智能混凝土在城市橋梁工程中的應(yīng)用前景研究

尹 超，王澤榮

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 酒泉 735000）

科技研究

智能混凝土在城市橋梁工程中的應(yīng)用前景研究

尹 超，王澤榮

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 酒泉 735000）

智能混凝土是通過(guò)在普通混凝土中復(fù)合特殊材料而形成特殊功能的新型混凝土，能顯著提高混凝土工程的性能。相比于普通混凝土智能混凝土具有自感知、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)、高阻尼能特性。結(jié)合城市橋梁工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合智能混凝土自身特征探討智能混凝土在城市橋梁工程中的發(fā)展前景。

智能；混凝土；應(yīng)用；前景

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的迅猛推進(jìn)，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，城市交通狀況日益擁堵嚴(yán)重。許多城市為了改善道路交通狀況，修建了大量的城市橋梁。由于國(guó)內(nèi)交通環(huán)境復(fù)雜，車(chē)輛超限超載現(xiàn)象非常嚴(yán)重，載超限車(chē)輛的運(yùn)行對(duì)現(xiàn)役城市橋梁工程安全造成嚴(yán)重威脅。曾經(jīng)發(fā)生過(guò)2012年8月24日哈爾濱陽(yáng)明灘大橋引橋坍塌事故，2011年7月19日北京懷柔區(qū)白河大橋坍塌等嚴(yán)重事故，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，我國(guó)在橋梁工程中注重設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中的安全防護(hù)手段，對(duì)于現(xiàn)役橋梁工程使用階段的檢測(cè)還沒(méi)有得到重視。當(dāng)前使用的一些檢測(cè)手段主要從日常外觀巡查，靜載實(shí)驗(yàn)、動(dòng)載實(shí)驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)等方面進(jìn)行。這些方法要么實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橋梁的損害或者存在檢測(cè)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、費(fèi)用高、影響交通等方面的問(wèn)題?，F(xiàn)役橋梁工程逐年的增加，如何保證橋梁安全使用，對(duì)橋梁管理部門(mén)提出巨大的挑戰(zhàn)。所以急需采用一種技術(shù)手段解決橋梁工程的日常檢修，保證橋梁工程的安全性及耐久性有著重要的工程意義，所以智能混凝土的應(yīng)用就有著重大的社會(huì)效益。

1 智能混凝土簡(jiǎn)介

從19世紀(jì)混凝土發(fā)明以來(lái)，建筑結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了從普通混凝土、復(fù)合材料混凝土、智能混凝土的發(fā)展歷程。由于傳統(tǒng)混凝土存在抗裂性能差、自重大、難修復(fù)等問(wèn)題，人們逐漸開(kāi)發(fā)了新型混凝土如透水混凝土、清水混凝土、生態(tài)混凝土、泡沫混凝土等種類(lèi)。但對(duì)于混凝土的智能化研究還在初級(jí)階段，目前，信息化、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，混凝土作為現(xiàn)階段土木工程的主要材料。如何使其具備智能化的研究和開(kāi)發(fā)，也成為混凝土研究者關(guān)注的熱點(diǎn)的。智能混凝土作為混凝土材料發(fā)展的高級(jí)階段，混凝土采用最新技術(shù)的研究也日益優(yōu)化，利用現(xiàn)階段最新技術(shù)使混凝土智能化也是科技進(jìn)步的體現(xiàn)。智能混凝土是指在原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分,使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料。根據(jù)這些特性可以有效的預(yù)報(bào)混凝土材料使用過(guò)程中的內(nèi)部損傷，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)自我安全檢測(cè)及修復(fù)功能，能顯著提高混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性及安全性。根據(jù)所復(fù)合的智能型組分的不同,智能混凝土主要分為碳纖維混凝土、光纖維混凝土、形狀記憶合金混凝土及其它一些有特殊功能的混凝土。

2 智能混凝土的種類(lèi)及性能[1-9]

2.1 損傷自診斷混凝土

普通混凝土沒(méi)有自感知能力，混凝土受損后不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，必須通過(guò)定期檢測(cè)或嚴(yán)重破壞時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)。目前研究應(yīng)用較多損傷自診斷混凝土主要分為兩大類(lèi)，根據(jù)復(fù)合材料的不同主要分為碳纖維和光纖維智能混凝土。碳纖維智能混凝土是在普通混凝土基材中復(fù)合短切碳纖維制備而成，見(jiàn)圖1、圖2。碳纖維可以顯著提高混凝土的強(qiáng)度和韌性，并能增大混凝土的導(dǎo)電性能。根據(jù)研究，碳纖維混凝土在結(jié)構(gòu)受外力作用階段，混凝土的電阻率的變化和內(nèi)應(yīng)力變化呈現(xiàn)線性狀態(tài)。普通混凝土的導(dǎo)電性能和受力狀態(tài)則沒(méi)有線性相關(guān)性，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，電阻率是突然增大的。根據(jù)碳纖維混凝土的電阻率和內(nèi)應(yīng)力變化的線性特性，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)試碳纖維混凝土所處的受力狀態(tài)，可以動(dòng)態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。光纖混凝土是把光纖維傳感器陣列直接埋入普通混凝土中而得到的智能混凝土。光在光纖中傳導(dǎo)過(guò)程易受到外界因素的影響，如溫度、壓力等外界因素對(duì)光的強(qiáng)度、相位、頻率等光波量產(chǎn)生影響。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集的光的變化信息，可以監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力及裂縫的變化程度，實(shí)現(xiàn)和混凝土的自診斷能力。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于損傷自診斷混凝土都有應(yīng)用案例，如加拿大的BeddingtonTrai雙跨度公路橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)，蕪湖長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)等都采用了自診斷智能混凝土技術(shù)。

圖1 短切碳纖維

圖2 碳纖維智能混凝土

2.2 自調(diào)節(jié)混凝土

自調(diào)節(jié)混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能?；炷两Y(jié)構(gòu)能和普通混凝土一樣正常負(fù)荷外，他還能在結(jié)構(gòu)受到超限負(fù)荷時(shí)，能夠減緩結(jié)構(gòu)損害和調(diào)整承載能力。通過(guò)在普通混凝土中埋入形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys,簡(jiǎn)稱(chēng)SMA），使混凝土具有形狀記憶及超彈性能力。在混凝土受到突然異常荷載時(shí)，通過(guò)記憶合金形狀的變化，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力及耐久性能?，F(xiàn)階段形狀記憶合金混凝土主要用來(lái)研究試驗(yàn)減去地震災(zāi)害。自調(diào)節(jié)混凝土的另外一種形式主要是改變環(huán)境狀態(tài)，通常是在混凝土配制過(guò)程中加入沸石粉，具有可以自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的功能。通過(guò)選擇不同類(lèi)型的沸石粉，可以制成符合實(shí)際應(yīng)用需要的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的智能混凝土，目前主要在民用建筑中應(yīng)用較多。

2.3 自修復(fù)混凝土

自修復(fù)混凝土主要是結(jié)構(gòu)受到損害后，通過(guò)自修復(fù)和再生恢復(fù)混凝土性能的新型混凝土，主要類(lèi)型分為主動(dòng)式修復(fù)和被動(dòng)式修復(fù)兩大類(lèi)。主動(dòng)式修復(fù)在混凝土中預(yù)埋裂紋感知系統(tǒng)和修復(fù)體（形狀記憶合金、空芯光纖修復(fù)技術(shù)等），當(dāng)混凝土在外部荷載或其他因素的影響下?lián)p壞時(shí)，傳感器能及時(shí)感應(yīng)并確定受損部位，同時(shí)把收集的信息傳送到控制中心，控制系統(tǒng)發(fā)出修復(fù)指令，釋放混凝土修復(fù)劑對(duì)受損部位進(jìn)行修復(fù)。被動(dòng)式修復(fù)是在混凝土中加入一些含有液態(tài)修復(fù)劑的特殊材料（液芯式纖維、修復(fù)微膠囊等），當(dāng)混凝土受到損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)變形將預(yù)埋于內(nèi)部的修復(fù)材料拉裂釋放修復(fù)劑進(jìn)行自我修復(fù)。

2.4 高阻尼混凝土

在普通混凝土中復(fù)合高阻尼材料，提高混凝土的阻尼比，從而能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。材料阻尼比的提高，能在結(jié)構(gòu)受振動(dòng)過(guò)程中消散能量。材料自身的阻尼比是消散能量的主要原因，提高材料的阻尼比，可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而避免外加裝置的使用與維修問(wèn)題。

3 智能混凝土在城市橋梁中的應(yīng)用前景

目前智能混凝土主要在大型土木水利工程、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、核電站及機(jī)場(chǎng)等工程中應(yīng)用，在城市橋梁中還沒(méi)有推廣使用。但現(xiàn)階段城市橋梁工程主要存在以下問(wèn)題：（1）城市橋梁工程區(qū)別于普通的土木建筑工程，承受動(dòng)荷載、沖擊荷載等外力作用，結(jié)構(gòu)損害難以通過(guò)傳統(tǒng)檢測(cè)方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)方法工作量較大。（2）城市橋梁結(jié)構(gòu)處于露天環(huán)境，橋梁結(jié)構(gòu)所遭受的惡劣的等外界環(huán)境因素，如化學(xué)腐蝕、風(fēng)雨腐蝕等。（3）由于城市橋梁的特殊使用功能，現(xiàn)階段大中城市交通狀態(tài)日益擁堵嚴(yán)重，傳統(tǒng)橋梁日常檢測(cè)維護(hù)都必須封閉交通，導(dǎo)致交通擁堵。（4）橋梁工程結(jié)構(gòu)安全要求較高，要在遭受自然災(zāi)害時(shí)要能有足夠的抵抗能力，保證交通的暢通。（5）橋梁結(jié)構(gòu)受損后修復(fù)難度大，通過(guò)外部補(bǔ)強(qiáng)措施施工難度大效果不好。智能混凝土具有自損監(jiān)測(cè)、自我修復(fù)、高阻尼等特性，能有效解決目前城市橋梁中存在的問(wèn)題，應(yīng)用前景廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

智能混凝土可單獨(dú)或與傳統(tǒng)混凝土構(gòu)成智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在橋梁過(guò)程中有著很廣的應(yīng)用前景。但目前研究還處于初級(jí)階段，大規(guī)模的推廣應(yīng)用還存在一些問(wèn)題：（1）目前智能混凝土的應(yīng)用還處于單一功能階段，集自修復(fù)、自診斷、自調(diào)節(jié)一體的智能混凝土還有待研究開(kāi)發(fā)。（2）智能混凝土施工工藝復(fù)雜，后期使用過(guò)程中需要特設(shè)設(shè)備。（3）智能混凝土的投入較普通混凝土高出很多，大范圍使用有一定困難。如果能解決以上存在的問(wèn)題，智能混凝土一點(diǎn)能在橋梁工程中大放光彩。

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TB381,U444

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：1009-7716（2017）02-0138-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.042

2016-11-13

尹超（1983-），男，甘肅徽縣人，講師，從事土木工程施工方面研究工作。