钢筋混凝土（RC）结构支撑桥梁、高层建筑和水坝等关键设施，对现代基础设施至关重要。尽管它们具有高强度和耐用性，但这些结构容易因环境因素，负载变化和材料老化而开裂。所以这些裂缝的早期检测和监测对于保持结构完整性和确保安全至关重要。传统结构健康监测（SHM）方法，如目视检查和标准传感技术，已被证明是不够的。这些方法很难检测可能导致重大后果的小裂缝，且不能进行持续的实时监测。因此，迫切需要先进的实时监控RC结构的SHM技术，来确保基础设施的安全。
近年来，随着碳基纳米复合材料的智能传感技术的发展，SHM技术取得了显著进展。碳纳米材料，如碳纳米管（CNTs）、石墨烯、石墨碳和混合纳米结构，因其热稳定性和机械稳定性以及电气和电子性能而得到广泛使用。其中，碳纳米管以其独特的细长束形状的结构特征，可提供更高的机械强度和弹性。此外，与其他材料相比，它的成本效益可使其作为关键纳米材料应用于大型结构，如民用、航空和空间基础设施中的SHM应用。其中，一种由CNT/PU复合材料组成的智能皮肤，可用于检测钢筋混凝土结构中的裂缝。但是CNT在PU材料中的分散性是一大难题。与其他混合技术相比，三辊机具有明显的优势。在分散过程中使用三辊机能确保产品通过两个剪切区。要制作CNT/PU复合材料，没有比三辊机更有效的工具了。所以我们采用TRILOS TR50M三辊机来分散CNT/PU复合材料。
TRILOS TR50M三辊机为基本型三辊机。特别针对处理量相对较少，精度要求相对较低的客户而进行开发的超小型研磨设备。结构设计简洁，尺寸较小，体积轻便，采用无极调速控制流量，机械方式调节间距。
图1 TRILOS TR50M 三辊机
实验步骤：
智能皮肤是通过将CNT均匀分散在PU基质中制成的，如图2所示。首先，用50ml丙酮作为分散剂溶解高粘度PU树脂，使用超声波破碎仪，以脉冲模式（打开15s，关闭15s）运行80min，将CNT分散在PU基质中。为了尽量减少超声波破碎仪的过热影响，将含混合物的烧杯放置在装满冰的大烧杯中。然后，将分散后的混合物放置在60℃的加热板上24h，以蒸发丙酮。将PU硬化剂加入到混合物中，并使用TRILOS TR50M三辊机将其充分分散。将混合物涂覆至0.7 mm的厚度，并将其真空干燥24h。最后，将硬化后的样品切成70mmⅹ10mm的样品。我们制备了CNT浓度在0-7 wt%范围内变化的样品，并对智能皮肤进行电导率等性能的测量。
图2 智能皮肤的制备过程
结果与讨论：
1. 智能皮肤的电导率
图3a为智能皮肤的电导率与CNT浓度的关系。纯PU材料的电导率约为1ⅹ10-10 S/m，表明其绝缘特性。将CNT导电纳米材料加入到PU基质中，随着CNT的浓度从1wt%增至5wt%，PU基质内形成了导电通路，电导率也随之增加。当CNT的浓度超过5wt%时，导电路径变得饱和，电导率没有显著变化。图3b为智能皮肤的扫描电镜（SEM）图像，展示了嵌入PU基质中的CNT之间完善的导电通路。
图3 智能皮肤的电性能：（a）导电性；（b）SEM（5wt%）
2. 智能皮肤的机电特性
与纯PU相比，添加5 wt%的CNT显著提高了性能，将最大拉伸应力从2.1MPa提高到4.5MPa。图4b表明，添加CNT导致杨氏模量增加，极限拉伸应变降低。最大拉伸应变从309%下降到101%，下降了约67%。这种趋势主要归因于高强度和刚度的CNT的良好分散。使用TRILOS三辊机制造的智能皮肤确保了CNT在PU基质中的均匀分散，从而增强了PU和CNT之间的界面粘附等相互作用。
图4c、d分别显示了智能皮肤在全范围应变和断裂应变下的电性。可以清楚地看到，所有样品的电阻都随着拉伸应变的增加而增加。在全范围应变下，随着CNT浓度的增加，电阻的电性迅速增加。智能皮肤的拉伸应变灵敏度是通过将电阻的分数变化除以拉伸应变来计算的，如图4c、d的小图所示。较低浓度的CNT对应于较高的拉伸应变灵敏度。在断裂应变下，所有样品的拉伸应变灵敏度始终保持在10左右。如表1所示，智能皮肤的所有样品的应变灵敏度都比传统金属型应变计高3.1倍以上。
表1 拉伸应变灵敏度 vs CNT浓度
图4（a）应力-应变曲线；（b）最大拉伸应变和杨氏模量；（c）全范围应变下的电阻的分数变化；
（d）在断裂应变下电阻的分数变化
3. 智能皮肤在钢筋混凝土（RC）结构中的应用
图5为用于RC结构的智能皮肤的测试装置。为了验证智能皮肤作为裂缝监测传感器的功能，对一个长700mm、宽150mm、高150mm的矩形RC结构进行了四点弯曲测试。测试以1.2 kN/min的恒定位移速率进行，直到RC结构的断裂点。为了检查有裂缝的部分，在RC结构的底面上的五个部位涂覆了智能皮肤，每个部位的尺寸是：长70mm，宽10mm，厚0.7mm。智能皮肤的CNT浓度选为5wt%，在机械变形和环境变化下表现出稳定的电性。使用铜带、铜线和银墨在每个部位的两端形成电极，并将其连接到数据采集器，以每秒的间隔记录智能皮肤的电阻。同时，在智能皮肤附近连接应变计，以测量RC结构中产生的裂缝宽度。
图5应用于RC结构的智能皮肤测试装置
图6为测试后出现裂缝的RC结构的图像。在B、C和D部位观察到裂缝，其中，B部位发现的裂缝宽度最大。裂缝生长后，所有部位的智能皮肤都保持完整。特别是在B部位，应变计无法承受裂缝生长并脱落，这与智能皮肤的性能形成鲜明对比。另外，智能皮肤仅在裂缝形成阶段出现电变化，而在裂缝未生长时没有观察到电变化。在裂缝宽度变化的循环过程中表现出优异的重现性和可靠性。表明采用TRILOS三辊机制备的智能皮肤，适用于RC结构的裂缝监测传感器。做为SHM传感器，可与物联网系统集成并在智慧城市中实施。
图6试验后钢筋混凝土结构剖面图裂缝状况图
(左图为钢筋混凝土结构侧面图，右图为钢筋混凝土结构底部图，箭头表示受力方向)
TRILOS公司介绍
TRILOS（泰洛思）是美国制造商，视客户满意为终极目标，力求将出色的工艺技术结合客户的实际需求，设计出贴近客户所需的产品。
泰洛思正在积极开拓全球市场，目前产品已经在美国、中国、欧洲、韩国、日本和台湾等地区获得了广泛应用。
TRILOS三辊机优点：
① TRILOS三辊机采用一次循环，有可能完全实现物质的均质化与分散，减少颗粒尺寸，打破团聚粒子。其结果是均质化的浆料，可为物料的进一步加工打下良好的基础。
② 可用触摸屏实现每个辊间距离调节，确保辊子平行度。弹性张紧的刮刀插口确保刮刀恒压，在操作过程中不需要重新调节。
③ 不同材质的辊子都可以使用，辊子及刮刀材质的选择-从不锈钢到氧化铝，碳化硅及氧化锆-满足各种不同需要。
④ 三辊机上的安全装置确保操作人员的安全，机器可简易而及其快速的清洗。
⑤ TRILOS的物联网、智能化三辊机解决方案，解决了客户在使用中遇到的数据无法量化分析，数据丢失，设备互相独立，无法联网进行管理和控制等等方面的问题。让客户可以对设备进行数据分析，对员工进行权限分配和管理，设备运行过程保持全程记录和备份，利于加工过程参数的研究和设计开发。此外，智能物联平台还可以接入混料机、三辊机、上料机、均质机等设备平台，同时可以接入在线粘度计、在线粒度仪、在线近红外分析仪等仪器进行实时监控。
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