Application of nanomaterials in production of self-sensing concretes: contemporary developments and prospects

In the recent years structural health monitoring (SHM) has gathered spectacular attention in civil engineering applications. Application of such composites enable to improve the safety and performance of structures. Recent advances in nanotechnology have led to development of new family of sensors – self-sensing materials. These materials enable to create the so-called “smart concrete” exhibiting self-sensing ability. Application of selfsensing materials in cement-based materials enables to detect their own state of strain or stress reflected as a change in their electrical properties. The variation of strain or stress is associated with the variation in material’s electrical characteristics, such as resistance or impedance. Therefore, it is possible to efficiently detect and localize crack formation and propagation in selected concrete element. This review is devoted to present contemporary developments in application of nanomaterials in self-sensing cement-based composites and future directions in the field of smart structures.

Obiekt budowlany powinien spełniać wymagania bezpieczeństwa, trwałości i niezawodności dla długotrwałego funkcjonowania. Monitorowanie obiektu umożliwia kontrolowanie jego bezpieczeństwa i trwałości w trakcie całego cyklu życia budynku. Wczesne i precyzyjne wykrycie uszkodzeń, powstających w trakcie użytkowania obiektu, może umożliwić właściwe działania prewencyjne i naprawcze oraz utrzymanie nieprzerwanej eksploatacji obiektu. Rozwój innowacyjnych automatycznych systemów monitoringu technicznego konstrukcji - MTK (ang. Structural Health Monitoring, SHM) pozwala na zastąpienie tradycyjnej diagnostyki, opartej na badaniach nieniszczących NDT (ang. non-destructive testing). Podstawową zaletą systemu MTK jest nieprzerwany monitoring stanu obiektu budowlanego, pozwalający na ocenę obciążeń, szybkie wykrywanie zmian i uszkodzeń w badanej strukturze wraz z obserwacją ich rozwoju oraz ocenę zagrożeń z nimi związanych. Ponadto, zastosowanie nowoczesnych technik monitorowania pozwala na znaczną redukcję kosztów spowodowanych okresowymi inspekcjami. Niestety, zastosowanie MTK niesie ze sobą koszty związane z drogą aparaturą pomiarową; wymaga także rozwiązania trudności związanych z niekiedy niewystarczającą trwałością i czułością urządzeń oraz możliwą niekompatybilnością z elementami betonowymi. Niedogodności te przyczyniły się do poszukiwania nowej metody pomiarowej, pozwalającej na przynajmniej częściowe przezwyciężenie niedogodności związanych z klasyczną metodą monitorowania technicznego konstrukcji.