摘要
将智能功能集成于道路结构材料是未来交通基础设施发展的重要方向。本研究赋予传统石灰基材料以先进的智能特性，通过引入功能纳米材料、微胶囊和形状记忆元件，成功研发了具备应力/应变自感知、损伤自诊断、微裂纹自修复及环境自适应能力的多功能集成智能材料。构建了集材料、传感器、算法与执行器于一体的智能材料系统，并实现了在试验路上的原理验证，为构建更安全、耐久、低维护的智慧道路提供了创新材料解决方案。
一、智能功能集成设计与实现路径
本研究旨在实现三大核心智能功能：
自感知：材料本身成为传感器，实时监测自身应力、应变、温度及损伤状态。
自修复：在损伤（微裂纹）发生时，自动触发修复机制，恢复材料完整性与性能。
自适应：根据外部环境（温度、湿度）变化，主动调节自身状态以优化性能。
实现路径是通过多尺度功能材料的复合设计，将不同功能的纳米/微米尺度组分，以可控方式引入石灰基体，形成“基质-功能相”复合结构。
二、自感知功能的实现：导电网络构筑与信号响应
通过掺入碳纳米管（CNTs）和石墨烯纳米片（GNPs）构筑三维导电网络，使绝缘的石灰基体变为导电复合材料。
材料设计与制备：CNTs（0.3-0.6 wt%）与GNPs（0.2-0.4 wt%）经表面改性后，采用高速剪切与超声分散工艺，确保其在碱性浆体中均匀分散。材料表现出稳定的压阻效应。
传感机理与性能：
应变感知：在弹性范围内，电阻相对变化率（ΔR/R₀）与轴向应变（ε）呈良好线性关系：ΔR/R₀ = GF•ε，应变因子GF可达50-80。
损伤感知：当产生微裂纹时，导电网络被切断，电阻发生阶跃式、不可逆的上升，可作为损伤发生的明确信号。
温度自补偿：材料同时具备热电效应，通过建立温度-电阻关系模型，可实现应变测量中的温度补偿。
三、自修复功能的实现：双机制协同修复系统
设计了“微胶囊化学修复”与“微生物矿化修复”相结合的双机制系统，以应对不同尺度与场景的损伤。
微胶囊化学修复：
修复剂：选用低粘度环氧树脂与潜伏性固化剂。
微胶囊：以脲醛树脂为壁材，采用原位聚合法制备，粒径50-150μm，掺量为材料体积的3%-4%。
修复过程：当微裂纹扩展贯穿微胶囊时，壁材破裂，修复剂流出并在裂纹毛细作用下充满空隙，与固化剂接触后发生交联反应，实现粘合修复。
微生物矿化修复（MICP）：
菌种与保护：选用耐碱的巴氏芽孢杆菌，采用海藻酸钙微球进行包裹固定，掺入材料中。
营养源缓释：将尿素与钙源（Ca(NO₃)₂）制成另一类缓释型微胶囊或多孔载体。
修复触发：当水分（雨水、冷凝水）沿裂纹侵入，溶解营养源并激活细菌，诱导生成碳酸钙沉淀，实现生物矿化修复。该机制对湿度变化响应敏感，尤其适用于潮湿环境。
四、自适应功能的实现：形状记忆聚合物的应用
将形状记忆聚合物（SMP）纤维（如聚氨酯基）掺入材料中。SMP具有特定的玻璃化转变温度（T_g，如40℃）。
工作原理：当环境温度或材料自身温度（如夏季高温或车辆刹车摩擦热）超过T_g时，SMP纤维从“冻结”状态转变为“弹性”状态，产生收缩恢复力（~1-2 MPa）。
功能体现：
温度应力补偿：纤维收缩对周围基体产生压应力，可部分抵消因温降引起的收缩拉应力，抑制温缩裂缝。
裂纹闭合：对于已存在的微裂纹，纤维收缩可产生使裂纹面闭合的趋势。
五、智能材料系统的集成与封装
为确保功能组件在施工与服役过程中的存活与有效，研发了关键集成技术：
功能组件的时空分布设计：传感网络（CNTs/GNPs）需均匀分散；修复微胶囊与微生物载体可局部高浓度布设于预期高应力区或表层。
施工过程保护技术：微生物载体在拌和最后阶段加入；采用低剪切力搅拌；优化振动成型参数以减少对微胶囊的破坏。
信号采集与能量供应：研发了柔性可拉伸的电极封装技术，将传感材料与微型采集电路连接；探索利用压电材料收集车辆荷载动能，为低功耗传感电路供电。
六、实验室验证与性能表征
制备了尺寸为40cm×40cm×10cm的智能材料板，进行了系统测试：
感知准确性：在四点弯曲试验中，通过测量电阻变化反推的跨中挠度与激光位移计测量值的相关系数R² > 0.95。
修复有效性：预制裂纹（宽度0.15mm）试件，经14天标准养护后，采用显微镜观察与渗水试验评估，微胶囊修复组的裂纹基本被填充，渗水率恢复至破坏前的85%；微生物修复组在提供营养液后，裂纹内有明显的碳酸钙晶体生成。
自适应效果：在温度循环试验（10℃↔50℃）中，掺有SMP纤维的试件产生的温度应变幅度比对照组减小约30%。
七、试验路应用与概念验证
在校园内的试验环道上，铺设了一段长20米、宽3米的智能材料试验段。内部预埋了传感网络节点和修复材料。
感知验证：成功监测到了不同类型车辆（小汽车、校车）通过时的动态应变响应。
修复触发验证：在局部人为制造微损伤后，通过洒水模拟降雨，激活了微生物修复机制，一段时间后该区域电阻出现部分恢复迹象，表明修复过程可能在进行。
挑战：长期稳定性、大规模生产成本以及复杂信号的环境干扰滤除是需要进一步解决的实际问题。
八、未来展望与应用潜力
尽管走向大规模工程应用仍面临诸多挑战，但智能石灰基材料展现了颠覆性的潜力：
结构健康监测（SHM）：实现道路基础设施全寿命期、全覆盖、低成本的结构状态实时感知与安全预警。
零维护或低维护道路：通过材料的自修复能力，极大减少人工养护需求与交通干扰。
智能交通载体：未来可与车路协同（V2I）系统结合，为自动驾驶车辆提供实时的道路状态信息（如路面湿滑、结冰预警）。
推动材料科学范式变革：从被动承受荷载的“惰性材料”，向主动感知、交互与适应的“智能生命体”转变。
