韓寶國(guó)，丁思齊，董素芬，倪一清，歐進(jìn)萍

（1. 大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2. 香港理工大學(xué)，香港）

1 研究背景

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)正愈來(lái)愈成為基礎(chǔ)設(shè)施健康與安全的重要保障技術(shù)，也愈來(lái)愈成為基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)損傷積累、乃至災(zāi)害演變規(guī)律研究的重要手段。另外，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施是足尺的、現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)于探明結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律、災(zāi)變行為和安全狀態(tài)具有重要的科學(xué)意義[1-4]。高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施造價(jià)高、施工復(fù)雜、服役年限長(zhǎng)、分布范圍廣、災(zāi)害行為嚴(yán)重、檢測(cè)和維修周期長(zhǎng)且費(fèi)用高，應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有望及時(shí)方便地確定交通基礎(chǔ)設(shè)施是否處于預(yù)計(jì)狀態(tài)、檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)的合理程度和長(zhǎng)期運(yùn)行性能，為施工調(diào)整和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)，從而保障交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)的安全性和交通運(yùn)輸?shù)捻槙承訹5-7]。混凝土在高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施中是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一，其應(yīng)力、應(yīng)變和損傷等是反映混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)的重要參數(shù)，因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的這些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)評(píng)價(jià)和安全評(píng)定。傳感元件是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)測(cè)的硬件基礎(chǔ)，現(xiàn)有橋、隧、路等交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用傳統(tǒng)傳感元件或智能傳感元件（或感知材料）實(shí)現(xiàn)（見圖1）。采用這些傳感元件可制作大規(guī)模表面附著式或埋入式傳感分布陣列，從而使基礎(chǔ)設(shè)施的重要構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)具有感知特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警功能。傳統(tǒng)傳感元件主要包括應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)等。雖然這些傳感元件技術(shù)比較成熟，但不適于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。智能傳感元件主要包括光纖、壓電陶瓷、形狀記憶合金或智能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）筋等。然而，由于高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)施工復(fù)雜、服役年限長(zhǎng)、分布范圍廣，大規(guī)模布設(shè)、相容性和耐久性是制約上述傳感元件在交通土建工程中應(yīng)用的共性問(wèn)題[2，8-10]。

圖1 目前基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)的主要傳感元件

本征自感知混凝土（也稱自感知混凝土）的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新選擇。自感知混凝土的組成結(jié)構(gòu)與性能見圖2，自感知混凝土是一種集結(jié)構(gòu)和傳感功能于一體的智能材料，通過(guò)在混凝土中復(fù)合適當(dāng)摻量的功能填料（包括導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料，通常對(duì)混凝土的力學(xué)和耐久性有增強(qiáng)作用）而制成。在荷載作用下，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化引起導(dǎo)電通路變化，導(dǎo)致電學(xué)性能發(fā)生有規(guī)律的改變，從而具有感知特性。因此，自感知混凝土依靠其自身的本征智能特性便能實(shí)時(shí)感知自身的受力和變形。另外，自感知混凝土靈敏度系數(shù)可達(dá)數(shù)百甚至上千，而常用應(yīng)變片的靈敏度僅為2～5[11]。

圖2 自感知混凝土的組成結(jié)構(gòu)與性能

鑒于高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)對(duì)傳感元件的靈敏度、耐久性、相容性、長(zhǎng)壽命等方面的要求，以及工程造價(jià)、維護(hù)等經(jīng)濟(jì)方面的因素，應(yīng)用自感知混凝土是實(shí)現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施自監(jiān)測(cè)與自診斷的一種新途徑。在此，重點(diǎn)闡述自感知混凝土的研究現(xiàn)狀，并對(duì)應(yīng)用自感知混凝土實(shí)現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的展望進(jìn)行探討。

2 自感知混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 材料研究

關(guān)于自感知混凝土（指廣義的混凝土，包括不摻骨料的水泥石和摻骨料的砂漿或混凝土）的最早報(bào)道出現(xiàn)于1993 年，碳纖維被作為導(dǎo)電填料加入到水泥砂漿中，制備的復(fù)合材料在循環(huán)壓縮荷載下的電阻率隨著應(yīng)力/應(yīng)變?cè)龃蠖鴾p小，隨著應(yīng)力/應(yīng)變減小而增大。之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自感知混凝土的原材料構(gòu)成、導(dǎo)電填料種類、制備工藝、感知性能的影響因素、感知信號(hào)的采集、感知性能的表征和產(chǎn)生機(jī)理等進(jìn)行了大量研究。使用較多的填料包括碳纖維、鋼纖維、鋼渣、炭黑、石墨、鎳粉、碳納米管以及不銹鋼微絲等，常用自感知混凝土功能填料的分類見表1，代表性自感知混凝土的感知性能測(cè)試結(jié)果見圖3，典型自感知混凝土在不同變形下的感知靈敏度見表2[12-39]。

表1 常用自感知混凝土功能填料的分類

圖3 摻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變形下的感知靈敏度

2.2 應(yīng)用研究

隨著自感知混凝土材料理論與試驗(yàn)研究的逐漸深入，同時(shí)由于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們對(duì)應(yīng)用自感知混凝土用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行了探討，其代表性結(jié)果，如智能混凝土柱單調(diào)壓縮至破壞時(shí)的感知性能見圖4[40]。目前自感知混凝土在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用研究歸納見表3[9，11，41-43]。

圖4 智能混凝土柱單調(diào)壓縮至破壞時(shí)的感知性能

表3 自感知混凝土在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用研究

（續(xù)接表3）

此外，常用的交通探測(cè)傳感器（包括紅外光電傳感器、感應(yīng)線圈傳感器、微波雷達(dá)傳感器和視頻圖像探測(cè)器等）成本及維護(hù)費(fèi)用高、受天氣影響大、需要額外的支架結(jié)構(gòu)，大大限制了交通信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，自感知混凝土可克服上述不足，使其在交通探測(cè)方面存在廣闊的應(yīng)用前景（見圖5），自感知混凝土在交通探測(cè)方面的應(yīng)用歸納見表4[9，44-46]。

圖5 自感知混凝土應(yīng)用于公路交通探測(cè)

表4 自感知混凝土在交通探測(cè)方面的應(yīng)用

3 應(yīng)用自感知混凝土實(shí)現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題

高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是指掌控高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵結(jié)構(gòu)/構(gòu)件（如軌道板、橋梁、隧道）的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程的事故隱患，并及時(shí)采取措施，這是實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，保障高鐵結(jié)構(gòu)安全、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)，一是需采用能夠完整、長(zhǎng)期、準(zhǔn)確、連續(xù)地獲得信息的傳感技術(shù)；二是對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)快速地傳輸、監(jiān)控與分析；三是及時(shí)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的損傷程度、損傷位置進(jìn)行識(shí)別、判斷并修護(hù)，其中最為關(guān)鍵的是保障結(jié)構(gòu)在安全期的使用狀態(tài)并對(duì)其安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。目前，高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)仍主要通過(guò)外設(shè)傳統(tǒng)傳感器（應(yīng)變片、位移計(jì)及拾振器等）和智能傳感器（光纖、壓電陶瓷、形狀記憶合金或智能FRP 筋）實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)變形、振動(dòng)特性、溫度、支座、基礎(chǔ)沉降等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，這些監(jiān)測(cè)元件存在大量使用成本昂貴、信號(hào)處理程序復(fù)雜、易受外界干擾等問(wèn)題[47-52]。

自感知混凝土具有良好的力學(xué)性能，可直接作為承載構(gòu)件使用，能夠保證結(jié)構(gòu)在安全期的使用狀態(tài)，并具有感知自身的能力而不需要布設(shè)額外傳感器，通過(guò)測(cè)試自感知混凝土電阻的變化可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件在服役期間的應(yīng)力、應(yīng)變和損傷。同時(shí)，自感知混凝土還可被制備成獨(dú)立的傳感器，預(yù)埋或粘結(jié)于需進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要構(gòu)件部位。與已有傳感器相比，自感知混凝土具有靈敏度高、力學(xué)性能好、與結(jié)構(gòu)具有等同的服役壽命以及易布設(shè)、易維護(hù)、相容性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，自感知混凝土用于高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)生于該基礎(chǔ)設(shè)施上的交通狀況，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。因此，自感知混凝土在高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用極具潛力。但自感知混凝土應(yīng)用于高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，還有以下關(guān)鍵問(wèn)題需要開展研究或解決：

（1）由于粗骨料的存在會(huì)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，與實(shí)際工程應(yīng)用的混凝土有區(qū)別。自感知混凝土的感知性能可能受到結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋影響，并且混凝土的高電導(dǎo)可能對(duì)鋼筋混凝土的耐久性存在不利影響。

（2）自感知混凝土電學(xué)信號(hào)受荷載和環(huán)境作用耦合會(huì)影響感知準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行多因素影響的解耦有助于深入評(píng)價(jià)混凝土在不同作用下的服役行為。已有自感知混凝土的感知信號(hào)主要采用體積電阻，其對(duì)疲勞和裂紋等損傷信息的表征能力不足。

（3）混凝土是具有多相、多尺度、非均質(zhì)和時(shí)變等特征的復(fù)合材料，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)是將混凝土視為均勻材料，并根據(jù)外設(shè)傳感元件感知其受力變形進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，以往自感知混凝土應(yīng)用體積電阻率作為感知信號(hào)進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)也是同樣的思路，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)更深層次的自感知，即原位監(jiān)測(cè)。所謂原位監(jiān)測(cè)有3 方面內(nèi)涵：①混凝土材料在真實(shí)服役狀況下的自監(jiān)測(cè)，無(wú)需采用額外的傳感元件；②從混凝土材料性能監(jiān)測(cè)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高層面的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，即從下至上、從源頭的監(jiān)測(cè)；③對(duì)混凝土材料進(jìn)行多尺度的監(jiān)測(cè)，包括水泥水化產(chǎn)物、水泥石與骨料界面等方面的變化。

（4）高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施分布空間廣、安全性和/或平順性要求高、需避免傳感元件介入對(duì)其使用功能產(chǎn)生不利影響，所以原位自監(jiān)測(cè)比其他監(jiān)測(cè)方法更具優(yōu)勢(shì)，但目前應(yīng)用自感知混凝土進(jìn)行高鐵基礎(chǔ)設(shè)施原位監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究還未見報(bào)道。

綜上所述，針對(duì)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，結(jié)合自感知混凝土的性能，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬設(shè)計(jì)自感知混凝土構(gòu)件（如自感知混凝土軌道板、接縫、橋墩、隧道襯砌等），確定自感知混凝土的應(yīng)用形式和布點(diǎn)，進(jìn)而集成原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最終形成基于自感知混凝土的高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成與安全/狀態(tài)評(píng)定方法?；谧愿兄炷猎槐O(jiān)測(cè)的高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施正演評(píng)價(jià)路線見圖6。

圖6 基于自感知混凝土原位監(jiān)測(cè)的高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施正演評(píng)價(jià)路線

此外，自感知混凝土不僅可對(duì)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施自身狀態(tài)和服役行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可對(duì)發(fā)生于該基礎(chǔ)設(shè)施上的交通參數(shù)（如車輛通過(guò)、位置以及密度等）進(jìn)行探測(cè)，從而為交通智能管理以及交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持，是非常值得開展的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。

4 結(jié)束語(yǔ)

本征自感知混凝土是一種材料-結(jié)構(gòu)一體化和結(jié)構(gòu)-功能一體化的智能材料，能滿足高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)對(duì)傳感元件的靈敏度、耐久性、相容性、長(zhǎng)壽命等方面的要求，同時(shí)在工程造價(jià)方面具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。本征自感知混凝土為實(shí)現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施原位自監(jiān)測(cè)與自診斷提供了一種新選擇，其應(yīng)用有助于保障高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)的安全性和交通運(yùn)輸?shù)捻槙承?。另外，?yīng)用本征自感知混凝土構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)的高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施相當(dāng)于長(zhǎng)期試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)，而且是足尺的、現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)于進(jìn)行高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施性態(tài)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，以及指導(dǎo)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和維護(hù)具有重要的科學(xué)與現(xiàn)實(shí)意義。