土木工程建設(shè)中智能材料的應(yīng)用

胡云峰

（河南加寶置業(yè)有限公司，河南開封 475000）

土木工程建設(shè)中智能材料的應(yīng)用

胡云峰

（河南加寶置業(yè)有限公司，河南開封 475000）

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提高，土木工程建設(shè)也獲得了極大的發(fā)展。基于此，對(duì)土木工程建設(shè)中智能材料的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究，分析智能材料的概念及特點(diǎn)，從而對(duì)其具體的應(yīng)用作詳細(xì)的闡述。

土木工程；建設(shè)施工；智能材料；應(yīng)用

1 智能材料概述

20世紀(jì)70年代，在建筑項(xiàng)目領(lǐng)域中使用智能材料的想法及理念，率先由美國(guó)提出，且在經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試和試驗(yàn)之后，得出了智能材料所具備的基本特征。而隨著各部門對(duì)土木工程建設(shè)重視度的不斷提高，以及相關(guān)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，在土木工程建設(shè)領(lǐng)域還逐漸發(fā)展出了自適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)的材料、機(jī)敏材料及智能材料等。

1.1 智能材料的概念

目前，在土木工程建設(shè)領(lǐng)域中，對(duì)于智能材料的定義還缺乏一定的標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一性?？傮w而言，在土木工程建設(shè)領(lǐng)域中，一般智能材料主要是指能夠感知內(nèi)部環(huán)境及外界環(huán)境的，并能夠準(zhǔn)確地判定及處理分析建筑，同時(shí)還具有相應(yīng)的適度性的建筑材料。智能材料是繼天然材料、人工合成材料、高分子材料等之后，逐漸在建筑領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展出來(lái)的一種新型施工材料，其能夠在日后的土木工程建設(shè)中發(fā)揮出更大的作用。

1.2 智能材料的特征

在土木工程建筑建設(shè)中，其所使用到的智能材料，一般具備以下幾個(gè)基本特征：自適應(yīng)功能、自我修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)的功能、識(shí)別和積累信息的功能、相應(yīng)功能、自診斷功能、傳感功能和反饋功能等。而目前在土木工程建設(shè)的過(guò)程中，所使用的智能材料主要具有以下特征：①智能材料能夠準(zhǔn)確地感知外界環(huán)境，還能對(duì)環(huán)境中存在的刺激及其強(qiáng)度進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)，如應(yīng)變量、化學(xué)能、核輻射、熱能、光能及應(yīng)力等；②智能材料還具備驅(qū)動(dòng)功能，能夠適應(yīng)外界的相應(yīng)變化；③智能材料還能根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的方式，對(duì)自身進(jìn)行相應(yīng)的控制，并能夠?qū)唧w的方式進(jìn)行相應(yīng)的選擇；④智能材料還能快速地對(duì)外界的刺激進(jìn)行反應(yīng)，且這一反映非常恰當(dāng)；⑤智能材料能夠在外界的刺激消失之后，以最短的時(shí)間、最快的速度恢復(fù)到最初的狀態(tài)。

2 土木工程建設(shè)中智能材料的應(yīng)用

2.1 壓電材料

在傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)中，一般應(yīng)用的壓電體為集成式，其主要是通過(guò)傳感壓電的原件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式和狀態(tài)加以感知，并根據(jù)其輸出的感知結(jié)果，來(lái)確定控制算法應(yīng)輸入的壓電體，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制，這也是智能結(jié)構(gòu)中展開壓電類研究與應(yīng)用的前沿領(lǐng)域［1］。目前，一些研究人員主要利用陶瓷壓電體作為加速驅(qū)動(dòng)與傳感器，對(duì)控制主動(dòng)振動(dòng)及主被動(dòng)阻尼在壓電層合結(jié)構(gòu)中的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的研究。近年來(lái)，隨著堆技術(shù)與壓電材料的不斷發(fā)展，促使智能材料中的壓電類材料的研究與應(yīng)用也變得更加廣泛。目前，土木工程建設(shè)中應(yīng)用的壓電材料，一般更注重健康監(jiān)測(cè)、安全評(píng)定、控制靜變形能及主動(dòng)控制噪聲等方面，并且取得了非常好的效果。

2.2 形狀記憶合金

在土木工程建設(shè)中，一種具有記憶形狀效應(yīng)的合金智能材料，即為形狀記憶合金。其是一種具有新型功能的智能材料，優(yōu)勢(shì)主要是：在發(fā)揮材料的記憶形狀效應(yīng)時(shí)，其能夠產(chǎn)生8%左右的應(yīng)變回復(fù)，以及大于700MPa的應(yīng)力回復(fù)，并且具備的傳輸與儲(chǔ)存能量的功能非常強(qiáng)［2］。在該智能材料的應(yīng)用過(guò)程中，這一優(yōu)勢(shì)促使其能夠在各種建筑結(jié)構(gòu)中都能靈活應(yīng)用，并且還能實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的適應(yīng)控制、增強(qiáng)、增韌及自我診斷等方面的研究和應(yīng)用。同時(shí)，該智能材料還能夠用于智能驅(qū)動(dòng)器的研制，并且在結(jié)構(gòu)振動(dòng)、裂縫、損傷及變形等方面都能展開相應(yīng)的研究和應(yīng)用。而形狀記憶合金這類智能材料的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，具有一定的相變滯后及相變偽彈等性能。在加卸載過(guò)程中，其應(yīng)變-應(yīng)力曲線能夠形成環(huán)狀，這就意味著該智能材料在此過(guò)程中能夠?qū)⑤^多耗散的能量重新吸收回來(lái)。形狀記憶合金材料的相變回復(fù)應(yīng)力高達(dá)400MPa，根據(jù)其特性還能對(duì)控制被動(dòng)耗能的系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)，且研制出來(lái)的系統(tǒng)還能夠獲得一定的相變偽彈功能，因而能夠用于土木工程建設(shè)中的被動(dòng)控制耗能抗震。一般在建筑結(jié)構(gòu)的底部或者層間安裝一個(gè)控制被動(dòng)耗能的系統(tǒng)，就能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的層間變形進(jìn)行相應(yīng)的感知，并且能夠?qū)Φ卣鹉芰窟M(jìn)行適當(dāng)?shù)南摹＝?jīng)有關(guān)研究表明，形狀記憶合金耗能器安裝之后，大約可以吸收的地震能量在2/3左右，且對(duì)結(jié)構(gòu)的位移具有顯著的抑制作用。

2.3 壓磁材料

在外界加磁場(chǎng)的影響下，磁留懸浮變液體系所具備的各種流變性質(zhì)均能產(chǎn)生非常顯著的可逆變化。當(dāng)臨界值低于外加場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，這一變液就會(huì)從液體狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變成固體狀態(tài)，同時(shí)利用顯微鏡進(jìn)行觀察，可以看到：在磁場(chǎng)的作用下，這一變液的相分散顆粒能夠順著磁場(chǎng)的方向逐漸形成連狀結(jié)構(gòu)。處于固體與液體之間的變液，其能夠結(jié)合自身的特點(diǎn)，即可逆性質(zhì)、可控性質(zhì)及快速性等，對(duì)流體的特性實(shí)時(shí)控制，但此時(shí)需要的能量較低，因而在土木工程建設(shè)的智能結(jié)構(gòu)中，一般動(dòng)器件所用的材料主要為磁流變液。同時(shí)，在土木工程建設(shè)領(lǐng)域，大跨度的橋梁、高層建筑及電視塔等結(jié)構(gòu)，其所使用的壓磁材料，主要是用于半主動(dòng)控制地震。另外，在壓磁材料的相關(guān)研究中，磁致伸縮的材料也獲得了社會(huì)的廣泛關(guān)注。這種智能材料的磁致伸縮功能非常強(qiáng)，機(jī)械能及電磁能之間能夠?qū)崿F(xiàn)有效的逆轉(zhuǎn)換，因而在土木工程建設(shè)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景，這一智能材料主要適用于控制精密定位、聲吶系統(tǒng)、超聲大功率器件等各個(gè)建筑領(lǐng)域。

2.4 光導(dǎo)纖維

在土木工程建設(shè)中，光導(dǎo)纖維主要由兩部分構(gòu)成，即內(nèi)芯與外包層，其是一種光通信的纖維狀介質(zhì)材料，主要是在通信傳輸系統(tǒng)中，最初使用先進(jìn)的傳輸信息技術(shù)，其在容量與速度上，信息載體的光子要大于電子這一載體，因而其發(fā)展速度非?？?。光子主要具備一定的高信息率及高并行的信息處理能力，其能充分發(fā)揮出信息處理速度與容量中存在的潛力。光導(dǎo)纖維在遠(yuǎn)距離信息傳輸、傳感及監(jiān)測(cè)等各個(gè)方面，都能獲得廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的土木工程建設(shè)的混凝土結(jié)構(gòu)中，使用光導(dǎo)纖維作為傳感的原件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的實(shí)時(shí)診斷、控制、檢測(cè)、評(píng)價(jià)及預(yù)報(bào)等功能，并且在買入驅(qū)動(dòng)元件如形狀記憶合金之后，就能將信息控制元件及處理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，促使土木工程建設(shè)的混凝土結(jié)構(gòu)能夠獲得一定的智能功能，從而達(dá)到自動(dòng)修復(fù)及診斷混凝土結(jié)構(gòu)的目的。另外，在混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)于地震響應(yīng)的主動(dòng)控制及診斷等，設(shè)計(jì)的傳感器中使用的材料比較理想的就是光導(dǎo)纖維材料。

3 智能材料未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在土木工程建設(shè)中，智能材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)如下：首先，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，在土木工程建筑結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)元件及集成傳感的原件，能夠利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確保土木工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和設(shè)施的可靠性與安全性；其次，能夠?qū)ν聊竟こ探ㄔO(shè)的結(jié)構(gòu)形狀與材料進(jìn)行自適應(yīng)，這樣土木工程結(jié)構(gòu)就能對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行承載和傳遞，同時(shí)還能對(duì)結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行檢測(cè)與改變；最后，能夠?qū)拐?、降噪、抗風(fēng)及減振等進(jìn)行自適應(yīng)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

在土木工程建設(shè)過(guò)程中，智能材料的應(yīng)用非常廣泛，同時(shí)使用的各種元件也逐漸趨向于高功率化、多功能化及小型化。在土木工程建筑結(jié)構(gòu)中，連接元件、耦合原件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和復(fù)核控制系統(tǒng)等的應(yīng)用，促使土木工程建筑逐漸朝著智能化、主動(dòng)式的結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，因而能夠?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ詈凸ぷ魈峁└影踩孢m的環(huán)境。

［1］黃浦時(shí).關(guān)于智能材料在土木工程建設(shè)中的研究［J］.數(shù)字化用戶，2013（11）：27.

［2］寧學(xué)前.智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用［J］.科技資訊，2011（2）：38.

Application of Intelligent Materials in Civil Engineering Construction

Hu Yunfeng
（Henan Jia Bao Properties Limited，Kaifeng Henan 475000）

In recent years,with the continuous improvement of the national economy,civil engineering construction has also been a great development.Based on this,the application of intelligent materials in civil engineering construction was studied,the concept and characteristics of intelligent materials were analyzed,and the concrete application of intelligent materials were described in detail.

civil engineering；construction；intelligent material；application

TU59

A

1003-5168（2016）11-0100-02

2016-10-13

胡云峰（1968-），男，本科，工程師，研究方向：建筑技術(shù)。