引言

傳統(tǒng)工程材料性能單一且既有性能提升趨緩，而材料的制備/加工資源-能源依賴性、制備/加工成本以及回收利用難度不斷提高，材料性能的充分挖掘或拓展（比如多功能/智能化、結(jié)構(gòu)-功能一體化，功能-智能一體化）已成為材料可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向?；炷潦腔A(chǔ)設(shè)施建造用量最大的傳統(tǒng)工程材料?；炷林饕挥米鹘Y(jié)構(gòu)材料，其優(yōu)異的力學(xué)和耐久性能是基礎(chǔ)設(shè)施安全可靠服役的保障。但隨著基礎(chǔ)設(shè)施的巨型化、服役環(huán)境的多因素耦合和嚴(yán)酷化、使用空間的拓展（如極寒、極熱、極干等極端環(huán)境、地外等）、建造與環(huán)境的協(xié)調(diào)性（避免資源、能源過度應(yīng)用、減少環(huán)境污染）要求不斷提高以及人類生存環(huán)境要求不斷提升，傳統(tǒng)混凝土已無法很好滿足基礎(chǔ)設(shè)施建造/服役過程中的安全性、耐久性、舒適性、智能性、韌性、可持續(xù)性（低全壽命成本、低資源消耗、低能源消耗、低環(huán)境足跡，特別是低碳排放等）以及優(yōu)異加工性等多方面的要求，促使其逐步由高強、高性能向多功能（電、熱、聲、光、電磁、殺菌、自感知、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)等）方向發(fā)展。電作為維系現(xiàn)代文明的無形紐帶，與承載人類文明最大的有形足跡——混凝土相結(jié)合，催生了基于電學(xué)的多功能混凝土的出現(xiàn)，并成為智能材料與結(jié)構(gòu)和混凝土材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱點與前沿方向。

作為一種結(jié)構(gòu)-功能一體化和功能-智能一體化的材料，電基多功能混凝土不僅具有優(yōu)異的力學(xué)和耐久性，還兼具優(yōu)異的電學(xué)性能，如電阻、電感、電容、阻抗、熱電性、感知性等，而展現(xiàn)出廣泛的工程應(yīng)用前景，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、交通探測、能量轉(zhuǎn)換/儲存、融雪化冰、建筑供暖、電磁防護、鋼筋陰極保護、接地和靜電保護等。因此，電基多功能混凝土為提高基礎(chǔ)設(shè)施的安全性、耐久性、運營效率、舒適性和韌性提供了新途徑。該論文綜述了電基多功能混凝土的相關(guān)研究進展，重點介紹了其設(shè)計、組成、基本原理、性能及其在基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用，還討論了當(dāng)前技術(shù)挑戰(zhàn)和未來發(fā)展策略。

電基多功能混凝土的制備過程主要包括三個關(guān)鍵步驟：攪拌、成型和養(yǎng)護。攪拌是至關(guān)重要的一步，因為它直接影響導(dǎo)電填料在混凝土中的均勻分布，進而決定混凝土的電學(xué)和力學(xué)性能。成型步驟同樣關(guān)鍵，現(xiàn)有技術(shù)包括傳統(tǒng)的澆筑、擠壓、壓制以及新興的3D打印技術(shù)。3D打印因其自動化程度高、速度快、可重復(fù)性強，尤其在制造復(fù)雜混凝土構(gòu)件方面展現(xiàn)出巨大潛力。養(yǎng)護過程則根據(jù)環(huán)境的濕度和溫度條件，分為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護和石灰飽和水養(yǎng)護等方法。選擇合適的養(yǎng)護方法應(yīng)與混凝土的具體配方相匹配，以確保最終硬化產(chǎn)品的力學(xué)和電學(xué)性能達到預(yù)期。

導(dǎo)電填料，尤其是微米或納米級別的填料，由于其較大的表面積，會產(chǎn)生顯著的范德華力相互作用，這使得它們在混凝土中的有效分散成為一個挑戰(zhàn)，也是制約電基多功能混凝土發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。根據(jù)導(dǎo)電填料的添加方式，分散方法可分為預(yù)分散法、共分散法和后分散法。目前，預(yù)分散法因其操作簡便、效果顯著，成為制備電基多功能混凝土的常用方法。預(yù)分散法通過在混凝土拌合水或其他原材料中預(yù)先分散導(dǎo)電填料，然后與傳統(tǒng)混凝土拌合過程結(jié)合，實現(xiàn)導(dǎo)電填料在混凝土基體中的均勻分布，以確保復(fù)合材料的性能。

導(dǎo)電填料的分散方式主要分為機械方法和化學(xué)方法，如圖3所示。機械方法包括機械攪拌、球磨和超聲波等，這些方法操作簡單且成本效益高，但在處理納米級填料時可能會遇到分散不均的問題。化學(xué)方法則通過共價或非共價功能化，通過化學(xué)反應(yīng)改變填料的表面特性，提高其在混凝土基體中的分散性。隨著納米合成和納米復(fù)合材料技術(shù)的最新進展，出現(xiàn)了創(chuàng)新的原位和異位方法，如化學(xué)氣相沉積、靜電自組裝、化學(xué)沉積、噴涂、化學(xué)功能化和微波輻射等，如圖4所示。這些方法旨在通過直接生長或接枝納米級填料（例如碳納米管、碳納米纖維、石墨烯）到微觀填料（如碳纖維、硅粉、水泥顆粒）甚至宏觀基質(zhì)（如細骨料和粗骨料）上，解決分散問題，并通過多尺度效應(yīng)提高納米級填料的改性效果和效率。

通過將納米級分散體轉(zhuǎn)移到微觀或宏觀域，這些策略不僅解決了導(dǎo)電填料的分散難題，還提高了改性效果和效率，使得大規(guī)模制造具有可調(diào)和多功能電性能的電基多功能混凝土成為可能。因此，這些策略被認為是實現(xiàn)電基多功能混凝土在大規(guī)模工程應(yīng)用中最有前途的方法，是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的熱點。

圖 3 電基多功能混凝土中導(dǎo)電填料分散的機械和化學(xué)方法

圖 4 電基多功能混凝土中導(dǎo)電填料分散的機械和化學(xué)方法

電基多功能混凝土是一種復(fù)雜的復(fù)合材料，由多種組分、不同相態(tài)和多尺度結(jié)構(gòu)組成。其導(dǎo)電性主要通過三種機制實現(xiàn)：離子導(dǎo)電、隧道導(dǎo)電和接觸導(dǎo)電，如圖5所示。離子導(dǎo)電依賴于混凝土基體中自由水溶解的離子，在外加電場的作用下，這些離子沿著毛細管網(wǎng)絡(luò)遷移，形成導(dǎo)電通路。在導(dǎo)電填料的濃度低于滲流閾值時，離子導(dǎo)電是主導(dǎo)機制。隧道導(dǎo)電和場致發(fā)射導(dǎo)電則涉及電子通過導(dǎo)電填料間的勢壘進行量子隧穿。隨著導(dǎo)電填料間距的減少，電子更容易穿越這些勢壘，形成導(dǎo)電路徑。場致在電場強度較高時尤為顯著，尤其是在傳統(tǒng)導(dǎo)電填料無法產(chǎn)生足夠強電場的情況下。特殊形態(tài)的導(dǎo)電填料，如尖銳的納米顆?；蛱技{米管，通過增加局部電場強度，可以進一步增強隧道導(dǎo)電效應(yīng)。接觸導(dǎo)電則是通過導(dǎo)電填料間的直接接觸來傳導(dǎo)電流。隨著導(dǎo)電填料濃度的增加，填料間的接觸點也隨之增多，從而顯著提升導(dǎo)電性能。這一現(xiàn)象可以通過滲流理論來解釋，即當(dāng)導(dǎo)電填料的濃度達到一個臨界點，即滲流閾值時，材料的導(dǎo)電性能會急劇提升。這種在細骨料和粗骨料間形成的電連續(xù)性，被稱為“雙滲流”或“三重滲流”。

深入理解和優(yōu)化這些導(dǎo)電機制對于提升場致多功能混凝土的性能至關(guān)重要。通過精確控制攪拌、成型和養(yǎng)護過程，確保導(dǎo)電填料在混凝土中的均勻分布，可以實現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能。滲流現(xiàn)象在混凝土的導(dǎo)電機制中扮演著核心角色，通過提高導(dǎo)電填料的濃度和優(yōu)化其分布，可以顯著提高混凝土的導(dǎo)電性。這些工藝和機制的不斷優(yōu)化，正在推動電基多功能混凝土在智能基礎(chǔ)設(shè)施中的廣泛應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和其他高性能需求提供了堅實的基礎(chǔ)。通過這些技術(shù)的進步，電基多功能混凝土有望在未來的智能城市和可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。

圖 5 電基多功能混凝土的導(dǎo)電機理

5.1 電阻特性

       電基多功能混凝土的電阻特性是其電性能研究的核心，通過電阻（R）、電阻率（ρ）和電導(dǎo)率（σ）進行表征，計算公式如下：

其中，V為電壓，I為電流，A為電極橫截面積，L為電極間距離。

在評估電基多功能混凝土的電性能時，兩種主要的測量技術(shù)是兩電極法和四電極法。四電極法通過四個電極測量電壓降，有效排除了接觸電阻的干擾，適用于測量高電阻率材料，因其測量精度和穩(wěn)定性而受到青睞。與此相對，兩電極法雖然操作簡單，但容易受到接觸電阻的影響，更適合低電阻率材料的測量。為了降低這種影響，可以在電極和樣品之間使用導(dǎo)電膠或其他介質(zhì)。其中，電極的配置對測量結(jié)果至關(guān)重要。嵌入式電極因其能顯著減少接觸電阻和極化效應(yīng)，非常適合進行精確測量，盡管其制造過程較為復(fù)雜。而附加電極，例如焊接電極或粘貼電極，通過導(dǎo)電膠或其他粘合方法固定于樣品表面，同樣有助于降低接觸電阻，提升測量精度。例如，銅-銅硫酸鹽電極或用銀漿固定的銅箔電極，因能確保與樣品緊密接觸，從而有效降低測量誤差。

電基多功能混凝土的測試技術(shù)主要包括直流(DC)測試、交流(AC)測試。在DC測試中極化效應(yīng)可能導(dǎo)致電阻值升高。為了獲得穩(wěn)定的測量值，通常需要施加固定電壓并等待極化效應(yīng)消退；而AC測試可以通過頻率掃描來減少極化效應(yīng)，但這需要更復(fù)雜的設(shè)備和精細的校準(zhǔn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，無線測量技術(shù)在電基多功能混凝土的電性能評估中展現(xiàn)出巨大潛力。無線傳輸系統(tǒng)能夠接收并保存來自混凝土傳感器的電阻信號，實驗結(jié)果表明，在循環(huán)壓縮測試中，無線系統(tǒng)提供的信號與有線系統(tǒng)相當(dāng)，證實了其可靠性和便捷性。這些技術(shù)的改進和優(yōu)化，預(yù)示著電基多功能混凝土在智能基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用前景將更加廣闊。通過不斷優(yōu)化測量方法和電極配置，能夠更準(zhǔn)確地評估電基多功能混凝土的電阻特性。這不僅為材料性能的提升提供了數(shù)據(jù)支持，也為智能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護提供了關(guān)鍵的技術(shù)保障。

5.2壓阻性能

電基多功能混凝土的壓阻性能，也稱為自感知特性，是通過監(jiān)測材料在外部加載下導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化來反映其電性能變化的一種能力。這種特性使得混凝土能夠檢測應(yīng)力、應(yīng)變和損傷，例如裂縫或疲勞，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。電基多功能混凝土的壓阻性能，如圖6所示，主要受導(dǎo)電填料的濃度與類型、加載方式、環(huán)境溫濕度等因素的影響。

電基多功能混凝土的壓阻性能壓阻特性通常通過電阻變化率（FCR）來表征，其計算公式為：

其中，R0為初始電阻率，Rx為加載期間的電阻率，ΔR為加載期間的電阻變化值。應(yīng)變系數(shù)、重復(fù)性、遲滯、零偏移、輸入/輸出范圍、線性度、穩(wěn)定性和信噪比是用于表征電基多功能混凝土壓阻性能的其他主要參數(shù)，尤以靈敏度、重復(fù)性最為關(guān)鍵。

1)    導(dǎo)電填料的影響

導(dǎo)電填料的濃度和類型對電基多功能混凝土中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成和電性能至關(guān)重要。填料濃度的增加通常提高材料對外部加載的敏感性，因為更多的導(dǎo)電路徑可以更有效地檢測電阻或電導(dǎo)率的變化。然而，過高的填料濃度可能導(dǎo)致響應(yīng)飽和，限制對微小變化的檢測能力，并可能引起非線性行為和力學(xué)性能下降。理想的填料濃度應(yīng)接近滲透閾值，以實現(xiàn)最優(yōu)的壓阻性能。填料類型，如碳基填料（碳纖維、碳納米管等），因其優(yōu)異的導(dǎo)電性能和較大的比表面積，在提高混凝土的壓阻性能中發(fā)揮著重要作用。這些納米級填料在較低填充量下就能形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著提升材料的自感知能力。

2)    加載方式與環(huán)境影響

外部加載方式，包括單調(diào)加載、循環(huán)加載和沖擊加載，對電基多功能混凝土的壓阻性能有顯著影響。單調(diào)加載下，F(xiàn)CR可能呈現(xiàn)線性或非線性增長；循環(huán)加載下，微裂紋的產(chǎn)生和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)可能導(dǎo)致電阻變化的累積效應(yīng)和不可逆性；沖擊加載可能引起瞬時高應(yīng)變和材料內(nèi)部的動態(tài)重構(gòu)，影響導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。環(huán)境因素，如溫度和濕度，也對壓阻性能有不可忽視的影響。溫度升高通常會增加材料的電阻率，而濕度通過水分子的吸附和擴散影響導(dǎo)電填料的分布和電性能。凍融循環(huán)可能引起材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展，逐步降低材料的自感知能力。

圖 6 電基多功能混凝土的導(dǎo)電機理

此外，電基多功能混凝土，獨特的熱電、電熱、濕敏、電感、電容和電阻抗性能，在智能基礎(chǔ)設(shè)施和能源高效利用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。通過Seebeck效應(yīng)，這種材料能夠?qū)囟炔町愞D(zhuǎn)換為電能，而碳基材料和金屬氧化物的加入則進一步優(yōu)化了其熱電轉(zhuǎn)換效率。電熱性能，基于焦耳效應(yīng)，使材料在電能作用下產(chǎn)生熱量，適用于供暖和除冰系統(tǒng)。濕敏性能讓電基多功能混凝土能夠響應(yīng)環(huán)境濕度變化，監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)的水分狀態(tài)。電感性能通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)能量傳輸，而電容性能則通過電容值變化反映材料的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)，同時具備儲能能力。電阻抗性能利用交流阻抗譜技術(shù)評估材料在惡劣環(huán)境下的行為，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。電磁波屏蔽/吸收性能則保護人體和精密設(shè)備免受電磁干擾，高導(dǎo)電性填料的加入顯著提升了屏蔽效能。這些綜合性能確立了電基多功能混凝土在未來智能城市和綠色能源領(lǐng)域的關(guān)鍵地位。

電基多功能混凝土展現(xiàn)出卓越的內(nèi)在特性和優(yōu)異的電學(xué)特征，適用于多種應(yīng)用，包括結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、交通檢測、能量轉(zhuǎn)換/儲存、除冰融雪、建筑加熱、電磁保護、陰極保護、接地和靜電保護等，尤以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）應(yīng)用最為廣泛。

電基多功能混凝土在土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）中扮演著關(guān)鍵角色。SHM通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，對確?；A(chǔ)設(shè)施的安全性、可靠性和可持續(xù)性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠及早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷和潛在故障，使得維護和修復(fù)工作能夠及時進行，從而提高公共安全，減少停機時間，并顯著降低相關(guān)的經(jīng)濟成本和碳排放。此外，這種方法還有助于優(yōu)化資源配置，增強基礎(chǔ)設(shè)施的彈性和壽命，促進其長期可持續(xù)性。

如圖7所示，電基多功能混凝土在SHM中的應(yīng)用形式多樣，包括整體式、涂層式、夾層式、粘結(jié)式和嵌入式等多種形式，每種形式都具有其獨特的優(yōu)勢。例如，涂層形式通過在結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面施加一層電基混凝土，不僅能夠有效地檢測結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性相關(guān)風(fēng)險，還能監(jiān)測鋼筋腐蝕等關(guān)鍵問題。這些應(yīng)用展示了電基多功能混凝土在提升基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)測和維護能力方面的潛力，為實現(xiàn)更高效、更環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施管理提供了創(chuàng)新解決方案。

圖 7 用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的電基多功能混凝土

電基多功能混凝土因其優(yōu)異特性具有多樣化的應(yīng)用場景，然而其涉及復(fù)雜的多組分、多尺度、多界面的特性，進一步增加了結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化的復(fù)雜性。圖8展示了電基多功能混凝土的材料、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施與其可持續(xù)性評估之間的關(guān)系。為確保其在不同環(huán)境和加載條件下的可靠性和穩(wěn)定性，需要從材料、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境因素等多個方面進行全面的研究和優(yōu)化：識別并優(yōu)化具有改性效益的導(dǎo)電填料，優(yōu)化混凝土中導(dǎo)電填料的分布，制定簡便高效的制備工藝，進行精確的性能測試與模擬，評估在復(fù)雜環(huán)境中的長期性能，設(shè)計兼容現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的混凝土結(jié)構(gòu)，拓展其在水化監(jiān)測和環(huán)境感應(yīng)等方面的功能，以及評估其全生命周期的可持續(xù)性。通過系統(tǒng)解決這些挑戰(zhàn)，電基多功能混凝土有望在未來基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮重要作用，實現(xiàn)安全、耐久、環(huán)保和高效的工程應(yīng)用。

圖 8 電基多功能混凝土材料-結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)設(shè)施及其可持續(xù)性評價

電基多功能混凝土作為一種具有電功能和多功能特性的材料，正在成為現(xiàn)代建筑工程中的重要組成部分，在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)監(jiān)測、交通檢測、能量轉(zhuǎn)換和儲存、除冰和融雪、建筑供暖、電磁保護、陰極保護、接地保護和靜電保護等多種領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。圖9展示了電基多功能混凝土在橋梁、隧道、油井、機場、鐵路、地鐵、高速公路、人工島嶼、太空棲息地等多種工程中的應(yīng)用前景。這些應(yīng)用不僅有助于提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，還能在智能交通、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用。

通過跨學(xué)科的合作與創(chuàng)新，特別是在物理、化學(xué)、材料科學(xué)、土木工程和電子信息工程等領(lǐng)域，電基多功能混凝土的研究和應(yīng)用將進一步拓展。這種多功能材料有望在未來的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中扮演關(guān)鍵角色，促進人類社會的可持續(xù)發(fā)展和技術(shù)進步。

圖 9 電基多功能混凝土的應(yīng)用與發(fā)展

論文信息：

H.Y. Qin, S.Q. Ding, A. Ashraf, Q.F. Zheng, B.G. Han. Revolutionizing infrastructure: the evolving landscape of electricity-based multifunctional concrete from concept to practice. Progress in Materials Science. 2024, 145, 101310, 64p.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101310