本征自感知混凝土在高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施原位監(jiān)測中的應用展望

韓寶國，丁思齊，董素芬，倪一清，歐進萍

（1. 大連理工大學，遼寧 大連 116024；2. 香港理工大學，香港）

1 研究背景

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測正愈來愈成為基礎(chǔ)設(shè)施健康與安全的重要保障技術(shù)，也愈來愈成為基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)損傷積累、乃至災害演變規(guī)律研究的重要手段。另外，長期監(jiān)測的基礎(chǔ)設(shè)施是足尺的、現(xiàn)場長期試驗的結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測結(jié)果對于探明結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律、災變行為和安全狀態(tài)具有重要的科學意義[1-4]。高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施造價高、施工復雜、服役年限長、分布范圍廣、災害行為嚴重、檢測和維修周期長且費用高，應用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)有望及時方便地確定交通基礎(chǔ)設(shè)施是否處于預計狀態(tài)、檢驗其設(shè)計的合理程度和長期運行性能，為施工調(diào)整和運營養(yǎng)護提供依據(jù)，從而保障交通基礎(chǔ)設(shè)施運營的安全性和交通運輸?shù)捻槙承訹5-7]。混凝土在高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施中是應用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一，其應力、應變和損傷等是反映混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)的重要參數(shù)，因此可通過監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的這些參數(shù)來實現(xiàn)其狀態(tài)評價和安全評定。傳感元件是實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)測的硬件基礎(chǔ)，現(xiàn)有橋、隧、路等交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測主要應用傳統(tǒng)傳感元件或智能傳感元件（或感知材料）實現(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，進而實現(xiàn)實時監(jiān)測與安全預警功能。傳統(tǒng)傳感元件主要包括應變片、振弦式應變計、應力計等。雖然這些傳感元件技術(shù)比較成熟，但不適于長期監(jiān)測。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復合材料（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)施工復雜、服役年限長、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用的共性問題[2，8-10]。

圖1 目前基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的主要傳感元件

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，通過在混凝土中復合適當摻量的功能填料（包括導電或半導電材料，通常對混凝土的力學和耐久性有增強作用）而制成。在荷載作用下，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化引起導電通路變化，導致電學性能發(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時感知自身的受力和變形。另外，自感知混凝土靈敏度系數(shù)可達數(shù)百甚至上千，而常用應變片的靈敏度僅為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)測對傳感元件的靈敏度、耐久性、相容性、長壽命等方面的要求，以及工程造價、維護等經(jīng)濟方面的因素，應用自感知混凝土是實現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施自監(jiān)測與自診斷的一種新途徑。在此，重點闡述自感知混凝土的研究現(xiàn)狀，并對應用自感知混凝土實現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測的展望進行探討。

2 自感知混凝土研究與應用現(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）的最早報道出現(xiàn)于1993 年，碳纖維被作為導電填料加入到水泥砂漿中，制備的復合材料在循環(huán)壓縮荷載下的電阻率隨著應力/應變增大而減小，隨著應力/應變減小而增大。之后，國內(nèi)外學者對自感知混凝土的原材料構(gòu)成、導電填料種類、制備工藝、感知性能的影響因素、感知信號的采集、感知性能的表征和產(chǎn)生機理等進行了大量研究。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 應用研究

隨著自感知混凝土材料理論與試驗研究的逐漸深入，同時由于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，學者們對應用自感知混凝土用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可行性進行了探討，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)測方面的應用研究歸納見表3[9，11，41-43]。

圖4 智能混凝土柱單調(diào)壓縮至破壞時的感知性能

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

（續(xù)接表3）

此外，常用的交通探測傳感器（包括紅外光電傳感器、感應線圈傳感器、微波雷達傳感器和視頻圖像探測器等）成本及維護費用高、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采集的實時性及準確性，自感知混凝土可克服上述不足，使其在交通探測方面存在廣闊的應用前景（見圖5），自感知混凝土在交通探測方面的應用歸納見表4[9，44-46]。

圖5 自感知混凝土應用于公路交通探測

表4 自感知混凝土在交通探測方面的應用

3 應用自感知混凝土實現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)監(jiān)測的關(guān)鍵問題

高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測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)，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程的事故隱患，并及時采取措施，這是實現(xiàn)預防性維護，保障高鐵結(jié)構(gòu)安全、高效經(jīng)濟運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要實現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測，一是需采用能夠完整、長期、準確、連續(xù)地獲得信息的傳感技術(shù)；二是對監(jiān)測信息進行實時快速地傳輸、監(jiān)控與分析；三是及時對基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的損傷程度、損傷位置進行識別、判斷并修護，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)并對其安全狀態(tài)進行監(jiān)測和預報。目前，高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測仍主要通過外設(shè)傳統(tǒng)傳感器（應變片、位移計及拾振器等）和智能傳感器（光纖、壓電陶瓷、形狀記憶合金或智能FRP 筋）實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)變形、振動特性、溫度、支座、基礎(chǔ)沉降等參數(shù)的監(jiān)測，這些監(jiān)測元件存在大量使用成本昂貴、信號處理程序復雜、易受外界干擾等問題[47-52]。

自感知混凝土具有良好的力學性能，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，通過測試自感知混凝土電阻的變化可實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)/構(gòu)件在服役期間的應力、應變和損傷。同時，自感知混凝土還可被制備成獨立的傳感器，預埋或粘結(jié)于需進行監(jiān)測的重要構(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、相容性好等優(yōu)點。此外，自感知混凝土用于高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施時，還可實時監(jiān)測發(fā)生于該基礎(chǔ)設(shè)施上的交通狀況，進而為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導。因此，自感知混凝土在高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測中的應用極具潛力。但自感知混凝土應用于高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施時，還有以下關(guān)鍵問題需要開展研究或解決：

（1）由于粗骨料的存在會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，與實際工程應用的混凝土有區(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可能對鋼筋混凝土的耐久性存在不利影響。

（2）自感知混凝土電學信號受荷載和環(huán)境作用耦合會影響感知準確性，對其進行多因素影響的解耦有助于深入評價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主要采用體積電阻，其對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)和時變等特征的復合材料，傳統(tǒng)監(jiān)測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而得到結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，以往自感知混凝土應用體積電阻率作為感知信號進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測也是同樣的思路，但無法實現(xiàn)更深層次的自感知，即原位監(jiān)測。所謂原位監(jiān)測有3 方面內(nèi)涵：①混凝土材料在真實服役狀況下的自監(jiān)測，無需采用額外的傳感元件；②從混凝土材料性能監(jiān)測進而實現(xiàn)更高層面的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，即從下至上、從源頭的監(jiān)測；③對混凝土材料進行多尺度的監(jiān)測，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其使用功能產(chǎn)生不利影響，所以原位自監(jiān)測比其他監(jiān)測方法更具優(yōu)勢，但目前應用自感知混凝土進行高鐵基礎(chǔ)設(shè)施原位監(jiān)測的相關(guān)研究還未見報道。

綜上所述，針對高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的目標，結(jié)合自感知混凝土的性能，通過理論分析和數(shù)值模擬設(shè)計自感知混凝土構(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用形式和布點，進而集成原位監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)集成與安全/狀態(tài)評定方法。基于自感知混凝土原位監(jiān)測的高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施正演評價路線見圖6。

圖6 基于自感知混凝土原位監(jiān)測的高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施正演評價路線

此外，自感知混凝土不僅可對高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施自身狀態(tài)和服役行為進行監(jiān)測，還可對發(fā)生于該基礎(chǔ)設(shè)施上的交通參數(shù)（如車輛通過、位置以及密度等）進行探測，從而為交通智能管理以及交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)評價與壽命預測提供數(shù)據(jù)支持，是非常值得開展的一項研究內(nèi)容。

4 結(jié)束語

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)測對傳感元件的靈敏度、耐久性、相容性、長壽命等方面的要求，同時在工程造價方面具有經(jīng)濟優(yōu)勢。本征自感知混凝土為實現(xiàn)高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施原位自監(jiān)測與自診斷提供了一種新選擇，其應用有助于保障高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施運營的安全性和交通運輸?shù)捻槙承浴Ａ硗猓瑧帽菊髯愿兄炷翗?gòu)建可實現(xiàn)原位監(jiān)測的高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施相當于長期試驗的結(jié)構(gòu)，而且是足尺的、現(xiàn)場長期試驗的結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測結(jié)果對于進行高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施性態(tài)評價與預測，以及指導高鐵土建基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計和維護具有重要的科學與現(xiàn)實意義。