机敏混凝土与结构健康监测的重要性

混凝土是土木工程中应用最广泛的结构材料，混凝土结构除受到外界载荷影响外，还面临着钢筋锈蚀、冻害、环境侵蚀等三大问题，而重大土木工程结构和基础设施，如桥梁、超高层建筑、大型水坝、核电站等等，它们的使用期长达几十年、甚至上百年，载荷的疲劳效应、环境腐蚀和材料老化等因素的祸合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害的能力下降、甚至引发灾难性的突发事故，不仅造成重大的人员伤亡和财产损失，而且造成恶劣的社会影响。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成使用的许多结构和设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤新建的结构和设施总结以往的经验和教训，也已开始增设长期的“健康”监测系统及振动与损伤控制系统。

结构的健康监测是指利用现场的无损伤的监测方式获得结构内部信息，通过结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。结构的长期健康监测是一种在线监测技术，结构在受到自然的、人为的破坏，或者经过长时期使用后，可通过测定其关键性能指标，检查其是否受到损伤，如果受到损伤，损伤位置、程度如何，可否继续使用及其剩余寿命等。

早期的结构健康监测系统是建立在各种规模的桥梁结构中的。例如，英国在连续钢箱梁桥foyle桥上布设传感器，盆测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。随后结构健康监测系统也渐渐应用到其他土木工程结构中。如日本在一栋允许一定裂缝的大楼上安装了健康监测系统，在一次较大规模的地震后增设了光纤传感器，用以监测结构的完整性与大楼的地震反应。国内跨度最大的悬索桥一润扬长江大桥上安装了一套较为完善的健康监测系统，包括传感器系统、数据采集系统、数据通信与传输系统和数据分析和处理系统，用于对桥梁的健康状态进行实时、在线监测。

目前，对结构监测理论与方法的研究，已取得一定的成果，实现服役结构监测的主要方法有：（1）通过机械波的在结构中的传波或响应情况来实现结构健康状况监测；（2）应用电磁波或电流的在结构中的传波、传导或响应情况来实现结构健康状况监测；（3）通过热在结构中的传导或响应来实现结构健康状况监测；（4）在结构体内植入传感材料、器件或结构自身采用功能材料，以实现结构健康相关参数的直接引出测量；（5）其他方法，如直接观察结构形状、颜色、纹路等直接观察法、应用不同结构材料对X射线的吸收率不同进行结构断面成像的X射线法等。

目前使用最多的监测方法是粘贴电阻应变片法，因为应变片的电阻值稳定可靠，技术成熟。但电阻应变片的灵敏系数太低，且其性能受基底和胶层的影响，使用寿命短，不能实现长期实时、在线监测，因此不能及时发现问题，消除隐患。近年来，智能材料的出现与发展，为研制大规模分布式智能传感元件和监测系统提供了新的途径。碳纤维机敏混凝土就是具有自诊断和自监测功能的智能材料之一，它不仅具有应力自诊断和温度自诊断特性，而且它增强了脆性水泥基体的强度和韧性同时因为它本身就是传感器，所以无须另外埋设、粘贴传感器来监测它持久性好，感应体积大，有很好的力学性能。此外，碳纤维机敏混凝土是一种十分经济的高性能材料，一般仅比传统混凝土成本高30%左右与其他用于混凝土结构智能材料相比，碳纤维机敏混凝土与传统的混凝土材料具有天然的相容性，可制成一种应用于混凝土结构的本征型传感元件。所有这一切，使碳纤维机敏混凝土成为一种引人注目的结构功能一体化材料，引起了科技界的广泛关注。(www.xing528.com)

碳纤维机敏混凝土的功能特性大都基于其导电性，传感特性一也不例外，而且碳纤维机敏混凝土首先必须具有高的灵敏度，良好的线性、稳定性及重复性等等，才能制成符合要求的传感器。为了提高碳纤维机敏混凝土的功能特性，并更好地利用其功能特性，必须了解碳纤维机混棍凝土的导电性及其机理，对此，前人已做过相关研究，但有待深入和系统化机敏混凝土传感器属于无源传感器，研究其传感特性时会涉及供电问题另外，当碳纤维机敏混凝土传感器埋入大坝、桥梁等大型建筑物中时，总是处于三向应力状态，而国内外学者对机敏混凝土传感特性的研究大都是在单向受力情况下进行的，故本文研究的目的在于通过从导电相、导电路径、导电载流子以及供电方式等方面对机敏混凝土的导电性及传感特性进行的研究，以及三向应力状态下机敏混凝土传感特性的研究，更深入、系统地研究机敏混凝土的导电性及传感特性，从而为将机敏混凝土制作成传感器实现对大型土木工程结构的实时、在线健康监测和控制提供新的思路、理论和实验依据。

对机敏混凝土导电性及传感特性作更进一步、更深入的研究与探讨，有利于对具有多种功能的机敏混凝土材料进行研究与开发，用机敏混凝土制作感知结构服役状况的本征型传感器，使混凝土结构能够感知地震、台风、洪水等自然灾害及日常服役时所产生的结构损伤和变形，可望实现对重大土木工程和基础设施进行无损的、实时的、长期的安全健康监测，对水坝、核电站、桥梁等混凝土结构具有重要的意义，具有极其广阔的应用前景。机敏混凝土材料的有效应用将缩小混凝土结构与人类之间的距离，更好的为人类造福。

当水泥基机敏混凝土处于潮湿的环境下时，混凝土中内掺的CCCW材料含有活性化学物质，在水的渗透作用下会形成化学性质稳定的结晶体，可以对该机敏混凝土中的微裂纹进行自修复，从而提高了混凝土的密实度和相关力学性能。此外，CCCW材料的加入还能够提高测量电阻的稳定性，并进而提高压阻特性的稳定性。研究具有自诊断、自修复、自调节功能的机敏混凝土材料，使混凝土结构能够感知因荷载而引起的变形，对重大土木工程结构具有重要的实际意义。机敏混凝土材料能以超前意识确保混凝土结构的安全性，能更好的为人类造福，它可实现对混凝土结构的实时监测和修复，在一定程度上延长混凝土构筑物的使用寿命。因此，研究机敏混凝土材料具有非凡的使用价值。