本征自感知混凝土在高铁土建基础设施原位监测中的应用展望

韩宝国，丁思齐，董素芬，倪一清，欧进萍

（1. 大连理工大学，辽宁 大连 116024；2. 香港理工大学，香港）

1 研究背景

结构健康监测正愈来愈成为基础设施健康与安全的重要保障技术，也愈来愈成为基础设施结构损伤积累、乃至灾害演变规律研究的重要手段。另外，长期监测的基础设施是足尺的、现场长期试验的结构，其监测结果对于探明结构损伤演化规律、灾变行为和安全状态具有重要的科学意义[1-4]。高铁土建基础设施造价高、施工复杂、服役年限长、分布范围广、灾害行为严重、检测和维修周期长且费用高，应用结构健康监测技术有望及时方便地确定交通基础设施是否处于预计状态、检验其设计的合理程度和长期运行性能，为施工调整和运营养护提供依据，从而保障交通基础设施运营的安全性和交通运输的顺畅性[5-7]。混凝土在高铁土建基础设施中是应用最广泛的结构材料之一，其应力、应变和损伤等是反映混凝土结构状态的重要参数，因此可通过监测混凝土结构的这些参数来实现其状态评价和安全评定。传感元件是实现基础设施智能监测的硬件基础，现有桥、隧、路等交通基础设施结构监测主要应用传统传感元件或智能传感元件（或感知材料）实现（见图1）。采用这些传感元件可制作大规模表面附着式或埋入式传感分布阵列，从而使基础设施的重要构件或整体结构具有感知特性，进而实现实时监测与安全预警功能。传统传感元件主要包括应变片、振弦式应变计、应力计等。虽然这些传感元件技术比较成熟，但不适于长期监测。智能传感元件主要包括光纤、压电陶瓷、形状记忆合金或智能纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）筋等。然而，由于高铁土建基础设施系统施工复杂、服役年限长、分布范围广，大规模布设、相容性和耐久性是制约上述传感元件在交通土建工程中应用的共性问题[2，8-10]。

图1 目前基础设施监测的主要传感元件

本征自感知混凝土（也称自感知混凝土）的出现为解决上述问题提供了新选择。自感知混凝土的组成结构与性能见图2，自感知混凝土是一种集结构和传感功能于一体的智能材料，通过在混凝土中复合适当掺量的功能填料（包括导电或半导电材料，通常对混凝土的力学和耐久性有增强作用）而制成。在荷载作用下，其内部微观结构变化引起导电通路变化，导致电学性能发生有规律的改变，从而具有感知特性。因此，自感知混凝土依靠其自身的本征智能特性便能实时感知自身的受力和变形。另外，自感知混凝土灵敏度系数可达数百甚至上千，而常用应变片的灵敏度仅为2～5[11]。

图2 自感知混凝土的组成结构与性能

鉴于高铁土建基础设施监测对传感元件的灵敏度、耐久性、相容性、长寿命等方面的要求，以及工程造价、维护等经济方面的因素，应用自感知混凝土是实现高铁土建基础设施自监测与自诊断的一种新途径。在此，重点阐述自感知混凝土的研究现状，并对应用自感知混凝土实现高铁土建基础设施结构监测的展望进行探讨。

2 自感知混凝土研究与应用现状

2.1 材料研究

关于自感知混凝土（指广义的混凝土，包括不掺骨料的水泥石和掺骨料的砂浆或混凝土）的最早报道出现于1993 年，碳纤维被作为导电填料加入到水泥砂浆中，制备的复合材料在循环压缩荷载下的电阻率随着应力/应变增大而减小，随着应力/应变减小而增大。之后，国内外学者对自感知混凝土的原材料构成、导电填料种类、制备工艺、感知性能的影响因素、感知信号的采集、感知性能的表征和产生机理等进行了大量研究。使用较多的填料包括碳纤维、钢纤维、钢渣、炭黑、石墨、镍粉、碳纳米管以及不锈钢微丝等，常用自感知混凝土功能填料的分类见表1，代表性自感知混凝土的感知性能测试结果见图3，典型自感知混凝土在不同变形下的感知灵敏度见表2[12-39]。

表1 常用自感知混凝土功能填料的分类

图3 掺有不同填料的自感知混凝土感知性能

表2 典型自感知混凝土在不同变形下的感知灵敏度

2.2 应用研究

随着自感知混凝土材料理论与试验研究的逐渐深入，同时由于混凝土结构健康监测技术的快速发展，学者们对应用自感知混凝土用于结构健康监测的可行性进行了探讨，其代表性结果，如智能混凝土柱单调压缩至破坏时的感知性能见图4[40]。目前自感知混凝土在结构健康监测方面的应用研究归纳见表3[9，11，41-43]。

图4 智能混凝土柱单调压缩至破坏时的感知性能

表3 自感知混凝土在结构健康监测方面的应用研究

（续接表3）

此外，常用的交通探测传感器（包括红外光电传感器、感应线圈传感器、微波雷达传感器和视频图像探测器等）成本及维护费用高、受天气影响大、需要额外的支架结构，大大限制了交通信号采集的实时性及准确性，自感知混凝土可克服上述不足，使其在交通探测方面存在广阔的应用前景（见图5），自感知混凝土在交通探测方面的应用归纳见表4[9，44-46]。

图5 自感知混凝土应用于公路交通探测

表4 自感知混凝土在交通探测方面的应用

3 应用自感知混凝土实现高铁土建基础设施结构监测的关键问题

高铁土建基础设施结构的健康监测是指掌控高铁土建基础设施关键结构/构件（如轨道板、桥梁、隧道）的健康状态，及时发现结构工程的事故隐患，并及时采取措施，这是实现预防性维护，保障高铁结构安全、高效经济运行的关键环节。要实现高铁土建基础设施的健康监测，一是需采用能够完整、长期、准确、连续地获得信息的传感技术；二是对监测信息进行实时快速地传输、监控与分析；三是及时对基础设施结构的损伤程度、损伤位置进行识别、判断并修护，其中最为关键的是保障结构在安全期的使用状态并对其安全状态进行监测和预报。目前，高铁土建基础设施结构的健康监测仍主要通过外设传统传感器（应变片、位移计及拾振器等）和智能传感器（光纤、压电陶瓷、形状记忆合金或智能FRP 筋）实现对其结构变形、振动特性、温度、支座、基础沉降等参数的监测，这些监测元件存在大量使用成本昂贵、信号处理程序复杂、易受外界干扰等问题[47-52]。

自感知混凝土具有良好的力学性能，可直接作为承载构件使用，能够保证结构在安全期的使用状态，并具有感知自身的能力而不需要布设额外传感器，通过测试自感知混凝土电阻的变化可实时监测结构/构件在服役期间的应力、应变和损伤。同时，自感知混凝土还可被制备成独立的传感器，预埋或粘结于需进行监测的重要构件部位。与已有传感器相比，自感知混凝土具有灵敏度高、力学性能好、与结构具有等同的服役寿命以及易布设、易维护、相容性好等优点。此外，自感知混凝土用于高铁土建基础设施时，还可实时监测发生于该基础设施上的交通状况，进而为结构设计提供指导。因此，自感知混凝土在高铁土建基础设施健康监测中的应用极具潜力。但自感知混凝土应用于高铁土建基础设施时，还有以下关键问题需要开展研究或解决：

（1）由于粗骨料的存在会增加功能填料的用量，目前研制的自感知混凝土大多不含粗骨料，与实际工程应用的混凝土有区别。自感知混凝土的感知性能可能受到结构内钢筋影响，并且混凝土的高电导可能对钢筋混凝土的耐久性存在不利影响。

（2）自感知混凝土电学信号受荷载和环境作用耦合会影响感知准确性，对其进行多因素影响的解耦有助于深入评价混凝土在不同作用下的服役行为。已有自感知混凝土的感知信号主要采用体积电阻，其对疲劳和裂纹等损伤信息的表征能力不足。

（3）混凝土是具有多相、多尺度、非均质和时变等特征的复合材料，传统监测是将混凝土视为均匀材料，并根据外设传感元件感知其受力变形进而得到结构状态信息，以往自感知混凝土应用体积电阻率作为感知信号进行结构监测也是同样的思路，但无法实现更深层次的自感知，即原位监测。所谓原位监测有3 方面内涵：①混凝土材料在真实服役状况下的自监测，无需采用额外的传感元件；②从混凝土材料性能监测进而实现更高层面的结构监测，即从下至上、从源头的监测；③对混凝土材料进行多尺度的监测，包括水泥水化产物、水泥石与骨料界面等方面的变化。

（4）高铁土建基础设施分布空间广、安全性和/或平顺性要求高、需避免传感元件介入对其使用功能产生不利影响，所以原位自监测比其他监测方法更具优势，但目前应用自感知混凝土进行高铁基础设施原位监测的相关研究还未见报道。

综上所述，针对高铁土建基础设施监测的目标，结合自感知混凝土的性能，通过理论分析和数值模拟设计自感知混凝土构件（如自感知混凝土轨道板、接缝、桥墩、隧道衬砌等），确定自感知混凝土的应用形式和布点，进而集成原位监测系统，最终形成基于自感知混凝土的高铁土建基础设施智能监测系统集成与安全/状态评定方法。基于自感知混凝土原位监测的高铁土建基础设施正演评价路线见图6。

图6 基于自感知混凝土原位监测的高铁土建基础设施正演评价路线

此外，自感知混凝土不仅可对高铁土建基础设施自身状态和服役行为进行监测，还可对发生于该基础设施上的交通参数（如车辆通过、位置以及密度等）进行探测，从而为交通智能管理以及交通基础设施状态评价与寿命预测提供数据支持，是非常值得开展的一项研究内容。

4 结束语

本征自感知混凝土是一种材料-结构一体化和结构-功能一体化的智能材料，能满足高铁土建基础设施监测对传感元件的灵敏度、耐久性、相容性、长寿命等方面的要求，同时在工程造价方面具有经济优势。本征自感知混凝土为实现高铁土建基础设施原位自监测与自诊断提供了一种新选择，其应用有助于保障高铁土建基础设施运营的安全性和交通运输的顺畅性。另外，应用本征自感知混凝土构建可实现原位监测的高铁土建基础设施相当于长期试验的结构，而且是足尺的、现场长期试验的结构，其监测结果对于进行高铁土建基础设施性态评价与预测，以及指导高铁土建基础设施设计和维护具有重要的科学与现实意义。