Research Progress on Application of Self-Sensing Functional Fillers in Concrete Structures
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摘要:
用于健康监测的自感知混凝土材料是结构工程领域的新兴研究热点，但其工程应用和产业化进程还面临着一些挑战. 为进一步促进自感知混凝土在结构健康监测领域的推广和应用，介绍不同导电功能填料的掺量比例、形状特征、二次改性及与其他种类填料混杂等因素对自感知混凝土性能影响的研究，并回顾自感知混凝土功能填料的重要和阶段性成果. 结果表明：自感知功能填料的测试与标定规范尚需完善，不同的测试设备和方法会对检测结果产生明显影响，无法保证结果的可比性；有关自感知功能填料的环境适应性评估较为缺乏，复杂环境条件(温度、湿度、腐蚀等)对材料耐久性和使用寿命的影响很大，材料在实际运营下的长期稳定性欠缺研究；批量生产过程中的品质控制未得到重视：大规模生产的原材料和工艺差异会严重影响产品性能的一致性；实际工程应用案例较少，开展多参数实时监测与多功能耦合的智能自感知混凝土在大型桥梁、隧道等结构中的运营试验，能进一步补充自感知混凝土的相关数据，具有良好的研究前景.
Abstract:Self-sensing concrete materials for health monitoring have emerged as a new research focus in the field of structural engineering, yet there are challenges in the progress of their application and industrialization. To promote the application of self-sensing concrete in structural health monitoring, research on the effects of various conductive fillers on the performance of the concrete from the aspects of the dosage ratio, shape characteristics, secondary modification, and mixing with other kinds of fillers was introduced, and the significant achievements and milestones in the development of functional fillers for self-sensing concrete were reviewed. The results indicate that the testing and calibration standards for self-sensing functional fillers are not well-established. Different testing equipment and methods can significantly influence detection results, making it challenging to ensure comparability of results. Environmental adaptability assessments are inadequate. Complex environmental conditions (temperature, humidity, corrosion, etc.) have a substantial impact on material durability and service life, and there is insufficient research on the long-term stability of materials in actual operation. Quality control during mass production has not received sufficient attention. Disparities in raw materials and processes in large-scale production can severely affect the consistency of product performance. There are limited real-world engineering application cases. Conducting operational trials of intelligent self-sensing concrete with real-time multi-parameter monitoring and multifunctional coupling in large structures such as bridges and tunnels can supplement relevant data, offering promising research prospects for self-sensing concrete.
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近200年来，凭借优异的性能、广泛的原材料来源和低廉的造价，混凝土材料已成为世界上应用最广泛的工程材料. 然而，抗拉强度低、延性能力差、易开裂和易老化等缺陷也是混凝土材料存在的问题[1]. 当前，由于突发的自然灾害（如地震、飓风和海啸等）以及环境侵蚀、材料老化、疲劳效应等，工程结构长期服役中出现的问题所引发的事故不断增加，致使生命财产损失巨大. 因此，学界对工程结构的安全性和防灾抗灾能力愈发关注，期望工程结构能够实现健康自诊断、自适应和损伤自修复等功能，从而获得抵御灾害的能力[2].
为及时发现并修复结构的损伤，延长结构寿命和降低维护费用，结构健康监测系统（SHM）被广泛应用于各类重大工程结构当中，如大跨度桥梁、大型水坝、超高层建筑和海洋平台等[3-5]. SHM技术的发展可分为5个不同的阶段，随着阶段的提升，其复杂程度也逐步增加[6]，如图1所示.
传感器因其快速部署和持续监控的能力极大地推进了SHM技术的发展，具备采集结构应变、应力、裂缝、温湿度和腐蚀等功能的传感器被大量应用于各类工程结构的健康监测中. 然而，传统传感器也存在着许多不可忽视的问题，如使用成本高昂，相比于混凝土结构更为脆弱，与混凝土结构之间的连接方式不稳定，压电性能有限和耐久性不足等[7-8]. 为了克服这些缺点，在过去的数十年中，众多学者一直在寻找更加耐用的、能够替代传统传感器的传感材料，而基于自感知水泥基复合材料所开发的智能传感器则逐渐受到关注.
在20世纪30年代，非本征自感知混凝土第一次被用于监测结构的应力和应变变化[9]. 但由于非本征自感应混凝土的成本过高、耐久性和灵敏度的不足，最终推进了对本征自感知混凝土的研究. 本征自感知混凝土指的是通过掺入适量的导电或半导电材料（如导电纤维或颗粒）到混凝土中，从而使得混凝土复合料的电阻率显著降低来获得良好导电性能的智能材料[10-11]. 当本征自感知混凝土受到荷载作用时，其导电性能会由于内部微观结构的改变而随之产生规律性的变化，从而具备自感知的特性[12]. 此外，相比于灵敏度只有2 ～ 5的传统应变片，本征自感知混凝土的灵敏度甚至能到达上千，因此，能够实时感知和反馈自身的受力状态和变形情况[13].
从1993年起，针对掺入各种导电功能填料赋予水泥基复合材料自感知性能的研究,学者们展开了广泛的探索[14]. 目前，已有部分公路交通和结构建筑领域的应用案例验证了其可行性和可靠性，完成了本征自感知混凝土从实验室测试到实际工程应用的初步转变. 本文将介绍基于导电功能填料所开发的各类自感知混凝土传感器的材料构成、工艺技术、性能表现和使用案例，总结目前已取得的各项研究成果，并探讨其未来在结构健康检测领域中的应用前景和可能面临的挑战.
1. 碳系功能填料
1.1 碳纤维/碳纳米纤维
碳纤维（CF）具备优异的力学性能，在恶劣的环境下也拥有良好的抗腐蚀性和耐高温性. 此外，添加了碳纤维的混凝土结构的电阻率会显著的降低. 自Chen等[14]开创性地将碳纤维加入混凝土中，并通过无损电磁探测来监测结构缺陷以来，碳纤维和碳纳米纤维材料已被广泛地用于制作自感知混凝土. 欧进萍等[15-16]研制了适用于混凝土梁的碳纤维增强聚合物筋（CFRP），并对其弹性模量、抗拉强度和电阻变化率进行了测试，研究发现，CFRP筋拥有良好的力学性能和感知性能，有作为传感器应用于结构健康监测的潜力. 图2为6根CFRP筋测得的电阻变化率-拉应变曲线. 也有学者将碳纤维直接分散到混凝土中. Howser等[17]将碳纳米纤维（CNF）应用于钢筋混凝土柱，并使用SHM设备监测钢筋混凝土柱在反复循环加载下的损伤表现，结果显示，适量使用CNF，提高混凝土柱的强度和延展性的同时可作为可逆应变传感器使用. 随后，Baeza等[18]对碳纤维含量和长径比与混凝土导电性能之间的联系进行了研究，发现对于给定的CF长径比，增加CF含量，混凝土电阻率随之下降；当CF含量相同，增加纤维长度则会增加混凝土电导率.
此外，学者们也对掺量和添加剂以外的其他因素对碳纤维在自感知混凝土中的导电性能的影响展开了研究. Han等[19]对未达到碳纤维渗流阈值的高延性胶凝基质的导电性能和养护龄期、含水量以及温度之间的关系进行了试验，结果发现，基质的导电率随养护龄期的增加而降低，随含水率和温度的增加而增加. 类似的研究也由Xu等[20]进行了证实：相较于环境湿度，温度对压电阻率的影响更明显，且环境温度与电导率之间存在线性回归关系. Ran等[21]对填充了长碳纤维的水泥基复合材料进行了预加热处理，发现复合材料的电导率虽然会随着CF含量的增加而增加，但会因预加热温度的增加而呈现先增加后减少的趋势.
1.2 炭黑/纳米炭黑
炭黑（CB）粒径极小，一般在10 ～ 500 nm，而比表面积却极高，可达50 ～ 300 m2/g，且具有优良的导电性能和较高的化学稳定性. 国内外已有不少文献报道了将炭黑或纳米炭黑（NCB）作为导电材料掺入混凝土以改善其导电性能. 王小英等[22]研究了纳米炭黑水泥砂浆的导电性，研究发现，当CB掺量低于5%时，水泥砂浆的电阻率随炭黑掺量增加而减小，掺量高于5%时电阻率则基本不变. Monteiro等[23]对掺杂炭黑纳米颗粒的工程凝胶复合材料的力学和电学性能进行了评估，结果表明，添加了一定剂量炭黑的复合材料极限抗拉强度有所增加，拉伸应变能力降低，且具有可逆的压阻行为，电阻率变化与压应变呈准线性关系. 针对炭黑会降低普通混凝土拉伸应变性能的现象，Huang等[24]将炭黑和补充胶凝材料（SCM）加入到工程水泥复合材料（ECC）中，试验显示，ECC在电阻率降低了一半的同时平均抗拉应变能力提升了0.84%，极限抗拉强度提高了1.16 MPa，提高了拉伸延性. Dong等[25]将纳米炭黑用熟石灰（SL）包裹，使得复合材料同时具备了自传感和自修复性能，且试验结果表明，纳米炭黑包裹SL能提高裂纹愈合效率，同时加入SL后的复合材料在自愈合前后均表现出更高的压阻率和更稳定的自感知能力. 含/不含SL的NCB水泥基复合材料的压应力传感性能曲线如图3所示.
考虑到相较于碳纤维更加低廉的成本，宿静[26] 通过试验研究发现，炭黑代替碳纤维的比例越大，混凝土的抗压强度、抗折强度以及电阻率越高，但炭黑超过30%后，抗压强度降低，电阻率大幅增加，导电性能明显下降. Dong等[27]通过添加不同剂量的炭黑和聚丙烯（PP）制备功能性胶凝复合材料发现，随着PP纤维的增加和CB颗粒占比的降低，有效缓解了水泥基体炭黑结块的问题，同时CB颗粒之间产生了更多的接触点，使得复合材料的导电性能和抗弯强度得到了提升，抗压强度略有下降，类似的研究和结论也由Guo等[28]进行了证实. 何威等[29]通过设置不同的纳米炭黑Super-P的掺量发现，混凝土的抗压性能随纳米炭黑Super-P的掺量先增后减，电阻率减小的速率随掺量增大而逐步降低. 可见，不论是采用炭黑替代或是单纯增加炭黑的掺量对于提升混凝土的电阻率的效果是有限的，如何通过合理的复掺搭配或是对炭黑进行二次改性处理，从而获得综合性能最佳以及成本最优的方案仍需进一步探究.
1.3 碳纳米管
碳纳米管（CNTs）是纳米级别的材料，具有极小的直径. 由于其纳米尺度的特性，可以更容易地与混凝土基体相融合，在减少对混凝土整体性能影响的同时带来优异的导电性能. Coppola等[30]分别采用表面活性剂和超声波2种方式将碳纳米管分散在水泥基质中，并测试了2种分散方法所制备的水泥基混合物的压阻性能，试验发现，采用表面活性剂的试件具有更好的压阻响应，且在试件的CNTs含量极低的条件下也具备压敏特性.
为探究导电材料的掺量对混凝土力学性能的影响，Danoglidis等[31]对分散良好的0.08、0.10、0.30和 0.50% 质量分数的MWCNTs砂浆进行了试验测定，试验发现基体和分散良好的多壁碳纳米管之间的强界面结合显著提高了砂浆的力学性能，其中0.1 wt% MWCNT的抗弯强度、杨氏模量分别增加近1.9和2.0倍，抗弯韧性、初裂强度分别提高了近1.8倍和1.7倍. 此外，0.10 wt% MWCNT的复合材料具备最大的电阻率变化值（10.60%）和灵敏度，可见实质上影响碳纳米管在自感知混凝土中各项性能表现的重要因素是分散的效果，材料的掺量多少并非是最主要的影响因素. 试验中用于测量压阻率的试验装置如图4所示.
此外，除开采用检测自感知混凝土的电阻率和压阻率来反映出外部荷载的变化，通过检测材料的电位变化也是一种检测手段. 李庚英等[32]采用电化学快速腐蚀法研究掺量为0.10%和0.50%质量分数的碳纳米管的钢筋混凝土在5%氯盐环境下的各项性能，研究表明，少量CNTs会降低导电性，保护钢筋不被腐蚀，而掺量较大时会提高混凝土腐蚀电流强度，导致钢筋混凝土开裂破坏速度提升. 由此可见，传统钢筋混凝土的钢筋腐蚀和自感知导电材料的结合尚需解决钢筋的腐蚀问题. 目前，针对基于碳纳米管的自感知混凝土在静力加载下电阻变化的研究已有很多，而对于其循环往复加载和冲击加载下自感知混凝土的性能表现和使用寿命的研究相对较少. Dong等[33]研究了交替加载和冲击荷载对碳纳米管水泥基复合材料的力学和压阻性能的影响，试验表明，冲击荷载会引起复合材料的电阻率突变，在相同冲击的多次作用下，电阻率的增长幅度会逐渐减小，且复合材料在进行了冲击处理后，在循环加载下会有更稳定和均匀的电阻率变化. 随后，Yang等[34]也在研究中发现碳纳米管水泥的电阻率会随着循环加载次数的增加而增大，碳纳米管自感知混凝土材料的疲劳寿命还有待深入研究.
除开直接使用外，对碳纳米管二次处理进一步提升自感知复合材料各项性能也有学者进行了深入的探究. Safari Tarbozagh等[35]对含0.02%碳纳米管的混凝土施加交变磁场和压缩荷载来进行磁化处理，和未进行磁化处理的含0.04% CNTs的混凝土相比，磁化后的CNTs混凝土抗压强度更高，且由于磁化处理可以改善CNTs在混凝土中的分散和取向，其导电性能也更好，能够有效降低CNTs的用量和成本. 李振东等[36]在桥墩的连接节点处使用等离子体改性碳纳米管（P-CNT）混凝土，研究其在低周往复作用下P-CNT混凝土的电阻变化. 研究表明，P-CNT混凝土具有良好的力学和压敏性能，且电阻值能随节点处混凝土破坏程度的加重同步突增.
1.4 石墨粉/石墨烯
石墨粉是一种细粉末，主要由碳元素构成，其具有良好的导电性和导热性，且耐高温，化学性质稳定. 石墨烯是由碳原子单层构成的二维材料，具有出色的导电性和机械强度. 石墨材料由于其相对低廉的成本和良好的导电性能，近年来愈发受到来自自感知混凝土研究领域的关注. 吴献等[37]于2005年采用直流电路法测试了石墨混凝土试件的导电及受力性能，发现电阻率可随应力同步变化，能够反映出混凝土的损伤. 贾治勇等[38]研究了掺入石墨的复合混凝土的机敏特性，发现混凝土的体积电阻率和抗压强度随石墨掺量的增加而降低，吸水率则有所提高. Saafi等[39]研究含有原位还原氧化石墨烯（rGO）的飞灰基土聚合物复合材料的自感知能力发现，rGO片材显著降低了复合物的孔隙率增加了电导率，在循环荷载作用下其测得的应变和传统应变片的变换模式一致. 蒋华林等[40]制备了石墨烯水泥基复合材料，研究了石墨烯掺量，水灰比、养护龄期和含水量对体系电导率的影响，研究发现，水泥基体的水灰比对石墨烯复合材料的渗流阈值无明显影响，且当石墨烯掺量超过渗流阈值后，养护龄期和含水量对体系电导率影响甚微.
由于大部分直接使用石墨粉的自感知混凝土材料达到渗流阈值所需的石墨掺量都较高，部分学者对减少石墨用量和节约成本展开了研究. 甘伟民等[41]采用交流分压电路对掺量为1%和3%的石墨水泥基材料进行压敏试验，结果显示，材料具有一定程度的压敏特性，但是对于测量仪器有较高的要求. 张晏清等[42]通过在石英砂表面包裹石墨粉制得了覆导电膜骨料（CFCA），相较于普通石墨导电水泥，达到导电渗流阈值所需质量分数为20%的石墨掺量，仅需质量分数为3% ～ 4%的覆导电膜骨料水泥，且抗压强度和抗折强度都显著提高. 图5为覆导电膜骨料水泥和普通石墨水泥的抗压、抗拉强度和导电率对比. 为了在减少石墨用量成本的基础上进一步减小石墨对力学性能的影响，Frac等[43]通过对放置于含表面活性剂的水溶液中的石墨使用超声波，剥离出膨胀石墨颗粒，并将膨胀石墨和表面活性剂掺入到水泥砂浆中，制成自感知复合材料. 经测试，复合材料质量分数的的渗流阈值仅为2%，在大幅减少石墨用量的同时对复合材料的力学性能削弱较小，可满足工程需求. 同样出于减少石墨烯成本的考虑，Jiang等[44]研究了易于加工以及更低成本的石墨烯纳米片（GNPs）水泥复合材料的电学性能和压阻特性，测得了其渗流阈值约为7.5%，且在GNPs掺量超过5%时复合材料在循环压缩荷载作用下能具备良好的压阻性能. Pei等[45]通过一步液剪剥离法制备了石墨烯和聚乙烯醇的分散体，在保证复合材料能获得良好的压电性能的同时大幅降低了成本.
Li等[46]为证实分散质量对自感知混凝土的重要性，用X射线微计算机断层扫描（μCT）分析了氧化石墨烯（GO）在水泥浆体中的实际分散情况，发现GO纳米片在不使用分散剂的条件下在水泥浆体中形成了横向尺寸可达几百微米的GO团聚体，只有少量GO纳米片吸附在水泥颗粒和水化产物表面，导致GO水泥浆体的导电性能不理想. Tao等[47]利用三聚氰胺分散剂制备了含量为0～1%的石墨烯纳米片砂浆，并探究了GNPs对水泥砂浆的孔隙率、力学性能和压阻性能的影响，结果表明，GNPs含量越高，水泥砂浆总孔隙率越大，且砂浆的抗压强度和抗折强度都随GNPs的含量增加而呈现先增加后减少的趋势，其原因是由于低含量时GNPs分散良好，能起到增强作用，而高含量时会出现严重团聚现象导致性能下降. 可见，目前的分散剂虽能对改善分散质量起到一定的积极作用，但面对高含量的GNPs水泥砂浆时仍有不足.
除开自感知混凝土材料本身各项参数对力学和电学性能的影响，环境因素和外部荷载对自感知混凝土传感器的作用也不可忽视. 赵昕等[48]通过四电极法测试了不同环境湿度和环境温度作用下6组石墨烯复合材料电阻率的变化，结果表明，复合材料的电阻率会随相对含水量的减少而增加，环境温度的升高则会导致复合材料的电阻率呈对数式下降. 相对含水量和环境绝对温度对石墨烯水泥基复合材料的电阻率影响曲线如图6所示，可见环境湿度和温度对石墨烯复合水泥基材料的影响较为明显.图中：ρ为电阻率，T为环境绝对温度.
为研究暴露于腐蚀性环境下的自感知混凝土传感器的性能退化情况，Dong等[49]将石墨烯纳米板水泥基复合材料在不同浓度下的硫酸溶液中分别浸泡90d和180d，并对浸泡前后复合材料的力学和压阻性能进行了比较. 研究表明，硫酸浸泡后复合材料的孔隙率提高，抗压强度大幅降低，且压阻性受到显著影响，线性和重复性显著劣化. 为了满足处于湿度较高环境下仍能稳定工作的传感器需求，Dong等[50-51]使用石墨烯纳米板和疏水硅粉、三氯硅烷基表面改性方法开发了集成自感知和疏水能力的多功能水泥基复合材料. 与传统的水泥基传感器相比，复合水泥材料的机械强度和抗渗性得到提升，吸水率大幅降低，在渗透水的作用下复合材料的压阻性能波动较小，拥有更好的稳定性. 在高海拔地区，冻融循环是威胁混凝土结构的重要因素之一. Qureshi等[52]为获得拥有优异抗冻融性能的自感知混凝土，将聚丙烯酸钠（SP）和石墨烯纳米板结合研制多功能混凝土. 得益于SP的自封闭能力以及和GNPs的协同作用，复合混凝土在冻融条件下受氯离子渗透的深度相比普通样本减小了42%，并在抗压强度增加6%的同时展现出了自感知能力.
碳系功能填料历经多年发展，已经逐渐研发出多种导电性能佳，稳定性好的导电材料，在自感知混凝土领域中扮演着重要角色. 然而，部分新型碳系填料面临着使用成本高，制备工艺难的问题，限制了其进一步开展大规模的工程应用. 此外，碳系功能填料和混凝土基质的界面结合以及在基质中的分散质量也是需要攻克的课题，未来需要在继续优化体系配方的同时，进一步对自感知混凝土在复杂环境下的长期稳定性展开研究，以评估其在实际运营条件下的使用寿命.
2. 金属系功能填料
2.1 钢纤维/不锈钢微丝
钢纤维（SF）作为混凝土常见的增强材料，可以在提高混凝土抗拉强度和韧性的同时改善混凝土的抗裂性能，而不锈钢微丝的引入则更是提高了混凝土的抗腐蚀能力. 此外，钢纤维和不锈钢微丝都能在混凝土中形成导电网络，有助于提高混凝土的导电性能，成为自感知混凝土的优良填料. Banthia等[53]对不同比例的复合材料进行了测试，发现在单一纤维复合材料中，虽然钢纤维本身的导电性远高于碳纤维，但由于碳纤维极细的尺寸使得其在复合材料中拥有更好的连续性，从而导致钢纤维复合材料的整体导电性能要弱于碳纤维复合材料. 魏小胜等[54]在2006年测定钢纤维水泥基材料在早期水化期间的电阻率发展特性发现，液相离子导电和钢纤维电子导电是构成钢纤维水泥基材料导电机理的重要因素，且两者主要受基体电阻率和钢纤维掺量的影响，其中基体电阻率主要由孔隙率和孔中液相饱和程度影响，而钢纤维则能显著降低材料的电阻率. Teomete等[55]设置了5种18组不同含量的6 mm钢纤维水泥复合材料样本，并进行了劈裂拉伸试验来测试复合材料的自感知性能，结果显示，复合材料的应变系数几乎为传统金属应变计的
2600 倍，SF复合材料具有作为应变和损伤传感器的潜力.针对钢纤维进行二次处理从而提高其力学、电学性能和化学稳定性的研究一直是自感知混凝土领域的热门方向. Sun等[56]开发了一种掺有涂覆体积分数为0.5%的黄铜钢纤维的水泥基应变传感器，并在超高强度混凝土柱中进行了测试. 试验表明，水泥基传感器具有120 MPa以上的抗压强度，且压阻响应噪音小，稳定性强，可感知混凝土柱的应变和应力变换. Song等[57]对不同钢纤维含量下应变硬化型钢纤维水泥基复合材料的自感知性能进行测试发现，复合材料的渗流阈值为1%，且材料的电导率和抗拉强度随SF含量的增加而增加. Qiu等[58]分别将不锈钢纤维（SSFS）和镀铜钢纤维（CCCSFs）掺入超高性能混凝土（UHPC），用于比较2种样本的力学、电学和自感知性能. 研究发现，掺入质量分数1.2%的CCSFs大幅提升了UHPC的变形性能，峰值压应变提高了33.7%，应变敏感系数达到28.2，掺入质量分数1.2t% SFS的UHPC的应变敏感系数也能达到26.6，具有优异的自感知性能. 不锈钢SFS-CCSFs超高性能混凝土在单调压缩荷载下的传感机理如图7所示. Wang等[59]对不锈钢纤维活性粉末混凝土（SSFS-RPC）的力学性能进行研究发现，SSFS-RPC的渗流阈值为0.4%（体积分数），其导电率、抗压和抗压强度均会随着SSFS掺量的长径比的增加而增加，且在混凝土中定向排列的SSFS相较于随机排列表现出更好的压阻性能.
也有学者对环境因素对钢纤维水泥基复合材料性能的影响开展了研究. Teomete等[60]测定温度和含水量对钢纤维水泥基复合材料的电阻和应变敏感性的影响发现，当温度升至200 ℃后，复合材料会因为水泥浆、骨料和SF之间的应变发生损伤而导致电阻迅速增大，而当含水量从9.94%降至9.00%时，复合材料的电阻则会因为纤维间的接触增加而减小，应变敏感系数增大；当含水量低于9.00%时会因为微小孔隙中作为电解液的水分损失而导致电阻上升，应变敏感系数减小. 钢纤维水泥基复合材料随湿度变化而改变电阻的特性，使得其有望在基础、桩柱等暴露于河岸和近海环境的结构部件中作为湿度传感器来监测混凝土结构的湿度变化，但对于超高性能混凝土而言，相对湿度的影响则不太显著. Le等[61]研究温度和相对湿度对钢纤维型UHPC以及钢渣型UHPC导电性能的影响发现，由于UHPC高密度的基质，相对湿度对2种UPHC复合材料交流阻抗的影响可以忽略不计，随着温度的升高，2种复合材料的电阻率明显下降，且钢纤维型UHPC的温度敏感性要高于钢渣型UHPC. Wang等[62]对不锈钢纤维活性粉末混凝土进行了300次冻融循环和20次3.0%氯化钠溶液的干湿交替处理，以研究RPC中SSFS的性能损伤和材料腐蚀，结果表明，SSFS-RPC拥有较好的抗冻融性能，而长径比越大、SSFS掺量越大的RPC，其在冻融循环和干湿交替下的抗电阻衰减性越好，掺量为1.2%（体积分数）、SSFS长径比为150的SSFS-RPC耐久性和压阻性最好.
钢纤维的形状和剥离程度不仅会影响复合材料的力学性能表现，对电学性能也有着显著影响. Le等[63]通过多钢纤维拔出试验，研究水泥基体开裂和纤维-基质剥离对高性能纤维增强水泥基复合材料电阻率的影响发现，复合材料的电阻率在基体开裂后立即下降，在钢纤维完全剥离后到达最小值，随后随基质空隙和裂缝滑移程度的增加而上升. Nguyen等[64]在宏观、中观、微观三个维度上设计了扭曲、弯曲、平滑共计6组不同钢纤维形状的钢纤维混凝土样本，比较其拉伸强度和自感知能力的表现，结果表明，SF掺量相同时，中观扭曲的钢纤维混凝土表现出了最高的拉伸强度和自感知能力.
不锈钢微丝（SSW）表面粗糙，能与水泥浆体牢固结合，具有极高的抗拉强度和延展性，且自身电阻率远低于钢纤维，目前，随着生产工艺的成熟，使用成本也有所下降，使得其逐渐被应用于自感知混凝土领域. Dong等[65-66]将不锈钢微丝引入到活性粉末混凝土中，用于研究其作为自感知混凝土材料的各项性能. 研究发现，RPC的电阻率随SSW的含量和直径的增加而减小，复合材料在循环加载作用下的应变敏感系数能达到22.5，单调受压和受弯系数则分别能达到94.9和43.6，且能有效提高RPC的断裂韧性，细化裂缝. 为了利用钢丝和钢纤维的协同作用，Wang等[67]将钢丝和钢纤维混杂应用于超高性能混凝土中，也有效地降低了UHPC的电阻率，使得其在监测初始裂缝的能力更加稳定灵敏.
2.2 镍 粉
镍粉可以提高混凝土的耐久性和抗腐蚀性，且同样能增加混凝土的导电性. 韩宝忠等[68-69]于2008年探讨了镍粉水泥基复合材料的压敏性，发现所制备的复合材料具有优异的压敏效应，且压敏性灵敏度要高于碳纤维和炭黑水泥基复合材料，推测是由于量子隧道效应导致. 随后，韩宝忠等[68-69]测试了不同形状和不同掺量下镍粉水泥基复合材料的电阻率变化，研究发现，复合材料的导电性随镍粉掺量的增加而提高，相同掺量时，链状镍粉复合材料的导电性优于球状镍粉复合材料；刺球状镍粉复合材料导电性和压敏性优于光滑球状镍粉材料，且导电性随粒径较小而提高，压敏性降低.
除开自感知混凝土本身性能的试验和测定，配套的测量和分析系统的搭建也是自感知混凝土结构健康监测系统的重要组成部分. 喻言等[70]开发了一种机敏镍粉水泥基材料以及配套的无线应力应变测试系统，并通过试验验证了机敏镍粉水泥基材料的电阻率随应力、应变变化的高灵敏度和高分辨率，适用于结构健康监测. 王云洋等[71-72]采用有限元软件分析了埋入式镍粉自感知混凝土传感器的尺寸、电压电极间距、表面粗糙度和埋入位置及角度对周边混凝土应变、应力协调性的影响，提出最适合的尺寸和电极间距，埋入位置应深入中心，传感器表面需尽量粗糙，但实际应用于混凝土结构中时仍需对设置进行修正.
由于普通镍粉水泥基复合材料的渗流阈值较高，使用的镍粉掺量一般需要达到体积分数的20%左右. 为减少镍粉的用量，Tian等[73]研究磁化链状镍粉水泥基复合材料的电学和力学性能发现，在磁场作用下复合材料的电阻率显著下降，且仅需较低掺量的镍粉即可达到渗流阈值，通过调节磁场强度的大小和持续时间还可进一步优化镍粉形成的导电网络，提升导电性能. Jiang等[74]则在玻璃纤维表层覆盖上一层晶态镍层，并采用磁场诱导镀镍纤维（Ni-GF）在水泥基中的排列取向，从而将Ni-GF复合材料的渗流阈值进一步降低到了体积分数的1.96% ～ 3.28%，并在Ni-GF掺量达到2.62%（体积分数）时获得了最大敏感系数和电阻率变化系数，在具备良好的稳定性和重复性的同时减少了镍粉用量.
由于镍粉的性质，其在施工和制备复合材料的过程中容易造成空气、水体和土壤方面的污染，且镍粉对人体有害，对施工人员的健康安全也存在潜在威胁. 大规模制备镍粉类自感知混凝土需要着重考虑环保和安全问题.
2.3 其他金属/金属氧化物
部分金属粉（如银、铜、铝）和一些金属氧化物（如纳米TiO2、Fe2O3，ZnO）等也具备导电性，在自感知混凝土中也有所应用. Oh等[75]对聚乙烯纤维进行了镀银处理，并测试其对高强度应变硬化水泥基复合材料电学性能的影响，试验结果显示，与普通聚乙烯纤维相比，镀银纤维有效地提高了复合材料的导电性并实现自感知能力，但其拉伸性能有所降低. Le等[76]将不同功能填料添加到智能超高性能混凝土中，用于测试其提升复合材料自感知能力的效果，研究发现，细钢渣集料、镍集料和铜集料能有效提高复合材料的电导率，且含有铜集料的复合材料电导率最高. 韩宝国等[7]将2种不同相的纳米氧化钛加入水泥石中测试其电阻率变化发现，掺入锐钛相纳米氧化钛的水泥石在压力下的电阻变化率在10%左右，而掺入金红石相纳米氧化钛的水泥石不具有压敏性. 熊国宣等[78]则采用超声波对水泥中的纳米TiO2进行分散，使得在纳米TiO2掺量为5%（质量分数）时复合材料的导电率达到了57.0 × 10–3 S/cm，且纳米TiO2在水泥基中稳定性良好. Hemalatha等[79]利用铜渣作为导电细骨料代替传统细骨料制成了导电砂浆，由于铜渣中所含Fe2O3较高，使得复合材料的导电性获得了提升，同时铜渣复合材料的抗压强度也比传统材料更高. Wang等[80]考察了掺入活性碳粉（ACP）和纳米氧化锌混合物的胶凝复合材料的电学和压阻性能，与碳纤维增强胶凝复合材料相比，ACP/纳米ZnO复合材料虽然灵敏度稍逊于碳纤维复合材料，但压阻响应的线性和重复性更具有优势.
相较于碳系材料，单独将金属类材料作为自感知混凝土的功能填料大多面临着成本高昂、环境污染和材料来源不同导致的性能差异等各种问题，限制了其在自感知混凝土领域中的发展. 未来的研究中将金属系填料作为辅助增强型材料应用到复合材料中将会进一步拓宽其研究前景.
3. 复掺型功能填料
3.1 纤维类
纤维类的复掺填料多为碳纤维、碳纳米管、钢纤维和聚乙醇纤维间的组合，通过掺入2种或3种纤维材料，可以有效提升自感知水泥复合材料的各项性能表现.
王桂明等[81]研究碳纤维和钢纤维混杂水泥基复合材料的电学性能发现，当碳纤维在水泥基中形成了基本导电通路后，加入钢纤维可强化导电网络的导电性，从而大幅降低复合材料的电阻率. Konsta-Gdoutos等[82]测定由0.1%、0.3%（质量分数）碳纳米管和碳纳米纤维组成的复合材料电阻率，发现复合材料的电阻变化灵敏度增加，且电阻率也进一步降低. 左俊卿等[83]进一步研究碳纳米管掺量对复掺碳纤维和碳纳米管复合材料的传感性能的影响发现，当CNTs掺量较低时，复合材料的压敏传感线性度和重复性均随CNTs掺量增加而提升，而当CNTs掺量超过0.5 wt%时则会下降. Abedi等[84]将0.17 wt%的碳纳米管、石墨烯混杂物和0.75%的碳纤维掺入水泥基中，发现复合材料的各项性能得到了显著改善，具体表现为包含了CNTs、GNPs和CF的复合材料的未固结抗压强度提升了96%；渗透系数受干湿循环影响降低了71%，与单独使用CF和CNT/GNPs相比，应变敏感系数分别高出了3.6倍和1.3倍，电导率和压阻行为也得到了改善.
Wang等[85]对在磁铁矿骨料制成的胶凝复合材料中复掺碳纳米管和碳纤维，并使用单一填料进行了对比和评估，发现单独掺入CNT无法形成连续的导电网络，且随着CNT掺量增加，容易因团聚现象导致信号噪声增大；复合掺入0.5%（质量分数）的 CF和0.05%（质量分数）的 CNT则能产生协同效应，优化CF形成的导电网络并能将电阻率降低至250 Ω•cm，比单独掺入CF低60%以上. 同时压阻响应的线性度、可重复性和信噪比都得到进一步的提升. Ding等[86]对一种在碳纤维上原位生长碳纳米管的新一代自传感胶凝复合材料（SSCCs）进行研究发现，这种由CF-CNT构成的互反结构不仅能改善CNT的团聚现象，同时还由于优异的协同效应和空间形态形成了多尺度增强网络，极大地增强了SSCCs的导电性能和应变灵敏度，并在一根磁悬浮梁中进行了裂缝损伤监测的测试，验证了其自感知性能. 图8为原位生长CF-CNT的制备过程.
3.2 纤维与颗粒类
纤维与颗粒类的复掺填料大部分由石墨粉、炭黑和镍粉等与其他纤维类材料构成. 通过引入颗粒型功能填料，可以弥补单一纤维型功能填料在基质上出现的分散性差和分布不均匀的缺点，同时，相比于单一颗粒型功能填料，纤维的存在也能起到骨架作用、固定颗粒的位置、减少团聚和沉降的发生.
洪雷等[87-88]采用钢纤维和石墨作为导电相，制备了石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土，发现相比单石墨导电相高达20%（质量分数）的渗流阈值，钢纤维和石墨的双导电相中石墨的渗流阈值范围仅为2% ～ 6%（质量分数），虽然每增加1%（质量分数）石墨会使复合材料抗压强度下降3% ～5%，但复合材料的电阻率最高降低了约100倍，有效节约了石墨掺量和提高了混凝土导电性能，可对结构损伤进行监控. 范晓明等[89]将1%（质量分数）碳纤维和30 wt%的石墨复合掺入水泥中，验证了复合材料的压阻变化能呈近线性关系，具备较稳定的导电性能. Ding等[90]采用钢纤维、炭黑和碳纤维组成的复数导电相混凝土进行了自感知性能测试发现，添加了SF和CB双相导电剂的混凝土的灵敏度比添加单相导电剂SF和三相导电剂SF + CB + CF的混凝土更高，且噪声信号更低. Hussain等[91]则是对纳米炭黑（NCB）和钢纤维、碳纤维的组合进行了探究，发现和CB + SF + CF的组合不同，添加NCB + SF + CF组成的三相导电剂的混凝土的电阻变化分数比添加SF + NCB双相导电剂的混凝土更高. 这可能意味着在纤维和颗粒类功能填料组成的复相导电剂中，颗粒的尺寸大小会由于影响了在水泥基中的分散质量而导致导电性能的变化.
Lee等[92]通过试验分析了炭黑、镍粉、石墨粉和钢渣粉4种不同的导电粉分别掺入超高性能钢纤维混凝土后的自感知性能，结果表明，在综合考虑抗拉强度下降趋势、电阻变化分数、拉伸行为模拟和验证结果的条件下，10%（质量分数）掺量的镍粉和5%（质量分数）掺量的石墨粉能满足自感知性能的需求. Han等[93]对添加了纳米炭黑、碳纤维和聚乙烯醇纤维（PVA）的自感知高延性水泥基复合材料（HDCC）进行了力学性能和压阻效应的测试，结果表明：HDCC的抗压强度与CF的掺量成反比，随着NCB的掺量增加，HDCC抗压强度先增后减，掺入PVA纤维可有效提升HDCC极限拉应变；而在HDCC掺入的复相导电剂中，CF构成了导电网络的主体，利于提高HDCC的应变灵敏度和信号线性度，NCB起辅助作用，用于提高信噪比. 刘金涛等[94]用四电极法试验了三维石墨烯-碳纳米管（G-CNTs）双相导电剂水泥浆的电阻率变化，发现G-CNTs水泥浆的渗流阈值为0.8%（质量分数），电阻率随G-CNTs掺量增加而下降，当G-CNTs掺量为1.2%（质量分数）时复合材料的应力敏感系数为2.3%/MPa，应变敏感系数为291，具有稳定的压敏特性. 张立卿等[95]通过静电自组装将碳纳米管和微尺度二氧化钛组合，有效改善了CNT在水泥基质中的分散质量，在CNT掺量为2.4%（体积分数）的条件下使得复合材料的电阻率降低了99.8%，在循环荷载作用下的电阻率变化率达到了49.23%，并拥有8.21%/MPa的应力灵敏度和812的应变灵敏度，展现了极高的自感知性能. 但其在研究中发现，复合材料的含水率会显著影响其各项感知性能，后期针对如何降低环境因素对CNT/TiO2水泥基复合材料的影响还需要进一步的探究. CNT/TiO2水泥基复合材料的导电机制如图9所示.
3.3 颗粒类
颗粒类复掺型导电功能填料在自感知混凝土中主要由碳基、金属类填料组成，通过复掺不同种类、尺寸和形态的导电颗粒，可以形成更有效和稳定的导电网络，让自感知混凝土拥有更好的加工性和耐久性，并能减少单一昂贵填料的使用成本.
陈宁等[96]研究空心粉煤灰微珠、镍锌铁氧体和炭黑的组合对水泥基复合材料性能的影响发现，当炭黑和粉煤灰掺量达到10%（体积分数）时，复合材料的电阻率大幅下降，验证了炭黑和粉煤灰复掺的复合材料中形成了有效的导电网络和导电链. Rovnanik等[97-98]将石墨粉和碱激发矿渣结合成混合导电填料，随后进行电学性能测试发现，当石墨粉掺量为10%（质量分数）时复合材料的电导率达到最高，传感灵敏度相比未添加前提升了3倍，在干燥状态下，石墨粉和碱激发矿渣的复合砂浆的电阻率和掺入相同石墨粉掺量的硅酸盐水泥相比低约10倍，但抗折强度会发生明显下降，且电阻率受含水饱和度影响较大. Mizerova等[99]以粉煤灰地聚合物为基材，添加不同掺量的炭黑后进行复合材料压阻性能的测试，测试发现炭黑掺量为0.5%（质量分数）时复合材料的自感知性能最好，且炭黑的加入能将粉煤灰地聚合物的物理性质从准脆性向相对延性转变.
4. 回收型/替代型功能填料
随着社会和科技的不断发展，开发型回收、替代型自感知混凝土功能填料的需求也愈发增加，使用废弃材料或工业副产品作为原料，不仅能显著降低功能材料的制备成本，同时还能减少生态环境压力，实现可持续发展.
碳纤维作为导电功能填料在自感知混凝土领域展现出了优异的导电性能，但其高昂的使用成本一直是限制其进一步推广和实现大规模量产的因素之一. 为降低使用新造碳纤维的高昂成本， Segura等[100]试验使用再生碳纤维（rCF）作为填料的自感知混凝土的电气和压阻响应发现，rCF混凝土展现出较好的压阻响应，且拥有较高的信噪比，rCF的含量和分散质量是影响自感知混凝土电导率的主导因素. Belli等[101]对比了原始碳纤维（VCFs）、再生碳纤维和镀铜碳纤维（BSFs）3种纤维类型对高导电多功能纤维增强水泥砂浆（FRCM）在力学、电学性能和耐久性上的影响，结果表明，rCF的渗流阈值为0.1% ～ 0.2%（体积分数），可提高混凝土近一倍的抗折和劈拉强度，且能使砂浆的电阻率降低一个数量级，相比BSFs表现出更高的导电效率. 王艳等[102]将回收获得的碳纤维制成回收短切碳纤维（CRCF）、回收碳纤维球（RCFS）和回收碳纤维粉（RCFP），并考究不同形态下的回收碳纤维对水泥基材料的力学和电学性能的影响，研究发现：CRCF的阻裂作用提高了复合材料的抗折强度并能使电阻率下降90%以上；RCFP填充了微小孔隙从而提高了复合材料的抗压强度，但其表面附着的树脂会使导电通路的形成受到阻碍；RCFS则会因为团聚现象严重而导致电阻率下降不明显. 3种不同形态的废弃碳纤维回收示意如图10所示. Taheri等[103]将再生磨碎碳纤维（RMCFs）和纳米碳纤维组成二元导电相掺入水泥基，并评估其自感知能力和带来的经济效益，实验证明，当CNFs掺量为1%（质量分数）：RMCFs掺量为0.5%（质量分数）时，复合材料拥有最高的应变敏感度，能够实时记录应变和微裂缝的局部变化，并能节约1.99 美元/g的生产成本. 但该自感知混凝土在腐蚀环境下的耐久性不佳，不适合在酸雨或下水道等环境使用，还需进一步加强其耐久性.
除了在导电填料上进行回收利用，通过回收型材料替代传统骨料也是发展可持续性自感知混凝土的一种方式. Dong等[104]在尝试用废弃玻璃替代天然骨料的基础上，将碳纳米管涂覆在玻璃上作为导电填料，研发了自感知水泥基传感器，经试验测试，表面粗糙度高的玻璃更容易被碳纳米管包裹，水泥砂浆的电阻率随玻璃掺量提高而降低，和易性呈现先增后减的趋势，相比于普通砂浆，碳纳米管包裹玻璃颗粒的水泥砂浆拥有更高的抗压强度和良好的压阻性. Quan等[105]以碳纤维水泥基复合材料为基础，采用铁矿尾矿（IOTs）替代天然骨料，并评估了复合材料的感知性能，结果表明，IOTs的掺入显著提高复合材料的力学性能，抗压强度最大提高了28%，且复合材料中的CF能够正常运作，降低材料的电阻率. 但当IOTs掺量过大时会增加复合材料的脆性，考虑到综合性能，将IOTs的取代率控制在30%以下较优.
5. 结论与展望
本文从不同导电填料的掺量比例、形状特征、二次改性及与其他种类填料混杂等方面阐述了用于健康监测领域的自感知水泥基复合材料的相关研究和应用现状. 结论如下：
1） 以碳系填料为主的各类导电功能填料已在水泥基质中验证了其感知性能，其中以碳纤维、碳纳米管和石墨烯为代表的功能填料展现出较好的压敏性能，具备初步应用于结构健康监测的潜力.
2） 钢纤维及不锈钢微丝等金属系功能填料在提高混凝土导电性能的同时增益了混凝土的力学性能，且制作工艺和使用成本相较碳系功能填料更低.
3） 复掺类功能填料相较于单掺类功能填料具有更好的电学、力学和化学性能，并能有效改善单一填料的团聚、沉降现象，同时降低使用成本.
4） 回收、替代型功能填料作为近年来新兴填料已初步取得成果，采用回收型功能填料能在一定程度上改善混凝土的导电性能.
近年来，国内外学者在上述方面的研究中取得了一定的进展，但还应在以下方面展开探索：
1） 对于同一种自感知混凝土材料，其内部形成的导电通路会由于不同的电阻、电流测量方法导致出现不同的结果，且基于自感知混凝土制备的传感器进行校准和处理信号噪声的方法和传统传感器并不通用；目前针对不同的自感知材料也尚未形成完整统一的测量流程和规范，是建立基于自感知混凝土传感器的健康监测系统所需要解决的重要问题.
2） 环境因素如温度、湿度、冻融循环以及腐蚀性环境对自感知混凝土导电性能和力学性能的影响仍处在探索阶段. 建议对以碳系功能填料为主的自感知混凝土在不利环境条件下的耐久性和运营寿命进行测试，并依据实际工程环境开展提高自感知混凝土化学稳定性的研究.
3） 为实现大规模量产自感知混凝土传感器或部件，对不同导电功能填料的施工工艺和制作流程需要得到统一，从而保障批量生产的自感知混凝土性能一致；此外，对材料制备过程中的各项参数，如混合顺序、水泥比、初始含水量以及导电相的尺寸和形态对自感知混凝土性能的影响也需要进行试验.
4） 具备单一监测功能的自感知混凝土已较为完善，但对多功能化的智能混凝土的研究较为缺乏，建议在自感知功能的基础上研发多样化和智能化的混凝土，从而实现对温度、应力、裂纹、腐蚀、车辆重量等参数的多参数实时在线监测，并进一步开发集成自感知、自发热和自愈合等多种智能特性的智能混凝土；目前使用自感知混凝土的实际工程案例较少，大多为简单构件或建筑、道路路面，且大多未接入结构健康监测系统进行长周期的运营测试. 建议开展针对运营环境更为复杂的桥梁、隧道和堤坝等重要工程结构的自感知混凝土应用研究.
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