开发水泥基压电复合材料对土木工程结构的在线健康检测具有十分重要的意义。本文从水泥基压电复合材料的功能相尺寸出发,设计了宽度不同的四种压电陶瓷薄片尺寸,采用切割-浇筑-再切割的方式,制备了四种2-2型水泥基压电复合材料试样。测试了四种复合材料试样的基本性能参数,开展了动态加载试验与准静态加载试验,研究了四种复合材料的机电响应特性,观察了形貌破坏过程。在选择出最优功能相尺寸后,将其对应的2-2型水泥基压电复合材料进行封装处理,制备成了水泥基压电传感器,对其开展动态与准静态加载试验,分析其动/静态机电响应性能,并结合ABAQUS有限元仿真软件开展数值模拟分析。四种复合材料均具有良好的介电-频率稳定性,其串联谐振频率出现在220k Hz附近。随着功能相尺寸的逐渐增大,复合材料的相对介电系数峰值和串联谐振阻抗峰值也逐渐增大。复合材料的介电损耗值随压电陶瓷薄片宽度的增大而减小。复合材料的压电电压系数g33和频带宽度?f变化趋势相同,在压电陶瓷薄片宽度为1.0mm时具有最大值。分析发现?f值越大复合材料机械能与电能之间的转换能力越强。准静态压缩载荷下,功能相尺寸对复合材料压缩强度影响较大,压电陶瓷薄片宽度越大,复合材料最大抗压强度越高。复合材料输出电位移值与输入应力值呈一一对应关系,其波形完全与施加应力波形重合,说明复合材料试样电学信号与力学信号波形响应正常,可以真实有效地反映工程结构内部应力变化情况。四种复合材料试样都具备明显的频响特性。在0～35MPa之内,试样灵敏度的变化趋势与g33和?f的变化趋势相同,当压电陶瓷薄片宽度为1.0mm时复合材料的灵敏度具有最大值。功能相与复合材料破坏形式差异较大,压电陶瓷从开始的局部失效到整体碎裂持续时间较短,且碎片快速飞散,呈喷射状。而复合材料失效过程持续时间较长,碎片脱落速度缓慢。动态冲击载荷下,四种复合材料具有明显的应变率效应,是应变率敏感材料。四种复合材料试样的最大动态抗压强度均随着功能相尺寸的增大而增大。在相同的应变下,当压电陶瓷薄片宽度为1.0mm时,复合材料试样具有较大的抗压强度。四种复合材料试样的电位移时间曲线变化趋势基本相同,均随着应变率的增加而增加,且增长幅值均随着应变率的增加而减小。当功能相尺寸为1.0mm时,复合材料具有最大的动态灵敏度。复合材料与压电陶瓷在冲击载荷下发生了力学失效和电学失效,且电学失效发生在力学失效之前。两者形貌破坏均为“爆炸式”破碎,在破碎过程中,压电陶瓷呈现多次电弧放电现象。复合材料在加载过程中产生的裂纹发展更充分,形貌破坏程度更大。由模拟得到的水泥基压电传感器试样所受最大应力作用在功能相区域。动/静态载荷下,水泥基压电传感器的电学信号主要由功能相贡献,压电陶瓷上下表面的电势区分明显,说明水泥基压电传感器具有良好的力电响应性能。模拟得到的水泥基压电传感器的静态灵敏度值与实验值误差为6.28%,模拟得到的动态灵敏度值与实验值误差为4.77%。整体来说水泥基压电传感器试验数据与仿真数据的误差在合理的范围之内,表明水泥基压电传感器的机电响应性能稳定,具备良好的传感特性。