荷载疲劳效应、自然灾害侵蚀和材料老化等因素的耦合作用将导致混凝土结构损伤积累和抗力衰减,从而容易引发灾难性的突发事故,造成重大财产损失和人员伤亡。为保障混凝土结构服役安全,有必要对混凝土结构进行健康监测,实时感知混凝土结构的服役状态,并对危急情况及时预警。自感知水泥基复合材料集结构和传感功能于一体,为混凝土结构健康监测提供了新选择。但已有自感知水泥基复合材料存在制备工艺复杂、导电填料掺量高以及灵敏度低等缺点;同时为克服自感知水泥基材料大规模制备造价高和性能可控性差的问题,自感知水泥基复合材料在结构中应用常采用嵌入式传感器形式并在制备中不添加骨料,但这将导致嵌入式水泥基传感器与被监测的混凝土弹性模量存在差异,进而会影响被监测混凝土结构的力学性能以及监测的准确性。针对上述问题,本文应用纳米碳管和碳黑复合填料研制自感知水泥基复合材料与嵌入式传感器,并通过数值模拟对传感器的设计及其埋入混凝土中的受力进行了分析,最终应用嵌入式自感知水泥基传感器制作智能混凝土柱并实现应力和应变自监测。主要研究内容和结论如下:(1)研制了制备工艺简单的添加纳米碳管和碳黑复合填料的自感知水泥基复合材料,并对其力学、电学和感知性能进行了研究;得到了复合材料的渗流特征关系,分析了复合材料的导电机理;探讨了试件尺寸、加载幅值、加载速率和水胶比对复合材料感知性能的影响规律及机制,分析了复合材料感知性能的机理。试验结果表明:纳米碳管和碳黑复合填料的加入会导致复合材料的抗压强度及弹性模量降低以及泊松比增大;纳米碳管和碳黑复合填料较低掺量即可有效改善水泥基材料的导电性和感知性,复合材料的渗流阈值为3.85vol.%。复合材料的感知性能具有良好的重复性和稳定性,循环加载时电阻率变化率(FCR)幅值和应力/应变灵敏度分别为23.4%和2.32%·MPa-1/225,单调压缩至破坏时FCR幅值最大值为72.6%;复合材料在不同尺寸的试件、加载幅值及加载速率时,均具有稳定的感知性能;水胶比提高会导致复合材料的感知性能灵敏度降低。(2)采用有限元方法对传感器的尺寸、电压电极间距和表面粗糙程度等制作参数进行了优化设计,并对优化后的传感器埋入混凝土柱中进行了应力和应变状态分析,同时研究了传感器埋设位置和小角度偏斜、荷载大小、混凝土强度等级及偏压对传感器与混凝土之间的应变协调程度的影响,分析了传感器对混凝土柱极限强度的影响、传感器与混凝土柱不同部位的应力-应变关系及混凝土与传感器的平均应力/应变之间关系。研究结果表明:传感器的优化尺寸为20mm×20mm×40mm,电压电极间距取为10mm。传感器埋入混凝土柱表层、传感器产生偏斜角度、增大荷载、混凝土强度等级提高及荷载偏压时,均会降低传感器与周围混凝土的应变协调程度。埋入混凝土中的传感器可近似等效为单轴受力状态;埋入传感器不会降低C20～C80混凝土柱的极限强度。(3)将添加纳米碳管和碳黑复合填料的自感知水泥基传感器分别埋入到C30和C50混凝土柱中,考察了智能混凝土柱中传感器的灵敏度,分析了传感器对混凝土柱极限承载力的影响及传感器与混凝土之间的强度匹配关系,建立了传感器应用于混凝土应力和应变监测的公式,采用监测公式分别对C30和C50混凝土柱的应力和应变进行了分析,获得了监测误差及修正方法。试验结果表明:传感器的FCR与混凝土柱的应力、应变及自身应变之间存在良好的对应关系,可根据传感器的FCR监测混凝土柱的受力全过程;当混凝土柱达到极限应力时,埋入C30和C50混凝土柱中的传感器的FCR幅值最大值分别为51.67%和52.56%,应变灵敏度最大值分别为143.25和135.41;埋入传感器不会降低C30和C50混凝土柱的极限强度。所建立的监测公式可较准确计算智能混凝土柱的应力和应变,通过修正可使应力和应变监测精度提高。基于嵌入式自感知水泥基传感器的智能混凝土可实现应力和应变自监测。