智能混凝土相關(guān)技術(shù)發(fā)展研究

張偉剛

摘 要：隨著現(xiàn)代材料的不斷進(jìn)步，混凝土已逐漸向高強(qiáng)、高性能、多功能和智能化發(fā)展。停留在被動和計劃模式的混凝土檢測與修復(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)--功能（智能）一體化的發(fā)展趨勢。本文主要介紹了智能混凝土的產(chǎn)生、發(fā)展和現(xiàn)狀，展望了智能混凝土的發(fā)展趨勢和前景，并對該類型建筑在研究中應(yīng)當(dāng)注意的問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述。

關(guān)鍵詞：智能；混凝土；研究；發(fā)展

0.引言

混凝土作為主要的建筑材料經(jīng)過了一個漫長的發(fā)展過程，它的發(fā)展凝聚著時代的最新科技成果，順應(yīng)著人類的物質(zhì)和精神需求?，F(xiàn)在混凝土智能化的研究和開發(fā)成了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文簡述智能混凝土的發(fā)展歷程，并對智能混凝土的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上展望智能混凝土的應(yīng)用前景。

1.智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

通常情況下，我們把"能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動"的材料稱為智能材料。與普通材料不同的是雖然它不具有現(xiàn)實(shí)意義上的的生命形式，但是它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。換句話來說它能模仿生命系統(tǒng)，具有自感知和記憶，自適應(yīng)，自修復(fù)特性的多功能，它保留了混凝土原有組分同時復(fù)合了智能型組分。

智能混凝土優(yōu)點(diǎn)很多，諸如：有效地預(yù)報混凝土材料內(nèi)部的損傷；自我檢測結(jié)構(gòu)的安全性，防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在脆性破壞；自動進(jìn)行修復(fù)，顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝土集自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)等多種功能于一身，缺一不可。但是以當(dāng)前科技發(fā)展水平，設(shè)計完善的智能混凝土材料還相當(dāng)困難。但近年來損傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現(xiàn)，為智能混凝土的研究打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1損傷自診斷混凝土

普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能，但如果在混凝土基材中加入了其它材料，就使混凝土本身具備了本征自感應(yīng)功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中碳類、金屬類和光纖比較常用?，F(xiàn)在社會上主要有2種研究比較熱門的損傷自診斷混凝土：碳纖維智能混凝土、光纖傳感智能混凝土。損傷自診斷混凝土的自感應(yīng)功能包括壓敏性和溫敏性等。

1.2自調(diào)節(jié)智能混凝土

混凝土常常承受的偶然荷載包括：臺風(fēng)、地震等。人們往往希望混凝土在承受這些荷載時，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動。但是混凝土本身是惰性材料，無法實(shí)現(xiàn)這一功能。自調(diào)節(jié)智能混凝土應(yīng)運(yùn)而生，它同時具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。所謂的自調(diào)節(jié)智能混凝土是在它內(nèi)部復(fù)合具有驅(qū)動功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。這種材料具有形狀記憶效應(yīng)，舉例來說，若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當(dāng)加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現(xiàn)的殘余變形消失，并恢復(fù)到原來的尺寸。因此當(dāng)在混凝土中埋入形狀記憶合金時，可以利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載于擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

1.3自修復(fù)智能混凝土

當(dāng)混凝土承受荷載時，就回變形甚至出現(xiàn)裂縫。帶縫工作的混凝土，強(qiáng)度會降低。如果空氣中的CO2、酸雨和氯化物等通過裂縫侵人混凝土內(nèi)部，將會使混凝土發(fā)生碳化，腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，這對地下結(jié)構(gòu)物或盛有危險品的處理設(shè)施尤為不利，同時要想檢查和維修混凝土的裂縫是很困難的。像現(xiàn)實(shí)生活中可以見到人的皮膚劃破后，經(jīng)一段時間皮膚會自然長好，而且修補(bǔ)得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合一樣，自愈合混凝土就模仿了這一生物組織。當(dāng)遭受創(chuàng)傷時，可以自動分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能。能夠在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)系統(tǒng)的組分是混凝土組分中的具有復(fù)合特性的材料，它促使混凝土模仿動物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理。采用粘結(jié)材料和基材相復(fù)合的，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。

日本的東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者的研究成果中，把內(nèi)含粘結(jié)劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，如果在外力作用下，混凝土發(fā)生了開裂，粘結(jié)液流出并深人裂縫。具有剛強(qiáng)度粘結(jié)力的粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。

2智能混凝土研究現(xiàn)狀和應(yīng)注意的問題

不管是自診斷、自調(diào)節(jié)復(fù)混凝土還是自修復(fù)混凝土，都處在智能混凝土的初級階段，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能混凝土的全部要求。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，可以稱之為機(jī)敏混凝土。它們的功能單一，并不囊括智能混凝土的各種功能。隨著對建筑材料的不斷認(rèn)識，人們正致力于將2種以上功能進(jìn)行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。這種混凝土將集合自感應(yīng)、自凋節(jié)和自修復(fù)組件材料等，并把原始混凝土作為基材，各材料之間依據(jù)結(jié)構(gòu)需要排列，以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化。

從長遠(yuǎn)來看，智能混凝土發(fā)展前景良好，但是依舊有很長的路要走。很多細(xì)節(jié)上的問題亟待解決。例如：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；封入的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。為促進(jìn)智能混凝土研究工作的順利開展有必要就以下幾點(diǎn)形成共識：

（1）有針對性的開發(fā)。在設(shè)計中，考慮的范圍越大，目標(biāo)越多，開發(fā)出能應(yīng)對所有這些情況的手段是很困難的。因此要縮小智能化范圍，以某種功能為對象，從而開發(fā)出相對最適應(yīng)的方法。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。

（2）具有可操作性。設(shè)計當(dāng)與當(dāng)前施工技術(shù)水平相一致，否則在施工中沒有辦法達(dá)到要求。一般來說，選用的材料應(yīng)具有選用的材料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，要有利于安全使用，不揮發(fā)任何有刺激的氣味和其它有害物質(zhì)，并能大量應(yīng)用而且成本較低。另外，施工方法對其技術(shù)與工藝要求不能過高。

3.結(jié)語

智能混凝土是仿生學(xué)的產(chǎn)物，模仿生物的感知能力，可以實(shí)時地自我檢測，評估損傷，及時修復(fù)。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，臺風(fēng)、地震等災(zāi)難頻頻發(fā)生，這就加劇了人們對智能建筑的需求。它的的發(fā)展勢頭良好，但依舊需要人們不斷的探索，不斷的完善智能混凝土的功能，確保建筑物的安全和長期的耐久性。

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