引言

传统工程材料性能单一且既有性能提升趋缓，而材料的制备/加工资源-能源依赖性、制备/加工成本以及回收利用难度不断提高，材料性能的充分挖掘或拓展（比如多功能/智能化、结构-功能一体化，功能-智能一体化）已成为材料可持续发展的一个重要方向。混凝土是基础设施建造用量最大的传统工程材料。混凝土主要被用作结构材料，其优异的力学和耐久性能是基础设施安全可靠服役的保障。但随着基础设施的巨型化、服役环境的多因素耦合和严酷化、使用空间的拓展（如极寒、极热、极干等极端环境、地外等）、建造与环境的协调性（避免资源、能源过度应用、减少环境污染）要求不断提高以及人类生存环境要求不断提升，传统混凝土已无法很好满足基础设施建造/服役过程中的安全性、耐久性、舒适性、智能性、韧性、可持续性（低全寿命成本、低资源消耗、低能源消耗、低环境足迹，特别是低碳排放等）以及优异加工性等多方面的要求，促使其逐步由高强、高性能向多功能（电、热、声、光、电磁、杀菌、自感知、自修复、自调节等）方向发展。电作为维系现代文明的无形纽带，与承载人类文明最大的有形足迹——混凝土相结合，催生了基于电学的多功能混凝土的出现，并成为智能材料与结构和混凝土材料与结构领域的热点与前沿方向。

作为一种结构-功能一体化和功能-智能一体化的材料，电基多功能混凝土不仅具有优异的力学和耐久性，还兼具优异的电学性能，如电阻、电感、电容、阻抗、热电性、感知性等，而展现出广泛的工程应用前景，如结构健康监测、交通探测、能量转换/储存、融雪化冰、建筑供暖、电磁防护、钢筋阴极保护、接地和静电保护等。因此，电基多功能混凝土为提高基础设施的安全性、耐久性、运营效率、舒适性和韧性提供了新途径。该论文综述了电基多功能混凝土的相关研究进展，重点介绍了其设计、组成、基本原理、性能及其在基础设施中的应用，还讨论了当前技术挑战和未来发展策略。

电基多功能混凝土的制备过程主要包括三个关键步骤：搅拌、成型和养护。搅拌是至关重要的一步，因为它直接影响导电填料在混凝土中的均匀分布，进而决定混凝土的电学和力学性能。成型步骤同样关键，现有技术包括传统的浇筑、挤压、压制以及新兴的3D打印技术。3D打印因其自动化程度高、速度快、可重复性强，尤其在制造复杂混凝土构件方面展现出巨大潜力。养护过程则根据环境的湿度和温度条件，分为标准养护、蒸汽养护和石灰饱和水养护等方法。选择合适的养护方法应与混凝土的具体配方相匹配，以确保最终硬化产品的力学和电学性能达到预期。

导电填料，尤其是微米或纳米级别的填料，由于其较大的表面积，会产生显著的范德华力相互作用，这使得它们在混凝土中的有效分散成为一个挑战，也是制约电基多功能混凝土发展的一个关键因素。根据导电填料的添加方式，分散方法可分为预分散法、共分散法和后分散法。目前，预分散法因其操作简便、效果显著，成为制备电基多功能混凝土的常用方法。预分散法通过在混凝土拌合水或其他原材料中预先分散导电填料，然后与传统混凝土拌合过程结合，实现导电填料在混凝土基体中的均匀分布，以确保复合材料的性能。

导电填料的分散方式主要分为机械方法和化学方法，如图3所示。机械方法包括机械搅拌、球磨和超声波等，这些方法操作简单且成本效益高，但在处理纳米级填料时可能会遇到分散不均的问题。化学方法则通过共价或非共价功能化，通过化学反应改变填料的表面特性，提高其在混凝土基体中的分散性。随着纳米合成和纳米复合材料技术的最新进展，出现了创新的原位和异位方法，如化学气相沉积、静电自组装、化学沉积、喷涂、化学功能化和微波辐射等，如图4所示。这些方法旨在通过直接生长或接枝纳米级填料（例如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯）到微观填料（如碳纤维、硅粉、水泥颗粒）甚至宏观基质（如细骨料和粗骨料）上，解决分散问题，并通过多尺度效应提高纳米级填料的改性效果和效率。

通过将纳米级分散体转移到微观或宏观域，这些策略不仅解决了导电填料的分散难题，还提高了改性效果和效率，使得大规模制造具有可调和多功能电性能的电基多功能混凝土成为可能。因此，这些策略被认为是实现电基多功能混凝土在大规模工程应用中最有前途的方法，是当前该领域研究的热点。

图 3 电基多功能混凝土中导电填料分散的机械和化学方法

图 4 电基多功能混凝土中导电填料分散的机械和化学方法

电基多功能混凝土是一种复杂的复合材料，由多种组分、不同相态和多尺度结构组成。其导电性主要通过三种机制实现：离子导电、隧道导电和接触导电，如图5所示。离子导电依赖于混凝土基体中自由水溶解的离子，在外加电场的作用下，这些离子沿着毛细管网络迁移，形成导电通路。在导电填料的浓度低于渗流阈值时，离子导电是主导机制。隧道导电和场致发射导电则涉及电子通过导电填料间的势垒进行量子隧穿。随着导电填料间距的减少，电子更容易穿越这些势垒，形成导电路径。场致在电场强度较高时尤为显著，尤其是在传统导电填料无法产生足够强电场的情况下。特殊形态的导电填料，如尖锐的纳米颗粒或碳纳米管，通过增加局部电场强度，可以进一步增强隧道导电效应。接触导电则是通过导电填料间的直接接触来传导电流。随着导电填料浓度的增加，填料间的接触点也随之增多，从而显著提升导电性能。这一现象可以通过渗流理论来解释，即当导电填料的浓度达到一个临界点，即渗流阈值时，材料的导电性能会急剧提升。这种在细骨料和粗骨料间形成的电连续性，被称为“双渗流”或“三重渗流”。

深入理解和优化这些导电机制对于提升场致多功能混凝土的性能至关重要。通过精确控制搅拌、成型和养护过程，确保导电填料在混凝土中的均匀分布，可以实现优异的力学和电学性能。渗流现象在混凝土的导电机制中扮演着核心角色，通过提高导电填料的浓度和优化其分布，可以显著提高混凝土的导电性。这些工艺和机制的不断优化，正在推动电基多功能混凝土在智能基础设施中的广泛应用，为结构健康监测和其他高性能需求提供了坚实的基础。通过这些技术的进步，电基多功能混凝土有望在未来的智能城市和可持续基础设施建设中发挥更加关键的作用。

图 5 电基多功能混凝土的导电机理

5.1 电阻特性

       电基多功能混凝土的电阻特性是其电性能研究的核心，通过电阻（R）、电阻率（ρ）和电导率（σ）进行表征，计算公式如下：

其中，V为电压，I为电流，A为电极横截面积，L为电极间距离。

在评估电基多功能混凝土的电性能时，两种主要的测量技术是两电极法和四电极法。四电极法通过四个电极测量电压降，有效排除了接触电阻的干扰，适用于测量高电阻率材料，因其测量精度和稳定性而受到青睐。与此相对，两电极法虽然操作简单，但容易受到接触电阻的影响，更适合低电阻率材料的测量。为了降低这种影响，可以在电极和样品之间使用导电胶或其他介质。其中，电极的配置对测量结果至关重要。嵌入式电极因其能显著减少接触电阻和极化效应，非常适合进行精确测量，尽管其制造过程较为复杂。而附加电极，例如焊接电极或粘贴电极，通过导电胶或其他粘合方法固定于样品表面，同样有助于降低接触电阻，提升测量精度。例如，铜-铜硫酸盐电极或用银浆固定的铜箔电极，因能确保与样品紧密接触，从而有效降低测量误差。

电基多功能混凝土的测试技术主要包括直流(DC)测试、交流(AC)测试。在DC测试中极化效应可能导致电阻值升高。为了获得稳定的测量值，通常需要施加固定电压并等待极化效应消退；而AC测试可以通过频率扫描来减少极化效应，但这需要更复杂的设备和精细的校准。

随着技术的发展，无线测量技术在电基多功能混凝土的电性能评估中展现出巨大潜力。无线传输系统能够接收并保存来自混凝土传感器的电阻信号，实验结果表明，在循环压缩测试中，无线系统提供的信号与有线系统相当，证实了其可靠性和便捷性。这些技术的改进和优化，预示着电基多功能混凝土在智能基础设施中的应用前景将更加广阔。通过不断优化测量方法和电极配置，能够更准确地评估电基多功能混凝土的电阻特性。这不仅为材料性能的提升提供了数据支持，也为智能基础设施的建设和维护提供了关键的技术保障。

5.2压阻性能

电基多功能混凝土的压阻性能，也称为自感知特性，是通过监测材料在外部加载下导电网络的变化来反映其电性能变化的一种能力。这种特性使得混凝土能够检测应力、应变和损伤，例如裂缝或疲劳，为结构健康监测提供了关键数据。电基多功能混凝土的压阻性能，如图6所示，主要受导电填料的浓度与类型、加载方式、环境温湿度等因素的影响。

电基多功能混凝土的压阻性能压阻特性通常通过电阻变化率（FCR）来表征，其计算公式为：

其中，R0为初始电阻率，Rx为加载期间的电阻率，ΔR为加载期间的电阻变化值。应变系数、重复性、迟滞、零偏移、输入/输出范围、线性度、稳定性和信噪比是用于表征电基多功能混凝土压阻性能的其他主要参数，尤以灵敏度、重复性最为关键。

1)    导电填料的影响

导电填料的浓度和类型对电基多功能混凝土中的导电网络形成和电性能至关重要。填料浓度的增加通常提高材料对外部加载的敏感性，因为更多的导电路径可以更有效地检测电阻或电导率的变化。然而，过高的填料浓度可能导致响应饱和，限制对微小变化的检测能力，并可能引起非线性行为和力学性能下降。理想的填料浓度应接近渗透阈值，以实现最优的压阻性能。填料类型，如碳基填料（碳纤维、碳纳米管等），因其优异的导电性能和较大的比表面积，在提高混凝土的压阻性能中发挥着重要作用。这些纳米级填料在较低填充量下就能形成有效的导电网络，显著提升材料的自感知能力。

2)    加载方式与环境影响

外部加载方式，包括单调加载、循环加载和冲击加载，对电基多功能混凝土的压阻性能有显著影响。单调加载下，FCR可能呈现线性或非线性增长；循环加载下，微裂纹的产生和导电网络的重构可能导致电阻变化的累积效应和不可逆性；冲击加载可能引起瞬时高应变和材料内部的动态重构，影响导电网络的稳定性。环境因素，如温度和湿度，也对压阻性能有不可忽视的影响。温度升高通常会增加材料的电阻率，而湿度通过水分子的吸附和扩散影响导电填料的分布和电性能。冻融循环可能引起材料内部微裂纹的产生和扩展，逐步降低材料的自感知能力。

图 6 电基多功能混凝土的导电机理

此外，电基多功能混凝土，独特的热电、电热、湿敏、电感、电容和电阻抗性能，在智能基础设施和能源高效利用领域展现出巨大潜力。通过Seebeck效应，这种材料能够将温度差异转换为电能，而碳基材料和金属氧化物的加入则进一步优化了其热电转换效率。电热性能，基于焦耳效应，使材料在电能作用下产生热量，适用于供暖和除冰系统。湿敏性能让电基多功能混凝土能够响应环境湿度变化，监测建筑结构的水分状态。电感性能通过电磁感应实现能量传输，而电容性能则通过电容值变化反映材料的应变和应力状态，同时具备储能能力。电阻抗性能利用交流阻抗谱技术评估材料在恶劣环境下的行为，为结构健康监测提供数据支持。电磁波屏蔽/吸收性能则保护人体和精密设备免受电磁干扰，高导电性填料的加入显著提升了屏蔽效能。这些综合性能确立了电基多功能混凝土在未来智能城市和绿色能源领域的关键地位。

电基多功能混凝土展现出卓越的内在特性和优异的电学特征，适用于多种应用，包括结构健康监测、交通检测、能量转换/储存、除冰融雪、建筑加热、电磁保护、阴极保护、接地和静电保护等，尤以结构健康监测（SHM）应用最为广泛。

电基多功能混凝土在土木工程基础设施的结构健康监测（SHM）中扮演着关键角色。SHM通过实时数据监测，对确保基础设施的安全性、可靠性和可持续性发挥着至关重要的作用。它能够及早发现结构缺陷和潜在故障，使得维护和修复工作能够及时进行，从而提高公共安全，减少停机时间，并显著降低相关的经济成本和碳排放。此外，这种方法还有助于优化资源配置，增强基础设施的弹性和寿命，促进其长期可持续性。

如图7所示，电基多功能混凝土在SHM中的应用形式多样，包括整体式、涂层式、夹层式、粘结式和嵌入式等多种形式，每种形式都具有其独特的优势。例如，涂层形式通过在结构构件表面施加一层电基混凝土，不仅能够有效地检测结构的导电性相关风险，还能监测钢筋腐蚀等关键问题。这些应用展示了电基多功能混凝土在提升基础设施智能监测和维护能力方面的潜力，为实现更高效、更环保的基础设施管理提供了创新解决方案。

图 7 用于基础设施结构健康监测的电基多功能混凝土

电基多功能混凝土因其优异特性具有多样化的应用场景，然而其涉及复杂的多组分、多尺度、多界面的特性，进一步增加了结构和性能优化的复杂性。图8展示了电基多功能混凝土的材料、结构和基础设施与其可持续性评估之间的关系。为确保其在不同环境和加载条件下的可靠性和稳定性，需要从材料、结构、基础设施和环境因素等多个方面进行全面的研究和优化：识别并优化具有改性效益的导电填料，优化混凝土中导电填料的分布，制定简便高效的制备工艺，进行精确的性能测试与模拟，评估在复杂环境中的长期性能，设计兼容现有基础设施的混凝土结构，拓展其在水化监测和环境感应等方面的功能，以及评估其全生命周期的可持续性。通过系统解决这些挑战，电基多功能混凝土有望在未来基础设施中发挥重要作用，实现安全、耐久、环保和高效的工程应用。

图 8 电基多功能混凝土材料-结构-基础设施及其可持续性评价

电基多功能混凝土作为一种具有电功能和多功能特性的材料，正在成为现代建筑工程中的重要组成部分，在实现结构监测、交通检测、能量转换和储存、除冰和融雪、建筑供暖、电磁保护、阴极保护、接地保护和静电保护等多种领域具有广泛的应用潜力。图9展示了电基多功能混凝土在桥梁、隧道、油井、机场、铁路、地铁、高速公路、人工岛屿、太空栖息地等多种工程中的应用前景。这些应用不仅有助于提高结构的耐久性和安全性，还能在智能交通、节能减排和可持续发展等方面发挥重要作用。

通过跨学科的合作与创新，特别是在物理、化学、材料科学、土木工程和电子信息工程等领域，电基多功能混凝土的研究和应用将进一步拓展。这种多功能材料有望在未来的基础设施建设中扮演关键角色，促进人类社会的可持续发展和技术进步。

图 9 电基多功能混凝土的应用与发展

论文信息：

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.

原文链接：

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