水化反应的影响，实验拌合水采用去离子水.
表 3(Table 3)
表 3 普通硅酸盐水泥Ⅰ型的主要化学成分(质量分数)Table 3 Main chemical composition of PCI (mass fraction)?
| 表 3 普通硅酸盐水泥Ⅰ型的主要化学成分(质量分数) Table 3 Main chemical composition of PCI (mass fraction)? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.2 试验方案胶结剂的质量分数分别为4%，7%和10%时，将尾砂、胶结剂混合均匀后，添加去离子水，调整充填料浆固体的质量分数为70%，将混合料浆在搅拌机中均匀搅拌10 min形成均匀浆体.按照ASTM-C143对膏状混合物的塌落度或稠度进行测试，3种配比充填料浆的塌落度分别为18.2，18.5，19 cm.
充填料浆混合均匀后，倒入特定模具，模具为亚克力方形敞口模具(长300 mm、宽200 mm、高300 mm)，模具左、右两侧各有2个不同尺寸的平行圆孔，如图 3所示.圆孔的设计是为了便于分布式光纤布置，使用的分布式光纤测试系统由数据解调仪、计算机及分布式传感光纤组成.解调仪(型号SE-OSIC-G)是由苏州南智传感科技公司生产，用于信号解调.传感光纤采用2 mm直径单模光纤，用于信号的感测与传输.根据分布式光纤特性，在试验设计时，将1根完整光纤分成两部分：第1部分全部放置在充填料浆中，光纤直接与料浆接触(该段光纤受充填体硬化过程中的应变和温度共同作用为全测试段)；第2部分放置在铜管中(因为铜材质具有良好的导热性，便于温度监测，铜管具体位置见图 3，该段为温补段)，只受温度影响，用于监测温度变化.在将充填料浆注入模具之前，分布式光纤由于抗拉不抗压，所以在光纤全测试段应提前施加一定的预应力，固定在模具尺寸一倍距离处；并且第1部分和第2部分连接处的曲率半径应大于光纤最小曲率半径(10 mm)，通过固定半圆两端点，确定试验中布置的曲率半径为50 mm，使其在有效折射率范围内工作.通过激发光源，红色箭头方向为光源在分布式光纤内部的传播方向，绿色箭头方向为散射光在分布式光纤内部的传播方向，如图 3所示.在试验监测时，将测试段空间分辨率设定为2 cm，进行后续的数据采集与处理.注浆过程需用搅拌棒搅拌，使充填料浆均匀分布的同时去除气泡，确保充填料浆与分布式光纤充分接触.在模具底部没有设置排水孔，避免溢出水中料浆流失对所得结果的影响.在整个试验过程中，充填体在室温环境下进行养护，养护龄期为7 d.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 充填体内部应变和温度测试装备图(mm)Fig.3 Equipment diagram of strain and temperature test inside backfill (a)—三维图；(b)—剖面图. |
3 试验结果与分析3.1 内部应变演化特性通过OFDR测得的充填体内部应变在24 h内随时间演化过程如图 4所示.选取光纤中点位置(150，0)的应变结果，可知尽管充填体的胶结剂含量不同，但充填体内部的应变在24 h内可以分为快速上升期(Ⅰ)、平静期(Ⅱ)、膨胀期(Ⅲ)和下降期(Ⅳ)4个阶段.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同胶结剂含量的充填体前24 h内部应变Fig.4 Internal strain of backfill with different cement contents in 24 h |
快速上升期：充填体内应变快速上升(~1h)，一般在1h内完成，这主要是由充填体内的颗粒物理沉降过程引起的.充填体初期含有大量的水，模具底部没有排水孔，在自重应力作用下，水向上排出，充填体颗粒快速沉降，导致光纤向下弯曲，出现拉伸应变.由于此过程是一个物理过程，胶结剂的质量分数对于此过程不会产生影响，充填体内部应变在不同质量分数的胶结剂下产生差异，主要是由于充填体内部的颗粒沉降不均匀引起的，这是一个随机过程，因此在该阶段产生的应变值随胶结剂质量分数的增加并没有表现出一致的规律，例如10%的胶结剂充填体在该阶段产生应变最大，为122×10-6，而7%的充填体产生的应变最小，为104×10-6.该过程产生的拉伸应变不能反映充填体真实的沉降过程，此时充填体处于流体状态，光纤自身具有一定的强度，大部分颗粒的沉降可能直接穿过光纤到达其底部，而没有使充填体产生弯矩.Hou等[9]和Ghirian等[20]测得充填体在该阶段的快速沉降分别为6 000，8 600×10-6，远大于光纤产生的拉伸应变.
平静期：充填体前期产生快速沉降后，还会不断排水，但此时并不会反映在光纤的应变变化上，充填体内部应变进入短暂的平静期.这主要是充填体在自重应力作用下的颗粒大规模沉降已经结束，固体颗粒的重排列基本完成，所以此时并不会导致光纤应变产生变化.充填体在该阶段已经开始产生化学反应，内部温度开始升高，如图 5所示.由于此时充填体内部还含有大量的水，仍处于流体状态，其内部产生的自收缩作用及应变还不能传递到光纤上，因此光纤在此阶段的应变基本保持不变，这一监测结果与FBG光栅传感器监测结果一致[21].
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 不同胶结剂含量的充填体在水化过程中的温度Fig.5 Temperature of backfill with different cement contents in hydration process |
膨胀期：随水化反应的继续进行，充填体内部温度逐渐升高，内部骨架结构具有一定强度.充填体内部膨胀作用产生的应变可传递到光纤上，此时光纤产生拉伸应变，这是充填体内部温度升高引起的，如图 4所示，10%胶结剂充填体内部温度最高，产生的膨胀应变也最大.
下降期：充填体内部应变达到热膨胀峰值后，充填体内部应变开始收缩，导致充填体内部应变开始下降.由于此过程是充填体内部的自收缩作用引起的，与充填体内部进行的化学反应密切相关，因此10%的胶结剂充填体内部应变最先开始下降，且下降幅度最大.
不同充填体在7 d内的内部应变变化如图 6所示.从OFDR分布式光纤测得的内部应变呈快速下降(~1 d)、缓慢收缩(~2 d)和基本稳定3个阶段，这与FBG光栅监测的充填体内部应变收缩情况一致，反映了充填体内部骨架结构的逐步强化及充填体内部水化反应的逐步减弱[9].
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同胶结剂含量的充填体7 d内部应变Fig.6 Internal strain of backfill with different cement contents in 7 days |
3.2 内部应变的空间分布7%胶结剂充填体内部应变随时间变化如图 7所示.充填体内部应变在空间上呈现出明显的不均匀性.在1 h时，充填体中部、内部应变明显升高, 高于两侧充填体应变变化值，因此充填体应变曲线呈上凸型.充填体内部产生的拉伸应变是由于颗粒沉降作用引起的，两侧充填体靠近模具，摩擦阻力比较大，因此中间产生的沉降值更大，导致中部充填体拉伸应变最大.在平静期内，充填体内部应变基本无变化，整体曲线仍然呈上凸型.由于充填体内部的化学反应放热，充填体内部应变整体上升(12~15 h)，由于此反应阶段导致的应变变化较小，对充填体内部应变分布并没有产生显著影响.此后阶段(15~48 h)，由于充填体内部不断自收缩及充填体内部温度的下降，充填体在15 h达到峰值阶段后，开始整体收缩，曲线开始整体向下移动.由图 7可知，充填体各处自收缩值不一致，充填体内部应变分布情况开始发生变化，峰值点开始向两侧进行转移.这主要是由于充填体内部的离析情况严重，导致充填体内部的水泥含量分布不一致，因此该阶段由于水化反应导致的自收缩情况也不一致.经过48 h后，由于充填体骨架刚度的增加，抗变形能力增强，充填体整体应变变化不大，因此内部应变分布情况也无变化(48~168 h).
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 7%胶结剂充填体应变分布Fig.7 Strain distribution of 7% cemented backfill |
充填体应变的空间分布变化情况充分说明了充填体内部离析作用对内部应变的间接影响，正是由此导致充填体内部胶凝材料分布不均匀，充填体水化作用在空间分布上也不一致，因此充填体内部的应变分布也会发生变化.
3.3 胶结剂的影响不同质量分数的胶结剂充填体在不同时间点的应变分布如图 8所示.分析可知，充填体内部应变变化主要分为物理拉伸段-放热膨胀段-化学收缩段3个阶段.由于胶结剂的质量分数影响充填体内部的水化反应，而在物理拉伸段(0~1 h)光纤应变主要由于固体颗粒的自重沉降引起，因此3种不同质量分数的胶结剂充填体内部应变除了表现出中间应变大，两侧应变小的上凸型曲线特征外，3者之间各点应变表现了较高的随机性，并没有体现一致性.在热膨胀阶段，当胶结剂的质量分数较高时，充填体内部水化反应剧烈，升温更快，导致热膨胀应变更大，因此10%的充填体内部热膨胀阶段(1~12h)整体上升明显高于4%的充填体内部热膨胀阶段(1~15 h).进入化学收缩段以后(15~24 h)，10%胶结剂充填体内部应变整体向下幅度更大.在此后时间段，尽管充填体内部骨架结构刚度增强，整体曲线向下移动幅度不大，但具有较高质量分数的胶结剂充填体(7%，10%)，在此阶段整体位移依然较大.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同胶结剂含量下充填体内部应变Fig.8 Internal strain of backfill under different cement (a)—4%；(b)—7%；(c)—10%. |
由于热膨胀阶段及后期化学收缩段的内部应变变化均较小，因此充填体前期(0~15 h)的内部应变分布曲线主要由充填体内部的物理沉降决定，整体呈上凸型.由于充填体内部的离析作用导致充填体内部水化程度不一致，充填体各点内部应变变化不同，导致充填体内部应变上凸型特征减弱，呈多峰特征.
4 结论1) 通过充填体内部分布式光纤室内试验监测，充填体内部应变可分为物理沉降拉伸、水化放热膨胀、化学自收缩及基本稳定4个阶段.
2) 充填体内的物理沉降导致光纤拉伸在空间分布上呈中间沉降大、两侧沉降低的上凸型曲线，由于充填体内部各点化学反应不一致，内部自收缩不一致会弱化光纤的上凸型曲线分布特征，呈多峰形曲线分布.
3) 充填体内部分布式光纤室内试验监测，成功实现了OFDR在充填体内部应变变形的分布式测量，验证了OFDR技术在充填体硬化过程表征应用的可行性，能够反映表征充填体内部物理、化学作用的不同程度，具有较高的应用价值.
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