當(dāng)前智能混凝土發(fā)展初探

何歡

（佛山市南海區(qū)建筑工程公司，廣東 佛山 528000）

前言

本人根據(jù)多年來在佛山市南海區(qū)建筑工程公司總工室工作期間對高新建筑材料的分析和研究，對當(dāng)前智能混凝土的發(fā)展探討提出一些自己的看法，希望能給同行提供參考?，F(xiàn)有的無損檢測方法，如聲波檢測X射線及C掃描等，只能定性檢測，而不能定量、數(shù)據(jù)化處理，更主要的是不能實現(xiàn)實時監(jiān)測。隨著現(xiàn)代社會向智能化的發(fā)展，這種停留在被動和計劃模式的檢測與修復(fù)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對混凝土材料提出的要求。因此，研究和開發(fā)具有主動、自動地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)、恢復(fù)的智能混凝土已成為結(jié)構(gòu)一功能（智能）一體化的發(fā)展趨勢。

1 智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

智能材料，指的是"能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動"的材料。它能模仿生命系統(tǒng)，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，自動作出適時、靈敏和恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，并具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)和預(yù)報壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料。

1.1 損傷自診斷混凝土

自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應(yīng)功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應(yīng)功能。

1.1.1 碳纖維智能混凝土

碳纖維是一種高強度、高彈性且導(dǎo)電性能良好的材料。在水泥基材料中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學(xué)性能也有明顯的改善，可以作為傳感器并以電信號輸出的形式反映自身受力狀況和內(nèi)部的損傷程度。將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和操作程度的功能。通過觀測，發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對應(yīng)的。碳纖維水泥基材料在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力的彈性階段，其電阻變化率隨內(nèi)部應(yīng)力線性增加，當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時，電阻逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞。而基準(zhǔn)水泥基材料的導(dǎo)電性幾乎無變化，直到臨近破壞時，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)纖維混凝土的這一特性，通過測試碳纖維混凝土所處的工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測.在入碳纖維的損傷自診斷混凝土中，碳纖維混凝土本身就是傳感器，可對混凝土內(nèi)部在拉、壓、彎靜荷載和動荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及損傷開裂進(jìn)行監(jiān)測。

1.1.2 光纖傳感智能混凝土

光纖傳感智能混凝土，即在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋人入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化，并對由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴展等損傷進(jìn)行實時監(jiān)測。光在光纖的傳輸過程中易受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等的變化而引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態(tài)的變化。因此人們發(fā)現(xiàn)，如果能測量出光波量的變化，就可以知道導(dǎo)致光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。于是，出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)。近年來，國內(nèi)外進(jìn)行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑檢測這一領(lǐng)域的研究，開展了混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及裂縫發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)的光纖傳感器技術(shù)的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進(jìn)行監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測。光纖在傳感器中的應(yīng)用，提供了對土建結(jié)構(gòu)智能及內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行實時、在線無損檢測手段，有利于結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和整體評價和維護(hù)。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測和蕪湖長江大橋長期監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)等。

1.2 自調(diào)節(jié)智能混凝土

自調(diào)節(jié)智能混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。混凝土結(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外，人們還希望它在受臺風(fēng)、地震等自然災(zāi)害期間，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動，但因混凝土本身是惰性材料，要達(dá)到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動功能的組件材料。

1.3 自修復(fù)智能混凝土

混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)是帶縫工作的。一旦混凝土發(fā)生裂縫，要想檢查和維修都很困難。自修復(fù)混凝土就是應(yīng)這方面的需要而產(chǎn)生的。自愈合混凝土就是模仿生物組織，對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特性組分（如含有粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用粘結(jié)材料和基材相復(fù)合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。這樣便在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機與無機物，它們相互穿插粘結(jié)，最終形成的復(fù)合材料是與動物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機與有機相結(jié)合的材料，具有優(yōu)異的強度及延性等性能。而且在材料使用過程中，如果發(fā)生損傷，多孔有機纖維會釋放高聚物，愈合損傷。

2 智能混凝土研究現(xiàn)狀和應(yīng)注意的問題

前面所述的自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡化形式。如果投入實際工程，還有很多問題需要進(jìn)一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復(fù)粘結(jié)劑的選擇。解決上述一系列問題將對智能混凝土今后的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為促進(jìn)智能混凝土研究工作的順利開展，本人認(rèn)為有必要就以下幾點形成共識：

2.1 開發(fā)應(yīng)有針對性。所謂針對性就是要針對混凝土性能發(fā)生惡化和結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞等現(xiàn)象，考慮不同的智能方法，如針對這些現(xiàn)象，設(shè)想開發(fā)出一種能應(yīng)對所有這些情況的手段是很困難的。

2.2 實施中應(yīng)具有可行性。澆注混凝土多在施工現(xiàn)場進(jìn)行，因而作為智能混凝土的施工方法，對其技術(shù)與工藝要求不能過高，并能大量應(yīng)用而且成本較低。

2.3 設(shè)計應(yīng)具有綜合性。采用智能化，雖然可以提高材料的耐久性，但也會帶來負(fù)面作用。如由于使用了某種材料雖然能對某種惡化現(xiàn)象進(jìn)行控制和改善，但是否會對強度等其它性能有所影響，設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行綜合考慮和權(quán)衡。

3 結(jié)語

智能混凝土是智能化時代的產(chǎn)物，它在對重大土木基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)變的實量監(jiān)測、損傷的無損評估、及時修復(fù)以及減輕臺風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全和長期的耐久性都具有重要性。而且在現(xiàn)代建筑向智能化發(fā)展的背景下，對傳統(tǒng)的建筑材料的研究、制造、缺陷預(yù)防和修復(fù)等都提出了強烈的挑戰(zhàn)。智能混凝土材料作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，為傳統(tǒng)建材的未來發(fā)展注入了新的內(nèi)容和活力，也提供了全新的機遇。其發(fā)展必將使混凝土材料的應(yīng)用具有更廣闊的前景和產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

[1]程顯強.智能混凝土的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].低溫建筑技術(shù)，2009-05-28.

[2]姚忠偉.智能混凝土的研究及其發(fā)展[J].新型建筑材料，2005-02-25.