本征自感知混凝土及其智能結(jié)構(gòu)

丁思齊，韓寶國(guó)，歐進(jìn)萍

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東，深圳 518055 ；2. 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧，大連 116024)

地球上人造物質(zhì)將超過(guò)生物物質(zhì)總量，混凝土占所有人造物質(zhì)的40%，是承載人類社會(huì)文明的最大物質(zhì)載體，其生產(chǎn)和使用對(duì)資源、能源和環(huán)境的影響非常巨大。廣義的混凝土是由包括水泥、瀝青、聚合物等為膠凝材料制備的復(fù)合材料，其中水泥混凝土的應(yīng)用最為量大面廣，如不特殊強(qiáng)調(diào)本文中混凝土皆指水泥混凝土且包括不含骨料的水泥石、含細(xì)骨料的砂漿和含粗細(xì)骨料的混凝土?；炷恋慕M成包括水泥、水、細(xì)骨料、粗骨料、礦物外加劑和化學(xué)外加劑等。生產(chǎn)1 t 水泥，需要2 t 原材料，消耗4 GJ 的能源，產(chǎn)生近1 t 的二氧化碳、大約3 kg 的氮化物和大約0.4 kg 的PM10；另外，近些年世界一些國(guó)家或地區(qū)出現(xiàn)天然骨料或淡水資源匱乏，也與混凝土的大量生產(chǎn)和使用密切相關(guān)。雖然生產(chǎn)混凝土原材料會(huì)使用大量的資源和能源，但是從價(jià)格、消耗產(chǎn)能以及地球上元素和物質(zhì)構(gòu)成等方面來(lái)看，混凝土在未來(lái)仍將是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可替代的工程材料[1-3]。

但混凝土的可持續(xù)發(fā)展還面臨很多挑戰(zhàn)，主要包括：① 作為一種多組分、多相和多尺度的復(fù)合材料，混凝土處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)、性脆易裂；② 混凝土主要用作結(jié)構(gòu)材料不具有多功能/智能特性(如感知、修復(fù)等)；③ 由于混凝土材料離散性大、使用環(huán)境復(fù)雜、以及缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)與狀態(tài)評(píng)估工具和及時(shí)維護(hù)，混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性較低。本征自感知混凝土的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新途徑。這是因?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)，服役過(guò)程是熵增過(guò)程，因此會(huì)緩慢老化并逐漸劣化，即從有序走向無(wú)序而可用性降低。工程結(jié)構(gòu)的劣化從材料層面開始，在早期階段感知材料性能的劣化便可在結(jié)構(gòu)發(fā)生重大損壞前進(jìn)行維護(hù)，即引入負(fù)熵(包括信息、物質(zhì)和能量)避免或減緩熵增，從而提升其安全性、韌性與壽命。本征自感知混凝土作為一種智能材料可以賦予工程結(jié)構(gòu)原位感知能力而具有數(shù)字化特征，應(yīng)用其有助于更好地理解、調(diào)控和設(shè)計(jì)混凝土的性能，降低混凝土的生產(chǎn)和生態(tài)成本，提升和實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)安全性、耐久性、韌性、多功能/智能性，延長(zhǎng)工程結(jié)構(gòu)的使用壽命并減少對(duì)混凝土材料的相對(duì)需求[4-8]。

傳統(tǒng)混凝土作為結(jié)構(gòu)材料，不具備感知性能，主要通過(guò)外設(shè)或埋入非本征的傳感材料/器件而獲得感知能力。相對(duì)于此，本征自感知混凝土是一種自身具有感知性能的智能材料，即通過(guò)自身而不需要額外傳感材料/器件即具有感知性能，其是一種兼具結(jié)構(gòu)和感知功能于一體的結(jié)構(gòu)-功能/智能一體化材料。目前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)該材料的定義還不統(tǒng)一，比如壓阻混凝土(piezoresistive concrete，感知內(nèi)容概括不全面且前綴piezo 常用于壓電材料)、壓敏混凝土(pressure-sensitive concrete，感知內(nèi)容概括不全面)、自感知混凝土(self-sensing concrete，無(wú)法與采用額外傳感器自感知混凝土區(qū)別)、自診斷混凝土(self-diagnosing concrete，診斷來(lái)源于感知，沒(méi)有說(shuō)明具體機(jī)制)、智能混凝土(smart /intelligent concrete，過(guò)于籠統(tǒng))、本征智能混凝土(intrinsically smart concrete，稍籠統(tǒng))等。從具體內(nèi)涵和外延來(lái)看，作者認(rèn)為本征自感知混凝土(intrinsic self-sensing concrete)這一定義更為合理和準(zhǔn)確。本征自感知混凝土是一種電導(dǎo)基的感知材料，與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片具有類似的感知機(jī)制，主要通過(guò)在傳統(tǒng)混凝土中復(fù)合導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料而提高其電導(dǎo)性能，進(jìn)而增強(qiáng)其電場(chǎng)與力場(chǎng)、熱場(chǎng)或者濕度場(chǎng)等之間的耦合效應(yīng)，從而使其具有本征自感知性能[9,10]。

本征自感知混凝土最早提出于1993 年[1,11]，隨后世界各國(guó)的研究者對(duì)其開展了大量深入的研究，并取得了很多成果；經(jīng)過(guò)近30 年的發(fā)展，其內(nèi)涵與外延在不斷深化和擴(kuò)大。本文將系統(tǒng)介紹本征自感知混凝土的組成與制備、測(cè)試與表征、性能與調(diào)控、機(jī)理與模型及工程應(yīng)用，并探討本征自感知混凝土發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和相應(yīng)解決策略。

1 本征自感知混凝土的結(jié)構(gòu)特征

如圖1 所示，本征自感知混凝土是由填料和傳統(tǒng)混凝土材料復(fù)合而成，填料分布在基體內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。作為一種復(fù)合材料，本征自感知混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)可劃分為三相：傳統(tǒng)混凝土材料構(gòu)成的基體相、填料構(gòu)成的填充相、以及二者之間的界面相?；w相本身電阻率高且不具備感知性能，因此填料相和界面相主導(dǎo)復(fù)合材料的導(dǎo)電和感知性能。

圖1 本征自感知混凝土的組成(圖中僅以粒子狀填料為例，事實(shí)上填料可以為纖維狀，也可以是片狀，也可以是不同形狀填料的復(fù)合)Fig. 1 Composition of intrinsic self-sensing concrete (here only taking particle filler for reference, in fact, the filler can be fibrous, flaky or a hybrid of different shapes)

1.1 本征自感知混凝土的組成

導(dǎo)電或半導(dǎo)電填料是混凝土獲得穩(wěn)定和靈敏本征自感知性的決定因素，目前用于制備本征自感知混凝土的有效導(dǎo)電或半導(dǎo)電填料(包括單摻或復(fù)摻)有30 余種[5,12]，其中最有代表的填料如表1所示，具體包括：碳纖維、鋼纖維、鋼渣、刺球形鎳粉、碳納米管/纖維、石墨烯、自組裝填料、不銹鋼微絲等[9]。一般二維(片狀)和一維(纖維)填料比零維(粒子)填料、微米填料比納米填料更易在混凝土內(nèi)部搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。一些填料共同使用會(huì)產(chǎn)生單種填料不具有的復(fù)合效果，可產(chǎn)生協(xié)同或多尺度作用(長(zhǎng)短程協(xié)同導(dǎo)電)[13-14]。另外，雖然填料是制備本征自感知混凝土的決定因素，但是填料分布在混凝土基體中，混凝土基體也會(huì)在整個(gè)復(fù)合材料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中參與導(dǎo)電(如填料之間的混凝土基體構(gòu)成隧道勢(shì)壘)，因此混凝土基體本身的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐久性等方面也會(huì)在一定程度上影響本征自感知混凝土的電阻率和感知性能。比如骨料的加入，特別是粗骨料(不導(dǎo)電骨料)會(huì)切斷導(dǎo)電通路，因此需要較高填料摻量復(fù)合材料才能具有良好的導(dǎo)電性和感知性。

表1 制備本征自感知混凝土的代表性填料Table 1 Representative fillers for intrinsic self-sensing concrete

1.2 本征自感知混凝土的制備

由于填料的加入并為實(shí)現(xiàn)填料在混凝土內(nèi)部的合理分布，一般本征自感知混凝土的制備與傳統(tǒng)混凝土的制備稍為復(fù)雜或者有區(qū)別。如圖2 所示，本征自感知混凝土的制備大體上和傳統(tǒng)混凝土類似，包括攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)。一般來(lái)講，攪拌和成型是本征自感知混凝土制備的關(guān)鍵，其中攪拌尤為重要，因?yàn)闀?huì)直接決定本征自感知混凝土中填料的分布，進(jìn)而決定導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和感知性能；此外填料的加入一般也會(huì)引起復(fù)合材料工作性的下降進(jìn)而影響混凝土基體及復(fù)合材料的均勻性。通常，為制備性能穩(wěn)定的本征自感知混凝土，實(shí)現(xiàn)填料的復(fù)合效率和復(fù)合效果，需要通過(guò)合適的攪拌和成型工藝制備出結(jié)構(gòu)均勻的復(fù)合材料。攪拌的方法/設(shè)備、順序、強(qiáng)度和時(shí)間是制備本征自感知混凝土通常要考慮的四個(gè)因素，成型的方法/設(shè)備以及強(qiáng)度和時(shí)間也是本征自感知混凝土制備中的三個(gè)重要影響因素。特別值得注意的是，一些填料(比如纖維或納米填料)需要特殊的攪拌或者分散方法(如超聲、高速剪切或球磨等)預(yù)分散在混凝土拌和水或者原材料中，才能結(jié)合傳統(tǒng)混凝土攪拌工藝來(lái)制備本征自感知混凝土。為保證填料在混凝土基體內(nèi)部均勻分布和復(fù)合材料整體均勻性、以及充分保證填料的復(fù)合效果和復(fù)合效率，攪拌、分散或者成型過(guò)程中可能會(huì)對(duì)填料造成損害，一般也要選擇合適的工藝或者設(shè)備減少或避免對(duì)填料的損害(比如采用非金屬制的不帶葉片的特殊攪拌機(jī)攪拌摻纖維的本征自感知混凝土、采用表面活性劑制備摻納米填料的本征自感知混凝土)，進(jìn)而減少或避免對(duì)感知性能的不利影響。養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐久性都會(huì)有所影響，所以在一定程度上也會(huì)影響本征自感知混凝土的電阻率和感知性能。傳統(tǒng)混凝土的所有養(yǎng)護(hù)方法都可用于本征自感知混凝土，通過(guò)調(diào)整養(yǎng)護(hù)方法也可以實(shí)現(xiàn)本征自感知混凝土性能的調(diào)控[1,5]。

圖2 本征自感知混凝土的制備Fig. 2 Preparation of intrinsic self-sensing concrete

還需注意的是，一些研究中也嘗試?yán)锰盍显诨炷粱w內(nèi)部的不均勻分布制備或優(yōu)化本征自感知混凝土的性能，比如利用振動(dòng)成型使金屬纖維定向分布或局部密集調(diào)控混凝土的感知性能、利用外場(chǎng)(如磁場(chǎng)或電場(chǎng))是金屬纖維或離子定向分布增強(qiáng)混凝土的導(dǎo)電和感知性能[5,15]、以及應(yīng)用體積排阻效應(yīng)去改變填料在混凝土基體內(nèi)部局部水泥石中的分布提高混凝土的電導(dǎo)和感知性[16]；另外，目前對(duì)填料在混凝土基體內(nèi)部整體均勻分布還是整體均勻-局部分布不均勻?qū)炷恋膶?dǎo)電性和感知性的影響也有不同的認(rèn)識(shí)，同時(shí)填料絕對(duì)的均勻分布也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的且缺乏有效的表征方法判斷填料在復(fù)合材料中的分布特征。

2 本征自感知混凝土的機(jī)理

本征自感知混凝土是在傳統(tǒng)混凝土中添加導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料使混凝土導(dǎo)電性能提高，在荷載(外力或變形)或環(huán)境(溫度、濕度等)作用下，復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，從而使其電學(xué)性能參數(shù)(包括電阻、電容、電感、阻抗等)會(huì)發(fā)生穩(wěn)定的、有規(guī)律的變化，即復(fù)合材料具有靈敏和穩(wěn)定的力(變形)-電、熱-電、濕度-電等耦合關(guān)系而具有感知應(yīng)力、應(yīng)變、損傷(包括裂紋和疲勞等)、溫度和濕度等的能力[9]。添加的導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料一般不應(yīng)對(duì)混凝土的力學(xué)和耐久性有損害，理想的填料可顯著提升混凝土的力學(xué)和耐久性[17-18]。已有研究主要關(guān)注混凝土的力-電自感知性能，因此如不特殊強(qiáng)調(diào)，本文中的自感知混凝土皆指本征力-電自感知混凝土。

傳統(tǒng)混凝土材料的電阻率一般為106Ω·cm～109Ω·cm，其與養(yǎng)護(hù)齡期和含水量等因素密切相關(guān)[9]。由于混凝土中水泥水化生成各種離子如Ca2+、Na+、K+、OH-、 SO24-等，且混凝土內(nèi)部含有大量孔，一些孔隙被水所充填，所以混凝土的電阻率主要由其內(nèi)部孔溶液離子電導(dǎo)決定[1]。當(dāng)測(cè)量混凝土的電阻時(shí)，由于外加電場(chǎng)作用使孔溶液內(nèi)正負(fù)離子移動(dòng)并聚集在孔表面產(chǎn)生極化效應(yīng)，使得測(cè)量的電阻值隨測(cè)試時(shí)間而增加。因此，離子導(dǎo)電會(huì)影響混凝土電阻測(cè)量時(shí)的穩(wěn)定性。

摻入導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料有助于短路離子電導(dǎo)通路，從而使混凝土具有穩(wěn)定的電阻(率)?；炷恋碾娮杪孰S導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料的摻量而會(huì)發(fā)生變化，即滲流現(xiàn)象，如圖3 所示：① 當(dāng)導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料的摻量較低時(shí)，對(duì)復(fù)合材料的電阻改變不大，復(fù)合材料的電阻由離子導(dǎo)電主導(dǎo)；② 當(dāng)導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，復(fù)合材料的電阻會(huì)發(fā)生顯著的變化，即發(fā)生滲流，復(fù)合材料的電阻由離子電導(dǎo)、(場(chǎng)致)隧道導(dǎo)電和接觸導(dǎo)電共同主導(dǎo)；③ 當(dāng)導(dǎo)電或半導(dǎo)體填料摻量繼續(xù)增加至一定數(shù)值后，復(fù)合材料的電阻變得穩(wěn)定，復(fù)合材料的電阻由接觸導(dǎo)電主導(dǎo)。一般而言，自感知混凝土需要具有低的電阻率即具有穩(wěn)定的電阻，同時(shí)具有高的感知靈敏度即高的電阻率變化率，但是這兩方面是矛盾的。所以自感知混凝土填料摻量范圍建議在滲流閾值附近，具體還要根據(jù)荷載作用情況和應(yīng)用場(chǎng)合選取[5,9]。

圖3 本征自感知混凝土的電導(dǎo)滲流現(xiàn)象(僅以粒子狀填料為例)Fig. 3 Conduction percolation of intrinsic self-sensing concrete (here only taking particle filler for reference)

3 本征自感知混凝土感知信號(hào)測(cè)試、提取與采集

本征自感知混凝土的體積電阻最能直接反映荷載或環(huán)境的作用。根據(jù)歐姆定律，本征自感知混凝土的體積電阻可如下式所示：

式中：Rs為本征自感知混凝土的電阻值； ρ為本征自感知混凝土的電阻率；S為本征自感知混凝土的橫截面積；L為本征自感知混凝土測(cè)試部分的長(zhǎng)度。對(duì)式(1)兩邊微分可得：

式中：ν為本征自感知混凝土的泊松比。由式(2)可得，本征自感知混凝土的感知信號(hào)變化是由其本征電阻率變化和其幾何系數(shù)變化共同決定。由于本征自感知混凝土的體積變化一般很小可忽略不計(jì)，因此有：

式中：R0為本征自感知混凝土初始電阻值； ρ0為本征自感知混凝土初始電阻率。由式(3)可知，本征自感知混凝土的電阻變化率近似于其電阻率變化率。另外，電阻易于測(cè)試或易于轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，因此，電阻常被用作感知信號(hào)，本文中如不特殊強(qiáng)調(diào)，本征自感知混凝土感知信號(hào)皆指電阻或電壓信號(hào)。

本征自感知混凝土的感知信號(hào)需要布設(shè)電極來(lái)采集，電極材料應(yīng)具有高電導(dǎo)(遠(yuǎn)高于被測(cè)試本征自感知混凝土的電導(dǎo)或相對(duì)本征自感知混凝土的電導(dǎo)可以忽略不計(jì))、耐腐蝕等特點(diǎn)，常用的電極材料包括金屬片/網(wǎng)/環(huán)/棒/絲、碳布/束和導(dǎo)電膠等。電極布設(shè)方式主要包括粘貼式和埋入式，粘貼式電極具有容易替換的優(yōu)勢(shì)，常用于實(shí)驗(yàn)室材料性能測(cè)試，但存在粘貼式電極易剝離、易發(fā)生銹蝕，且粘貼的質(zhì)量受導(dǎo)電膠質(zhì)量和老化影響大的缺點(diǎn)；埋入式電極與本征自感知混凝土結(jié)合好且受本征自感知混凝土保護(hù)而具有穩(wěn)定的長(zhǎng)期性能，但片狀電極埋入會(huì)影響本征自感知混凝土的力學(xué)性能、棒狀電極測(cè)試電場(chǎng)不均勻而影響測(cè)試準(zhǔn)確性，所以可用網(wǎng)狀或環(huán)狀電極避免或減小電極介入對(duì)本征自感知混凝土力學(xué)性能的不利影響[5,10]。

本征自感知混凝土感知性能的測(cè)試，不僅涉及電極材料和電極布設(shè)方式，還涉及所采用的電阻測(cè)試方法。常用電阻測(cè)試方法有兩電極法和四電極法，如圖4 所示。兩電極法測(cè)試簡(jiǎn)單，但受電極與被測(cè)本征自感知混凝土之間接觸電阻的影響因而電阻測(cè)試值不準(zhǔn)確；采用四電極法可避免接觸電阻的影響而能準(zhǔn)確地測(cè)試本征自感知混凝土的電阻。但根據(jù)四電極法的測(cè)試原理，該方法主要適用于低電阻、高電導(dǎo)的材料(電阻值相對(duì)于電壓測(cè)試儀表的內(nèi)阻可以忽略)。如果被測(cè)本征自感知混凝土的電阻值較高(相對(duì)于電壓測(cè)試儀表內(nèi)部不是可以忽略的)，四電極法測(cè)試的準(zhǔn)確度也會(huì)降低[10]?；诖?，加之四電極法電路相對(duì)兩電極法較為復(fù)雜，而且本征自感知混凝土在應(yīng)用中接觸電阻不變化(電極與本征自感知混凝土結(jié)合好的情況下)，同時(shí)實(shí)際工程應(yīng)用中關(guān)注的是電阻或電壓變化的相對(duì)值，所以兩電極法常被采用。只是根據(jù)兩電極法測(cè)試并計(jì)算感知靈敏度時(shí)會(huì)比四電極法低，這是由于兩電極法測(cè)試的本征自感知混凝土初始電阻值包括了接觸電阻，而比四電極法測(cè)試的電阻初始值高[19]。

圖4 兩電極法和四電極法電阻測(cè)試比較Fig. 4 Comparison of two-probe method and four-probe method for electrical resistance measurement

本征自感知混凝土的感知信號(hào)會(huì)受混凝土自身極化作用、環(huán)境溫濕度的影響，為去除或抑制這些因素的耦合作用，可通過(guò)電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等方法提取感知信號(hào)。比如，可采用交流電路避免或消除極化作用的影響[20]，可采用補(bǔ)償或差分電路實(shí)現(xiàn)溫度影響的解耦[21]，可采用去趨勢(shì)項(xiàng)提取受極化、溫濕度耦合作用的感知信號(hào)[19]，還可采用盲源分離方法分離荷載和溫度同時(shí)作用下的信號(hào)并提取出感知信號(hào)[22]。

本征自感知混凝土的感知靈敏度是傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片的數(shù)十倍至數(shù)百倍，通?？梢圆徊捎眯盘?hào)放大電路即可直接采集。由于電阻信號(hào)很容易轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，所以常用的電壓信號(hào)采集方法都適用于本征自感知混凝土信號(hào)的采集。在采集電路中應(yīng)用參比電阻Rr與本征自感知混凝土串聯(lián)，可得到式(4)～式(6)：

簡(jiǎn)化可得式(9)和式(10)：

由式(10)可知，可以通過(guò)本征自感知混凝土兩端的電壓變化來(lái)反映其電阻變化[10]。本征自感知混凝土的信號(hào)傳輸常通過(guò)有線的方式，但是要注意電學(xué)信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)膿p耗與導(dǎo)線的屏蔽問(wèn)題，無(wú)線傳輸方式的使用可以幫助克服這些問(wèn)題[23]。

特別值得注意的是，近年一些新的技術(shù)也被用于本征自感知混凝土的信號(hào)采集，如交流阻抗譜EIS(electrical impedance spectroscopy)、電阻抗層析成像技術(shù)EIT(electrical impedance tomography)、電容層析成像技術(shù)ECT(electrical capacitance tomography)等。這些新技術(shù)可以提供比傳統(tǒng)的電阻或電壓信號(hào)更豐富的信息，如利用EIS 技術(shù)，既可以用作本征自感知混凝土的感知信號(hào)[24]，又可以得到本征自感知混凝土的微觀結(jié)構(gòu)以及電解質(zhì)與電極微觀界面處的特征[25]；利用EIT 或ECT技術(shù)既可以對(duì)本征自感知混凝土的阻抗或電容的分布進(jìn)行二維或三維成像[26]，還可以表征本征自感知混凝土在不同狀態(tài)下阻抗或電容的變化反映出的結(jié)構(gòu)變化程度、形狀以及位置等信息[27-28]。

4 本征自感知混凝土的感知性能與模型

已有研究證實(shí)，本征自感知混凝土在壓(單向、準(zhǔn)雙向和三向以及沖擊，單調(diào)和循環(huán)加載)、拉(單向，劈拉，單調(diào)和循環(huán)加載)、彎(單向和沖擊，三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲，單調(diào)和循環(huán)加載)荷載下皆具有感知性能，并可以感知應(yīng)變、應(yīng)力、損傷(包括裂紋和疲勞)等參數(shù)。本征自感知混凝土的感知性能可以通過(guò)力-電關(guān)系，電阻率變化率(彈性階段和一次加載至破壞)、靈敏度系數(shù)、感知范圍、線性度、重復(fù)性、遲滯性、分辨率、零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移等表征[5]。代表性的力-電關(guān)系曲線示意圖和代表性實(shí)際測(cè)試曲線可參考文獻(xiàn)[5, 9, 12]。

一般在壓縮荷載作用下，本征自感知混凝土的電阻隨荷載增加先減小、然后平穩(wěn)、最后增加，對(duì)應(yīng)混凝土加載過(guò)程中的彈性階段、裂紋閉合和擴(kuò)展平衡階段、裂紋擴(kuò)展破壞三個(gè)階段；在拉伸荷載作用下，電阻一般隨著荷載的增加而增加；在彎曲荷載作用下，電阻變化依賴受拉和受壓下電阻變化的疊加。值得注意的是，本征自感知混凝土的力-電關(guān)系曲線與具體填料種類、混凝土基體種類、電極布置位置、及荷載下實(shí)際受力狀態(tài)等因素密切相關(guān)[5]。已有研究中，電阻率變化率和靈敏度系數(shù)是較常關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)，文獻(xiàn)[5, 9, 12, 15]中列出了代表性本征自感知混凝土的這兩個(gè)參數(shù)值。實(shí)際上，這兩個(gè)參數(shù)即使不十分高也可滿足實(shí)際應(yīng)用，往往上面所述的其它參數(shù)可能對(duì)于實(shí)際應(yīng)用更為關(guān)鍵。需注意的是，本征自感知混凝土的力-電關(guān)系曲線根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理(如前第三節(jié)機(jī)理部分)的不同可能表現(xiàn)為線性或非線性，一般由于搭接導(dǎo)電(即滲流曲線中的導(dǎo)電區(qū))的力-電關(guān)系曲線是線性的，而由于(場(chǎng)致)隧道效應(yīng)導(dǎo)電的力-電關(guān)系曲線是非線性的(即滲流曲線中的滲流區(qū))。

為描述感知性能，一些力-電本構(gòu)模型被建立以描述本征自感知混凝土的力-電關(guān)系、預(yù)測(cè)本征自感知混凝土的感知性能、及作為本征自感知混凝土的工作曲線，其中一些是通過(guò)無(wú)物理模型的數(shù)學(xué)回歸獲得，一些是基于物理模型建立，比如基于纖維拔出-插入的碳纖維自感知混凝土力-電本構(gòu)關(guān)系、基于隧道效應(yīng)的碳纖維自感知混凝土力-電本構(gòu)關(guān)系、基于場(chǎng)致隧道效應(yīng)的刺球型鎳粉自感知混凝土力-電本構(gòu)關(guān)系、基于電子躍遷和滲流導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳納米管自感知混凝土力-電本構(gòu)關(guān)系、以及基于等效集總電路模型的碳納米管自感知混凝土力-電本構(gòu)關(guān)系等[5,29,30]。

5 本征自感知混凝土智能結(jié)構(gòu)

目前本征自感知混凝土智能結(jié)構(gòu)的研究主要集中在土木和交通領(lǐng)域，在土木領(lǐng)域主要應(yīng)用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，在交通領(lǐng)域主要是應(yīng)用其進(jìn)行交通探測(cè)(見圖5)。如表2 所示，本征自感知混凝土智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的形式包括：嵌入式、粘貼式、層合式和一體式，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件/結(jié)構(gòu)在不同荷載下的應(yīng)變、應(yīng)力、撓度、損傷(包括疲勞和裂紋)、頻率等參數(shù)監(jiān)測(cè)[9,15]，一些具體的應(yīng)用示例可參考文獻(xiàn)[5, 9, 12, 15]。特別是最近Ding等[31]應(yīng)用靜電自組裝納米填料復(fù)合自感知混凝土設(shè)計(jì)并集成了一個(gè)5 層模型框架智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，分析了不同測(cè)試頻率下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的功率譜密度，驗(yàn)證了基于自感知混凝土的智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用于結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別和損傷探測(cè)的可行性(如圖6)。

圖5 基于本征自感知混凝土的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和交通探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 5 Framework of structural health monitoring and traffic detection system based on intrinsic self-sensing concrete

圖6 本征自感知混凝土智能結(jié)構(gòu)的模態(tài)識(shí)別和損傷探測(cè)Fig. 6 Modal identification and damage detection of smart structures based on intrinsic self-sensing concrete

表2 本征自感知混凝土在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用形式Table 2 Application forms of intrinsic self-sensing concrete for structural health monitoring

目前應(yīng)用本征自感知混凝土智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行交通探測(cè)包括公路和鐵路領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)車速、車重、車流量、車型、壓黃線等方面的探測(cè)[9,15]，具體公路方面的代表應(yīng)用實(shí)例可參考文獻(xiàn)[5, 9, 12, 15]。值得注意的是，由于交通荷載作用為動(dòng)態(tài)的、快速的，而環(huán)境溫濕度作用引起本征自感知混凝土電阻的變化是連續(xù)緩慢的，所以由溫濕度引起的噪聲信號(hào)易于解耦或去除，因此在這方面比土木工程中的應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)[32]。特別是最近Lee 等[33]基于自感知碳納米管混凝土軌枕開發(fā)了一套無(wú)線智能鐵路傳感系統(tǒng)，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)的可行性。研究結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)、長(zhǎng)距離感知信號(hào)的穩(wěn)定采集和傳輸，以及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

6 總結(jié)與展望

本征自感知混凝土是一種具有數(shù)字化特征的智能/多功能材料，其出現(xiàn)有望使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化、功能多樣化，從而提升基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、韌性與壽命，進(jìn)而帶來(lái)土建工程領(lǐng)域的重大變革。本征自感知混凝土的提出至今近30 年，已取得豐富的研究成果，并逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向工程實(shí)際。未來(lái)還有以下挑戰(zhàn)性問(wèn)題需要解決：

(1) 低填料摻量、易于大規(guī)模生產(chǎn)的本征自感知混凝土設(shè)計(jì)與制備方法、工藝和設(shè)備。采用多尺度復(fù)合、納米技術(shù)(如原位生長(zhǎng)、自組裝、接枝)、3D 打印技術(shù)和生物技術(shù)等有望為該問(wèn)題的解決提供途徑。

(2) 本征自感知混凝土與其它先進(jìn)水泥基材料技術(shù)融合以發(fā)展多功能混凝土或改善感知性(如穩(wěn)定性、靈敏度)，比如發(fā)展具有自感知性能的ECC(engineered cementitious composites)、超高性能混凝土、自修復(fù)混凝土、自加熱混凝土、超疏水混凝土、聚合物混凝土、海水海砂混凝土等。

(3) 有效、便捷的本征自感知混凝土的精細(xì)化、多層次感知信號(hào)采集與提取的原理和方法的發(fā)展。

(4) 本征自感知混凝土導(dǎo)電及感知機(jī)理的深入理解和豐富。

(5) 不同種類的本征自感知混凝土在不同形式荷載和環(huán)境作用下“感知特征指紋”的明確及統(tǒng)一力-電本構(gòu)模型的建立。

(6) 本征自感知混凝土長(zhǎng)期性能演化規(guī)律的明確，感知穩(wěn)定性和可靠性的提高方法和原理的發(fā)展，及預(yù)測(cè)模型的建立。

(7) 本征自感知混凝土感知性能的拓展，如增強(qiáng)筋(如鋼筋、FRP 筋等)與混凝土的粘結(jié)錨固狀態(tài)、耐久性或環(huán)境參數(shù)感知(如pH 值、鹽濃度等)。

(8) 基于本征自感知混凝土的智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及軟硬件集成方法的建立。

(9) 本征自感知混凝土與智能結(jié)構(gòu)感知性的多尺度多物理場(chǎng)數(shù)值模擬方法的探索。

(10) 基于本征自感知混凝土感知信號(hào)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)定方法和交通基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)營(yíng)與管理方法的建立。

(11) 本征自感知混凝土應(yīng)用形式與應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展與延伸，比如應(yīng)用本征自感知混凝土發(fā)展裝配式結(jié)構(gòu)的構(gòu)件或現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，這樣僅在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件/節(jié)點(diǎn)采用本征自感知混凝土，可實(shí)現(xiàn)分布式傳感并降低本征自感知混凝土的用量；應(yīng)用本征自感知混凝土發(fā)展智能混凝土制品，如砌塊和磚等；在重要基礎(chǔ)實(shí)施中應(yīng)用本征自感知混凝土發(fā)展相應(yīng)智能結(jié)構(gòu)，如高鐵和地鐵(如軌道板、軌枕)、機(jī)場(chǎng)(如跑道和場(chǎng)地板)、核電站(如安全殼)、地下管廊及海工結(jié)構(gòu)等；發(fā)展FRP 筋自感知混凝土構(gòu)件/結(jié)構(gòu)，可與不導(dǎo)電FRP 筋(如GFRP、BFRP 等)配合避免鋼筋引起本征自感知混凝土短路或需額外絕緣處理的問(wèn)題，也可以與導(dǎo)電FRP筋(如CFRP 筋或不導(dǎo)電FRP 筋的樹脂用導(dǎo)電材料改性)配合分別實(shí)現(xiàn)混凝土和增強(qiáng)筋的自感知進(jìn)而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件/結(jié)構(gòu)的整體監(jiān)測(cè)。

(12) 本征自感知混凝土材料與智能結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與建立。

(13) 面向新型基礎(chǔ)設(shè)施和未來(lái)信息化環(huán)境的本征自感知混凝土智能結(jié)構(gòu)體系的 “對(duì)象-結(jié)構(gòu)-環(huán)境”的精細(xì)化感知、深度融合與協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施與泛在網(wǎng)融合發(fā)展。比如 “建筑結(jié)構(gòu)-人”、“道路結(jié)構(gòu)-車/機(jī)”、“軌道結(jié)構(gòu)-列車”等互聯(lián)互通與實(shí)時(shí)信息共享，智能結(jié)構(gòu)與通信體系的物理信息融合等。