机敏混凝土的研究发展方向

机敏混凝土作为一种水泥基本征复合材料，与混凝土结构具有天然的相容性和同寿命性，还具有造价低、可大规模布设等特点，可满足土木工程结构长期健康监测的需要，已成为该领域的热点和前沿研究方向。20世纪60年代，苏联学者率先采用炭黑掺入混凝土中尝试制备了水泥基导电复合材料。由此揭开了功能混凝土研究的序幕。20世纪70年代，Claus等人在复合材料中埋入光纤，使材料具有感知断裂损伤的能力。之后智能材料发展较快，并逐渐引起了世界各国研究工作者的重视。目前智能材料己经在世界范围内成为了材料科学领域研究的热点之一。此后具有电磁屏蔽功能的水泥基复合材料的研究推动了功能混凝土的发展。20世纪80年代末，日本土木工程界的学者着手开发构筑高智能结构的智能建筑材料，提出此类材料要对环境变化具有感知和控制功能。1989年，美国教授D.D.L.Chung提出在混凝土中掺加碳纤维，形成具有多功能特性的智能混凝土。1994年，美国的Dry提出了具有自愈合功能的机敏混凝土，自此正式掀起了智能混凝土研究的高潮。

机敏混凝土是在原有组分的基础上掺加导电型材料，使混凝土本身具有自诊断、自感知和自修复等特性的多功能材料。鉴于这些特性，它可以显著提高混凝土结构的安全性和耐久性，预报混凝土内潜在的脆性破坏。诚如上述，智能混凝土材料的研究正朝着最终的智能阶段发展。然而，就目前的研究水平而言，制备理想的多功能智能混凝土材料尚存在一定困难。但是，国内外在机敏混凝土材料的研究，如混凝土中智能组件的集成化和小型化、开发智能控制材料和实现混凝土材料结构一智能一体化等方面都做了许多有益的研究工作，并取得了一些有价值的成果。机敏混凝土根据所具有的功能主要分为自诊断机敏混凝土、自调节混凝土、自修复机敏混凝土、温度自监控机敏混凝土、自增强机敏混凝土、自感知机敏混凝土等6类：

（1）自诊断机敏混凝土

自诊断机敏混凝土这一概念最早是由日本的Norio Muto等在1992年提出的，它是指混凝土对自身破坏性断裂具有感知能力的一种材料，并且是一种集功能与结构为一体的高性能混凝土材料［4］。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，倘若在混凝土中复合一些导电材料，则该混凝土就具备了本征自感应功能。

下面主要介绍两种当前研究比较热门的自诊断机敏混凝土：碳纤维智能混凝土和光纤传感智能混凝土。前者是在普通混凝土中添加少量具有一定长度的碳纤维和超细填料（如硅灰）构成的碳纤维增强混凝土（Carbon Fiber Reinforced Concrete，简称CFRC，下同）。在普通混凝土中掺入适量的碳纤维不仅能够改善其电学性能，还可以提高材料的强度和韧性，它可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。1992年以前，对于CFRC的研究仅限于其力学性能的研究，结果表明：CFRC比普通混凝土具有更好的抗弯及抗拉强度、抗腐蚀性、抗冲击性和低干缩性等［5］；1992年以后，各国学者在CFRC电阻测试、导电机理、压敏机理、温敏机理以及配比和工艺等方面的研究陆续取得进展。实验表明：CFRC具有感知应力应变、损伤、温度以及电场等功能［6］。碳纤维混凝土除了损伤自诊断外，还可应用于冰冻路面的化雪除冰、防腐蚀钢筋的阴极保护、养殖场及住宅区的采暖结构等。

而光纤传感智能混凝土是在混凝土中的关键部位埋入纤维传感器，以探测混凝土在受载过程中的应力、应变变化，并对由荷载等引起的变形、裂纹等损伤进行实时监测［7］。光在光纤中的传输过程易受到外界环境因素的影响，温度、电场、压力等的变化会引起光波量的变化。如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小，于是出现了光纤传感技术。近年来，国内外已将光纤传感器应用于钢混结构中，对混凝土的硬化过程进行了长期在线监控，相继进行了混凝土结构中裂缝发生与扩展、钢混结构应力应变等内部状态的光纤传感技术的研究。光纤传感器提供了对地面土木工程结构、海底工程结构内部状态的在线监测手段，从而在一定程度上利于结构的整体维护及安全评定。

（2）自调节机敏混凝土

自调节混凝土的功能主要表现为混凝土结构应力分布的自调节和混凝土工程的温度自调节两个方面。机敏混凝土结构可对自身温度进行调节，也可对因温度所产生的应力和变形进行调节。普通混凝土本身是惰性材料，要达到调节的目的，就必须复合具有驱动功能的智能材料，如形状记忆合金。该合金具有形状记忆功能，在混凝土中埋入后，可以利用它对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在结构受到异常荷载时，通过合金形状的变化，使混凝土结构内部产生一定的预应力，从而提高结构的承载力［8］。在20世纪90年代，日本就已经研制了具有调整建筑结构承载能力的自调节混凝土材料，即将形状记忆合金埋入混凝土中，利用其对温度的敏感性和不同温度下恢复母相形状的功能，当混凝土结构受到异常荷载干扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土内部产生应力重分布并产生一定的预应力，从而使混凝土结构的承载能力提高。在混凝土中复合具有电黏性的流体，利用电粘流体的电一流变特性，当混凝土结构受地震或台风等突变荷载袭击时调整其内部流变特性，改变结构的自振频率和阻尼特性以达到减振之目的。

利用沸石中硅酸钙的空隙对水分及其他气体选择吸附的原理，日本学者发明了具有温度自调节功能的混凝土材料，这种混凝土能自动对室内温度进行探测并根据需求进行适当调控。在温度自调节混凝土中，碳纤维混凝土由于具有电热效应及热电效应，因此将其埋入混凝土结构，可对混凝土结构进行温度自诊断，同时还可根据诊断结果实现混凝土结构的温度自调节。图1-1是碳纤维水泥混凝土材料温度自诊断、自适应系统。碳纤维混凝土执行器的温度通过输出的电压信号，经A/D转换器输入到单片机进行信息处理，并判断是否达到所要控制的温度。再由此自适应决定是启动还是关闭碳纤维混凝土执行器两端的电源，以使其度保持定值。在国外，机场道路及桥梁路面的自适应融雪化冰自诊断、自适应碳纤维混凝土已有应用，并取得了较好的效果。

有些建筑物对室内湿度有严格的要求，为了实现湿度的稳定控制，往往需要许多湿度传感器及相关控制系统等。某外国学者成功研制出了一种自动调节环境温度的混凝土材料，该材料的关键组分是沸石粉。沸石粉中的CaSiO3含有许多细微孔隙，这些孔隙可以对H2O、NOx和SOx等气体进行选择性吸附。通过对沸石品种进行精选，可以制备出适用日常生活需要的自动调节智能混凝土复合材料。

图1-1　碳纤维混凝土温度自诊断、自适应系统示意图

（3）自修复机敏混凝土

自修复混凝土是一种对材料损伤破坏具有自愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。自修复混凝土是采用修复胶粘剂与混凝土材料相复合的方法，并对材料损伤破坏具有自修复和再生功能的一种新型复合材料。国内外学者提出了具有自修复行为的智能材料模型［9］：在混凝土中分布许多细小的纤维管道，在管中装有可流动性修复物质，外力作用下导致混凝土出现裂缝时，纤维立即断裂，纤维管道中装有的修复剂会流到裂缝处，并在化学作用下自动实现粘合，提高了开裂部分的强度，从而起到抑制开裂和修复基体的作用。混凝土作为目前用量最大的一种建筑材料，其最大的缺点就是在材料制备过程以及服役期间周围环境的影响下，极易在材料内部产生微裂纹而出现局部损伤。混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是本身物理力学性质决定的。但是，若不能及时修复，不仅会影响材料的正常使用，而且可能由此诱发宏观裂缝并出现脆性断裂。长期以来，混凝土的裂缝一直是学术界和工程界所研究的一个重要课题。国内外发表了大量的有关混凝土裂缝的成因、评估与修补的文献，并取得了许多有价值的成果一。混凝土裂缝自修复是指混凝土在外部或内部条件的作用下，释放或生成新的物质自行封闭、愈合其裂缝。目前已有多种评价、修补混凝土裂缝的方法。

从20世纪中叶起，国内外进行了有关自修复材料的研究，并取得了一些有价值的科技成果［10-11］。如日本的三桥博三教授于20世纪90年代初将内含胶粘剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，分别用水玻璃、稀释水玻璃和环氧树脂作为修复剂，将其注入空心胶囊或空心玻璃纤维中，当混凝土在外力作用下发生开裂时，部分胶囊或空心纤维发生破裂，胶粘剂会流到裂缝中，使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的Carolry Dry［12］将里面装有缩醛高分子溶液的空心玻璃纤维埋入混凝土中，使混凝土产生了自愈合效果。另外，他还尝试了制备仿生自愈合混凝土材料，采用Ca3（PO4）2（内含单聚物）作为基体材料，在其中加入多孔的纤维网，在水泥水化、硬化过程中，多孔纤维释放引发剂与单聚物发生聚合反应生成高聚物，最终形成了与动物骨骼结构类似的复合材料。

而国内对智能材料结构的研究一般都集中在它的自诊断、自适应功能上，对于自修复的研究尚处于刚刚起步阶段［13-14］，与西方发达国家相比还有很大的差距。同济大学姚武［15］研究的仿生自修复智能混凝土是模仿生物对损伤的感知和生物组织对损伤部位愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分，如仿生传感器、含胶粘剂的纤维等，使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统。当混凝土材料内部出现损伤时，仿生传感器可以及时诊断预警，而含胶结剂的纤维会渗入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合。该智能复合材料的研究可实现对混凝土材料的自动诊断、实时监测和及时修复，以超前意识确保混凝土结构的安全性，延长混凝土构筑物的使用寿命。

混凝土作为目前用量最大的一种建筑材料，其最大的缺点就是在材料制备过程以及服役期间周围环境的影响下，极易在材料内部产生微裂纹而出现局部损伤。混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是本身物理力学性质决定的。但是，若不能及时修复，不仅会影响材料的正常使用，而且可能由此诱发宏观裂缝并出现脆性断裂。长期以来，混凝土的裂缝一直是学术界和工程界所研究的一个重要课题。国内外发表了大量的有关混凝土裂缝的成因、评估与修补的文献，并取得了许多有价值的成果。混凝土裂缝自修复是指混凝土在外部或内部条件的作用下，释放或生成新的物质自行封闭、愈合其裂缝。目前已有多种评价、修补混凝土裂缝的方法。下面将简述国内外近年关于混凝土裂缝自修复的理论成果和新技术的研究进展。

混凝土裂缝的自修复原理及其影响因素：

1）结晶沉淀自修复：近代关于混凝土的研究工作及大量的混凝土工程实践经验显示，某些暴露于水环境中的混凝土裂缝能自愈合，水通过裂缝的渗透随构筑物使用时间的增加逐渐减弱甚至消失，这种现象在混凝土结构中是普遍存在的。混凝土裂缝的自愈合以裂缝处有白色的碳酸钙结晶为特征。除了裂缝处碳酸钙晶体的生成及长大外，混凝土内部组成的分解也是混凝土裂缝的自愈合特征之一。其主要原理是在水流或水介质作用下，利用物理、热学与力学过程对混凝土微细裂缝的自修复作用，裂缝中的碳酸钙晶体化学结晶沉淀。在裂缝区形成的碳酸钙+二氧化碳+水物质体系与水泥浆体中的氢氧化钙发生反应产生不溶于水的碳酸钙，碳酸钙与氢氧化钙结晶沉淀，在裂缝中聚集、生长。它由相邻的结晶之间的键合及结晶与水泥浆体和骨料表面的化学黏结组成，裂缝逐渐密封、愈合。

结晶沉淀修复过程是一个自然过程，根据修复机理，可以加速自修复过程。利用结晶沉淀技术进行裂缝修复的混凝土的回复强度较弱。

2）渗透结晶自修复：渗透结晶自修复是利用在混凝土中掺入活性外加剂或在外部涂敷一层含有活性外加剂涂层，在一定的养护条件下，以水为载体，通过渗透作用，使其特殊的活性化学物质在混凝土的微孔及毛细孔中传输，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续发生水化作用，形成不溶性的晶体。混凝土干燥时，该活性化学物质处于休眠状态当混凝土开裂，有水渗入时，该物质继续水化生成新的结晶，对裂缝进行自动填充，实现自修复。

水泥基渗透结晶型防水材料（Cementitious Capillary Crystalline Waterproofing Materials，简称CCCW，下同），是由硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥和精细石英砂硅砂等为基材，掺入特殊的活性化学物质催化剂配制而成的一种浅灰色新型刚性防水材料。水泥基渗透结晶型防水材料，因其防水性能优越，施工简便，工程综合价格合理，环保无毒等原因，已逐渐成为地下混凝土结构防水堵漏工程的主要防水材料。

在1942年德国化学家劳伦兹？杰逊发明了水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）。60年代，此类材料在欧洲、北美、日本得到了进一步地发展。我国80年代起引进水泥基渗透结晶型防水材料，开始应用于上海地铁工程。90年代中期开始国内生产，但关键的活性化学物质仍需进口。鉴于此类材料的优异的防水性能，特别是具有举世公认的可以用于饮水工程的优点，而国内生产企业标准中技术指标较少，试验方法不一致，地域性局限大，极大地影响这种新型防水材料在全国范围内的推广使用。因此，经国家质量检验检疫总局批准，颁布了《水泥基渗透结晶型防水材料》国家标准（GB18445-2001），并于2002年3月1日起正式实施。据文献报道，德国有国家标准，美国还没有制定相应的标准。国际上，通常采用德国的检验标准，或者按“国际修理协会”推荐的修理材料之类似技术要求，指导实施。日本建筑学会制定了日本JASS8T-301《硅酸质系涂布防水材料的品质及实验方法》。

湿气、游离氧化钙和承压水盐分中的化学物质是水泥基渗透结晶型防水材料结晶形成并增长的基本条件。湿气和游离氧化钙这两个要素，如在混凝土的毛细管中始终存在，则防水材料的结晶形成会不间断地进行。若二者缺一，则化学反应中止，而活化了的结晶体潜伏在混凝土的毛细管中。一旦渗漏水再次侵入混凝土，则活化了的结晶体会恢复结晶体增长的化学反应过程，不断充填混凝土中的毛细通路，从而使混凝土致密，增强了抗渗水性能。

渗透结晶修复技术是一种主动激发、自修复的过程。渗透结晶技术进行裂缝自修复的必要条件必须有水或足够的湿度。裂缝自修复的效果主要受裂缝的大小、涂层中活性成分以及混凝土的孔隙率及孔结构等影响。这类修复技术尤其可以显著提高混凝土结构的水密性。但这一类材料对宽度大于0.4mm的裂缝自修复效果不佳。混凝土裂缝的修复能力评价主要考虑自身潜在的修复能力以及外部激发的修复能力。修复效果的评价一般主要考虑强度的回复率、混凝土抗渗试验中的第二次抗渗压力等。

3）聚合物固化仿生自修复：聚合物固化技术对混凝土裂缝的自修复是充分模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到修复的原理。自修复是生物的重要特征之一，其核心是能量补给和物质补给。具有机敏性自愈合能力的仿生自修复聚合物混凝土主要由以下几部分组成：一种内部损坏的因素，诸如一个导致开裂的动力荷载；一种释放修复化学制品的刺激物；一种用于修复的纤维一种修复用化学制品，它能对刺激物产生反应，发生位移或是变化在纤维内部的推动化学制品的因素；在交叉连接聚合体的情况下，使基体中的化学制品固化的一种方法或在单体的情况下干燥基体的一种方法。

根据所采用的聚合物不同，所提出的裂缝自修复原理主要包括空气固化和单体热聚合。聚合物裂缝固化技术的研究主要集中在空心修复纤维如何在基体中的分布和随后的化学修复剂的释放，通过这些化学修复剂密封基体的微裂缝以及使损伤界面重新修复，以达到控制开裂的目的。Dry、Victor等用纤维洞穴存储粘接剂埋植在混凝土中，当建筑物受到外界压力（如地震）影响时，材料内部应力改变而产生裂纹，粘接剂从纤维洞穴流向基质而固化，以修补瞬间产生的裂纹。这一技术被广泛地应用于公路、地基、桥墩。在此基础上，还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料。

国内也有这方面的报道，赵晓鹏等以水泥为基体，加钢丝短纤维组成复合材料，同时嵌入玻璃空心纤维，其内注入缩醛高分子溶液，分层浇注，固化后浇水养护四天。在材料试验机上进行三点弯曲试验，当基体出现裂纹即停止加力，发现有部分纤维管破裂，修复剂流出，经一段时间后，裂口处可形成重新粘合。同济大学在研制自修复智能混凝土的思路是综合了自然愈合、基体增强和有机物释放等机制，在混凝土材料组分中复合活性无机掺合料、微细低弹模纤维和有机化合物，从而在混凝土内部形成自增强、自愈合网络，使混凝土裂缝重新愈合，恢复甚至提高混凝土材料的性能调整有机物的产量，可实现对混凝土材料微裂缝的自行多次愈合。

影响混凝土材料的修复过程及修复效果的主要因素有：纤维管与基体材料的性能匹配是很重要的，通常在基体材料出现裂纹时纤维管也要适时破裂，如采用塑料纤维管装入修复剂嵌入，可发现基体完全开裂而纤维管并未破损的现象，无法实现自修复；纤维管的数量，太少不能形成完全修复，太多则可能对材料本身的宏观性能带来不良影响；修复剂的粘结强度，它与修复后的强度与原始强度的比值有很大关系。此外，粘结质量、粘结剂的渗透效果及管内压力也对自修复作用产生很大影响。

因所释放的聚合物固化的条件不同，其适用的环境也不一样。一般经聚合物固化进行裂缝修复的混凝土的回复强度较高。聚合物固化修复的混凝土的修复效果评价主要从强度回复率、应力一应变曲线以及断裂能几个方面来评价。

4）电解沉积自修复：电解沉积自修复法就是利用电解作用在混凝土表面镀了一层化合物，如碳酸钙和氢氧化镁、氧化锌等来填充混凝土的裂缝，以降低混凝土的渗透性。这些无机化合物的镀层提供了一种物理上的保护层，减少了混凝土内部的气体和液体的流动。因为混凝土本身就是一种导体，在混凝土结构中的钢筋阴极和位于水下的电极阳极之间，施加一种弱的直流电，所以浸泡在水下的混凝土裂缝或表面上就会生成一种坚硬电解沉积层。

电解沉积法裂缝修复技术对海工、水工的裂缝修复十分有利。经电解沉积法处理后的混凝土抗氯离子侵蚀或抗碳化等性能明显提高。因为施加的直流电的电流密度很小，所以不会产生氢氧根离子和碱一骨料反应。沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类及其特性、电流密度、混凝土电阻率及微观结构等因素影响。混凝土裂缝的修复效果主要从裂缝的封闭率和表面涂覆率等方面来评价。(www.xing528.com)

存在问题及发展趋势：如上所述，国内外对混凝土裂缝自修复的理论研究和工程实践已经取得了较大的进展，但面对混凝土工程的重要性、使用的广泛性和混凝土材料的复杂性，混凝土裂缝自修复领域还存在许多问题，具体体现在如下几方面：

1）混凝土的裂缝自修复原理尚未完全得到确认。结晶沉淀自修复中说明了混凝土“裂缝自修复”特性包含了复杂的物理、化学和力学过程。虽然有时在结构设计中考虑了混凝土裂缝的自愈合特性，但是对于混凝土裂缝自愈合的机理及其影响因素还有待于深入研究。

2）许多混凝土的裂缝自修复技术还很不成熟。尽管渗透结晶自修复技术已经应用于包括大坝工程在内的许多混凝土工程中，但是聚合物固化仿生自修复和电解沉积自修复等混凝土的裂缝自修复技术则基本上还处于试验探索和研究阶段，尚无实质进展。因此，应加强工艺技术研究，提高技术的成熟度。

3）加强核心关键技术的开发研究。水泥基渗透结晶型防水材料以其优异的性能受到了国内外用户的青睐。国内许多公司的产品中所含的活性化学物质依靠进口或不具有核心专利技术，导致这些产品价格较高，严重制约了这一高新技术成果在我国的推广应用。

4）研究混凝土裂缝自修复的评价和检测手段。正确评估和检测混凝土裂缝自修复的效果，将对自修复技术的推广应用具有重大意义。

5）自修复特性是智能混凝土不可或缺的主要性能之一。虽然混凝土自修复技术尚有许多关键技术性问题鱼待解决，但是包括自愈合、自修复功能在内的水泥基材料的智能化已成为现代建筑材料的发展趋势。因此，混凝土裂缝自修复的理论和技术的研究将是多功能智能混凝土研究的主要内容之一。

混凝土的裂缝是一项世界性的难题，探索出有效的裂缝控制措施和修复方法是很有意义的。不同原理的混凝土裂缝自修复技术一般仅适用于一定成因的裂缝，并且需要具备一定条件。因此，必须继续深入研究混凝土的裂缝自修复原理和工艺技术。

（4）温度自监控机敏混凝土

碳纤维混凝土具有很好的温敏性。混凝土结构在温度的作用下，内部容易发生收缩变形并产生应力，对建筑结构造成很大危害，为了减弱这种潜在的伤害，就需要对温度进行实时监测。对碳纤维混凝土施加电场时，在混凝土中会产生电热效应。利用此效应，可以实现对机场跑道、桥梁、道路路面等进行自动融雪和除冰的功能［16］；而碳纤维混凝土还会产生热电效应，利用这一效应可以把碳纤维智能混凝土制成热电偶，埋入混凝土结构中，实现对混凝土结构内部的温度分布及变化进行监控［17］。

（5）自增强机敏混凝土

自增强机敏混凝土是指在混凝土中加入某些高分子聚合物后能明显增大结构本身的刚度及硬度，从而在一定程度上能够提高结构的抗震能力。目前，国外学者对掺有高分子聚合物机敏混凝土的研究主要集中在这种混凝土的配合比与制作工艺、力学性能、耐久性，耐腐蚀性以及对已开裂混凝土结构的加固修补等方面。通过试验成功研究了水泥净浆基和水泥砂浆基聚合物混凝土的弹性模量，而对混凝土基机敏材料的研究一直停留在理论阶段，在实际工程中使用较少。此外，对该增强型混凝土结构的动力特性、抗震性能及抗冲击性能等均有待进一步深入系统的研究。

（6）自感知机敏混凝土

自感知功能是智能混凝土必备的本征基本特性之一。传统的水泥基复合材料本身并不具有此机敏特性，但在混凝土基材中复合部分导电相材料后便可使其具有本征自感知机敏特性。目前，常用于水泥基复合材料的导电组分基本可分为三类聚合物类、碳类和金属类，其中最常用的是后两类。碳类导电材料包括碳纤维、石墨和炭黑，金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片和金属网等。也可以同时掺加几种导电材料，如复掺碳纤维与钢纤维。然而目前研究最多的是碳纤维混凝土的压敏效应和温敏效应。

碳纤维混凝土是将短切碳纤维经一定制备工艺与传统混凝土复合制成的复合材料。国内外学者的研究结果表明，在水泥基体中掺入适量碳纤维可以提高其强高和韧性，并显著的改善其他的物理性能，如导电性能。当碳纤维混凝土的初始电阻率在一定范围内时，其电阻率的变化与压力具有很好的对应关系，即可以通过测量其电阻来得到混凝土的应力状态。D.D.L.Chung教授等人首先发现掺入一定形状、尺寸和数量的短切碳纤维混凝土材料，具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。随后的研究表明，碳纤维混凝土压应力与电阻率的关系曲线基本可分为无损伤、有损伤和破坏三个阶段。

碳纤维混凝土具有温敏特性是因为掺有短切碳纤维的混凝土会产生热电效应，其具体表现形式为当碳纤维混凝土试块两端存在温差时，在两端将会产生电位差，其热端为正极，冷端为负极，且随混凝土养护龄期延长，温差电动势趋于稳定。在最高温度为70℃、最大温差为50℃范围内，温差电动势E与温差Δt之间存在较为稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到某一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高。故利用这种材料可实现实时监控建筑物内部和周围环境温度变化。应力、应变感知性能，即压阻特性，是实现自感知智能混凝土为土木工程结构长期健康监测的基础。目前可用于智能混凝土结构的压阻复合材料主要包括聚合物基和水泥基复合材料。由于压阻复合材料感知功能的实现与其电导性能密切相关，而导电复合材料的导电机理相当复杂。因此，科技工作者对其导电机理进行了大量的研究。聚合物基压阻复合材料导电理论的研究工作主要是围绕导电通路如何形成和材料形成导电通路后如何导电这两个方面，并提出了关于压阻复合材料的导电机理模型，其中具有代表性的导电理论有渗滤理论、有效介质理论、量子力学隧道效应理论。事实上，复合材料的导电行为非常复杂，往往是许多导电机理共同作用和竞争的结果。

图1-2　渗滤理论示意图

如上示意图所示，其核心为复合材料中导电粒子的体积掺量存在一个临界值，即渗滤阈值。M.H.ALi等人研究了使用炭黑填充氯丁橡胶复合材料的导电行为，发现复合材料的电导存在渗滤行为，即炭黑体积掺量达到20%后电阻率迅速下降，在渗滤阈值附近电阻率对温度具有很强的依赖性。Fish等人则对聚合物基压阻复合材料的渗滤闭值的大小的影响因素进行了探讨，指出其值大小与导电相和聚合物基体的类型和形态、导电相在基体中的分散状况有关。Frid-El-Tantawy等人采用渗滤理论合理地解释了炭黑填充环氧基导电复合材料的电导率与炭黑掺量的关系。也有学者提出了一些渗滤理论方程对复合材料的渗滤导电行为进行了描述，并将经典统计渗滤模型成功地应用于二元混合体系。但是，渗滤理论虽然对临界掺量处材料电阻率的突变现象给予了解释，但严格来讲，渗滤理论只能应用于绝缘介质电导为零或导电相电阻为零的体系。而在实际体系中，二组分相的电导比率一般不够高，这使得渗滤方程不能够准确地运用到实际体系中。因此，渗滤理论主要可用来解释材料电阻率与导电填料掺量的关系，而且只是从宏观角度来解释复合材料的导电现象。

有效介质理论是一种处理二元无规对称分布体系中电子传输行为的有效方法，其主要思想是将无规非均匀复合材料的每个颗粒看作处于相同电导率的一种有效介质中。有效介质理论分为均一的有效介质理论和非均一的有效介质理论，有学者还提出了一些方程来表示这一理论的一般形式。

量子力学隧道效应理论认为，复合材料导电是靠电子在粒子间的跃迁形成导电网络。Simmoms提出了具有普适性的隧道效应方程。Beek等人也认为隧道效应是导电粒子内部电场发射的特殊情况。认为虽然导电粒子间存在绝缘体，但当导电粒子距离小于10nm时，这些粒子之间所具有的强大电场将诱发产生发射电场，从而导致了电流的产生，即场致发射理论。场致发射理论由于受温度及导电填料掺量的影响较小。因此，相对于渗滤理论和有效介质理论而言，将具有更为广泛的应用范围，且可对许多复合材料的非欧姆特性进行合理的解释。

许多研究者还对聚合物基压阻复合材料压阻特性进行了研究。J.cost团队研究了拉伸对碳黑填充硅橡胶的电阻率的影响，这种影响随着炭黑掺量向渗滤阈值逼近而愈加显著，同时还随应变速率增大而增强。Ji yun Feng等人的研究也发现对乙烯基和四氟乙烯聚合物基炭黑复合材，其电阻率与拉伸变形之间的变化呈对应关系，并且应变和电阻率对数之间为线性关系，结果见图1-3。

图1-3　电阻与拉伸变形关系及模拟结果

A.Celzard等人通过研究还发现在压力小于1.2Gpa时，环氧基石墨复合材料在室温下的电阻随压力增加而下降，见图1-4。掺炭黑聚合物基复合材料的电阻与压缩变形亦有很好的对应关系。还有许多相关研究，在此不一一列举。

图1-4　电阻与应力之间的关系

此外，一些学者还对聚合物基压阻特性模型进行了研究。如Ryvkina等人基于隧道效应理论得到了炭黑粒子间隙电导率与应变的关系，并将间隙视为“导电组分”，按渗流理论模型得到复合材料电导率与应变关系。G.R.Ruschau等人也基于隧道效应理论提出了模型。

（7）自阻尼机敏混凝土

通过实施土木工程结构的振动控制能有效降低其在地震、风等荷载作用下的反应，提高结构的安全性。结构振动控制包括被动控制、主动和半主动控制以及智能控制三个方面。被动耗能减振是一种结构抗风、抗震作用的有效途径。

其原理是在结构中设置阻尼耗能元件和吸振系统，以耗散结构振动的能量，从而降低结构的动力反应。至2000年，北美就已建成了100余座被动耗能减震建筑与桥梁，中国目前也已有少量新建或加固的被动耗能减震建筑，如武汉理工大学的瞿伟廉教授在三层框架结构和12m跨钢析架结构设置了相同数量、相同尺寸和布置在相同位置的单相电流变液ER智能阻尼器，并进行了相同条件下的地震反应分析。结果表明单相电流变液智能阻尼器实现的半主动控制的减震效果比较明显。但是，传统的结构振动控制方法都需要在结构中设置各种阻尼器、隔震垫、耗能元件、传感器和作动器等，这些附加的耗能控制装置和传感元件往往会给予结构附加额外重量，使结构复杂化，并且还需要进行维修和更新，导致成本昂贵。如果后期维护工作或中间环节出现疏漏，使得结构的控制装置在地震、台风等灾害面前发挥不了应有的作用，将会导致巨大的社会灾害和经济损失。

一般的振动控制方法是通过给予结构附加阻尼器，以提高其阻尼比来实现结构的耗能减振。如果能够使材料自身的阻尼系数提高，以获得较大的耗能能力，则不需要附加阻尼器等装置，同样也可以使结构达到很好的抗震减灾效果。钢筋混凝土结构的阻尼比为5%左右。若掺加一些自增强阻尼材料于混凝土中，提高自阻尼材料自身的阻尼系数，则可不附加阻尼装置达到同样的减振效果。掺加的自阻尼材料一般为乳胶、硅灰、甲基纤维素、苯丙乳液、醋酸乙烯等。哈尔滨工业大学的欧进萍等人对此进行了相关研究。结果表明：水泥净浆中掺入30%的乳胶微粒，可以提高构件的阻尼比100%-200%。D.D.L.Chung等人研究发现：在水泥浆体中单独或混合加入20%-30%水泥重量的乳胶微粒，0.4%-0.8%水泥重量的甲基纤维素或15%水泥重量的硅灰，可以极大地改善水泥的阻尼特性。其中，改性后的硅灰对水泥浆体的阻尼增强效果最为显著，能将构件的阻尼比提高到0.18，为普通构件的4倍。掺硅灰水泥浆体的刚度增强效果显著，可以提高构件的刚度到15GPa。

综上所述，智能混凝土对传统的建筑材料的研究、制备、缺陷预防和修复等都提出了极为强烈的挑战。将机敏水泥基复合材料嵌入混凝土结构之中，对实现土木工程结构的损伤自诊断、自愈合和自调节具有重要的工程意义和研究价值。