土木工程中智能材料的應(yīng)用研究與發(fā)展

周 成 峰

(建發(fā)房地產(chǎn)集團(tuán)長(zhǎng)沙有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

·建筑材料及應(yīng)用·

土木工程中智能材料的應(yīng)用研究與發(fā)展

周 成 峰

(建發(fā)房地產(chǎn)集團(tuán)長(zhǎng)沙有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

針對(duì)智能材料的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了光導(dǎo)纖維材料、形狀記憶合金、壓磁材料、碳纖維混凝土、壓電材料等智能材料的基本特征，在分析了各智能材料的優(yōu)勢(shì)后，重點(diǎn)分析了智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,并根據(jù)相關(guān)研究成果，對(duì)智能材料發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題做了闡述，并就智能材料未來(lái)的研究及發(fā)展前景提出了幾點(diǎn)建議。

智能材料，土木工程，混凝土，應(yīng)用前景

0 引言

材料技術(shù)的快速發(fā)展，使得越來(lái)越多的高新技術(shù)被運(yùn)用到工程材料的研發(fā)中，各種新型材料層出不窮，以復(fù)合材料為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的智能材料，為解決相應(yīng)材料的力學(xué)問(wèn)題提供了科學(xué)牢靠的途徑。作為有著多學(xué)科交叉背景的綜合學(xué)科，智能材料為土木工程中日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提供了實(shí)現(xiàn)的可能性，因此這一學(xué)科的研究也日益受到重視。

諸如大跨度橋梁、高層建筑、水利樞紐、海洋鉆井平臺(tái)以及油氣管網(wǎng)系統(tǒng)之類(lèi)的基建設(shè)施，在其較長(zhǎng)的使用期中，外界各種不利作用會(huì)使得組成這些結(jié)構(gòu)的材料發(fā)生不可逆的變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度地性能衰減、功能弱化，甚至?xí)T發(fā)重大工程事故[1]。若是能將智能材料運(yùn)用到這些超規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)物中，時(shí)刻能夠評(píng)定相應(yīng)的安全性能、監(jiān)控?fù)p傷，并智能修復(fù)，將為未來(lái)工程建設(shè)提供新的發(fā)展思路。

所謂智能材料，是指隨時(shí)能夠?qū)Νh(huán)境條件及內(nèi)部狀態(tài)的變化做出精準(zhǔn)、高效、合適的響應(yīng)，同時(shí)還具備自主分析、自我調(diào)整、自動(dòng)修復(fù)等功能的新材料。受仿生學(xué)科的啟發(fā)，其目標(biāo)是要開(kāi)發(fā)出能運(yùn)用到具體工程中、且類(lèi)似于AI的各項(xiàng)功能，將無(wú)機(jī)材料變的有生命活力[2]。20世紀(jì)90年代初逐漸興起的智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，吸引了包括物理、化學(xué)、電子、航空航天、土木工程等領(lǐng)域的研究者涉足其中，取得的成果也極為豐碩。

1 智能材料的概念及特點(diǎn)

發(fā)源于“自適應(yīng)材料”(Adaptive Material)，在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系統(tǒng)逐漸受到全世界各國(guó)官方機(jī)構(gòu)的認(rèn)可與重視，發(fā)展迅速。智能材料(Intelligent Material，IM)，當(dāng)前沒(méi)有一個(gè)明確的定義，不過(guò)大體上，都是根據(jù)功能做出相應(yīng)的定義，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，具有不可限量的未來(lái)前景。

智能材料產(chǎn)生的背景決定了其所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，決定了其終將會(huì)帶來(lái)材料科學(xué)的重大革新。通常而言，智能材料主要有以下七大功能：

1)傳感：能夠?qū)?nèi)外部的作用進(jìn)行監(jiān)控與鑒別；

2)反饋：將監(jiān)控獲取的信息進(jìn)行傳輸以及反饋；

3)信息識(shí)別與積累：識(shí)別并記憶反饋來(lái)的信息；

4)響應(yīng)：對(duì)內(nèi)外部的變化做出靈活有效的反應(yīng)；

5)自診斷：對(duì)內(nèi)外部信息實(shí)施自行診斷、分析、評(píng)判等；

6)自修復(fù)：依特定的方法修復(fù)系統(tǒng)的故障；

7)自適應(yīng)：待外部作用消失后可恢復(fù)原狀。

當(dāng)然，在具體的工程中，若要實(shí)現(xiàn)這么多的功能，僅僅依靠單一材料肯定是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此通常情況下都是通過(guò)多種智能材料的組合才能達(dá)成目的。

2 智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1光導(dǎo)纖維

光纖維的主要化學(xué)成分為二氧化硅，作為信息傳遞的絕佳介質(zhì)，有著其他任何材料無(wú)法比擬的傳導(dǎo)能力。材料主要由內(nèi)層圓柱形透明介質(zhì)和外層圓環(huán)形透明介質(zhì)組成，內(nèi)層為纖芯，外層為包層。內(nèi)外層折射率的差異能夠保證攜帶信息的光在纖維里面能量損失少，傳輸距離大。

將光纖維植入到混凝土結(jié)構(gòu)中，制成光纖維混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)因外部因素的變化而產(chǎn)生變形時(shí)，植入混凝土結(jié)構(gòu)中的纖維也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致纖維中的光發(fā)生改變，相應(yīng)的傳感器能夠直接獲取變化，從而間接確定混凝土結(jié)構(gòu)的各種性能變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的全方位監(jiān)測(cè)，為工程的可持續(xù)性提供技術(shù)指導(dǎo)。并且，分布監(jiān)控的模式可保證混凝土結(jié)構(gòu)任何部位的改變均能被監(jiān)測(cè)到，相當(dāng)于在混凝土結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造了一個(gè)全覆蓋、光角度、無(wú)死角的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，兩者組合而成的光纖維混凝土可以認(rèn)為是一種具有強(qiáng)大自我調(diào)節(jié)的智能材料。

當(dāng)前，光纖維混凝土結(jié)構(gòu)主要的工程應(yīng)用包括：混凝土的溫度及溫度應(yīng)力監(jiān)測(cè)、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測(cè)與診斷、混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形監(jiān)測(cè)、與混凝土結(jié)構(gòu)配合的鋼索應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)等。

2.2形狀記憶合金(SMA)

何謂記憶合金，顧名思義，材料具有形狀記憶能力。當(dāng)材料的形狀被改變后，其內(nèi)在的記憶效應(yīng)可被激發(fā)出來(lái)，進(jìn)而自動(dòng)產(chǎn)生回復(fù)應(yīng)力與應(yīng)變，驅(qū)使材料恢復(fù)原狀。同時(shí)，合金材料能夠傳輸能量并實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存。

鑒于此，工程中可將記憶材料安置在結(jié)構(gòu)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、裂縫、損傷以及外界動(dòng)荷載影響時(shí)，大部分的能量可被記憶合金材料消耗掉，極大地提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，若將材料運(yùn)用到多震地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中，則會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震能力的吸收與耗散，極大的提高建筑物的抗震性能，此舉屬于材料的智能被動(dòng)控制。

形狀記憶合金材料所具有的相變超彈性，使得其可以用來(lái)制作耗能阻尼器，這種阻尼器實(shí)現(xiàn)了智能被動(dòng)控制[3]。同時(shí)，由于其相變會(huì)引起超彈性滯回環(huán)的產(chǎn)生，使得材料具有極高的抗疲勞性[4]，以此為基礎(chǔ)制作的阻尼器使用周期遠(yuǎn)勝于普通的阻尼器，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)品質(zhì)的大幅度提高。

2.3壓磁材料

土木工程領(lǐng)域，常規(guī)的壓磁材料主要包括磁流變材料和磁致伸縮智能材料等。

在外部磁場(chǎng)作用下，磁流變液懸浮體系的黏彈塑性會(huì)發(fā)生明顯的變化，并且這種變化是可逆的[5]。當(dāng)外部磁場(chǎng)超過(guò)一定強(qiáng)度后，磁流變也會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)變成固態(tài)，微觀上表現(xiàn)為材料的分散相顆粒沿著磁場(chǎng)方向結(jié)成了鏈狀結(jié)構(gòu)。

磁流變液介于液體與固體之間的這種獨(dú)特的可變屬性，以及對(duì)這種特性實(shí)施控制時(shí)耗能低、變化范圍廣、成本低等特性，使得磁流變液成為工程結(jié)構(gòu)中作動(dòng)器件的重要材料[6]。當(dāng)前，磁流變液主要被應(yīng)用到元器件的控制橋路以及電源的高速開(kāi)關(guān)等多個(gè)領(lǐng)域。且磁流變液在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在高層建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度結(jié)構(gòu)等。

同時(shí)，有著高磁致伸縮效應(yīng)的磁致伸縮智能材料，可以保證材料在機(jī)械與電磁之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4碳纖維混凝土材料

工程中混凝土的作用范圍很廣泛，因此對(duì)混凝土材料的改善也日益得到科研人員和工程從業(yè)者的支持，碳纖維混凝土的產(chǎn)生正是這一領(lǐng)域發(fā)展的重要產(chǎn)物，在混凝土中摻加一定比例的碳纖維，可賦予混凝土材料以驅(qū)動(dòng)功能和本征自感應(yīng)。作為一種高強(qiáng)度、高彈性、大導(dǎo)電性的材料，碳纖維的加入能極大地改善混凝土的強(qiáng)度與韌性，并且碳纖維之間會(huì)形成具有電阻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而在材料中起到阻隔導(dǎo)電的勢(shì)壘，大大降低混凝土材料的電阻率，從而使得材料的導(dǎo)電能力得到數(shù)量級(jí)上的顯著變化[7]。不可忽視的是，這種混凝土的電導(dǎo)率與溫度及應(yīng)力的變化表現(xiàn)出規(guī)律性的響應(yīng)[8]。

同時(shí)，碳纖維混凝土在溫度上表現(xiàn)為溫度變化造成電阻的變化，并且材料內(nèi)部的溫差也會(huì)衍生出熱電效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下碳纖維混凝土?xí)a(chǎn)生熱變效應(yīng)(熱效應(yīng)與變形)。碳纖維的含量和混凝土材料的結(jié)構(gòu)共同影響材料的溫敏性，當(dāng)碳纖維的含量超過(guò)一定比例時(shí)，材料才有可能形成較為穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)。

而碳纖維的摻入方式主要有兩種：短切亂向分布和連續(xù)碳纖維束單向增強(qiáng)。采取不同的摻入方式能使得碳纖維混凝土的力學(xué)性能得到不同程度的強(qiáng)化與提高，工程實(shí)踐表明：第一種方式更具有實(shí)用性。

2.5壓電材料

具有壓電效應(yīng)的壓電材料，經(jīng)常被用作驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件。當(dāng)壓電材料受到外部因素作用時(shí)會(huì)因?yàn)槠渥陨戆l(fā)生變形而產(chǎn)生電勢(shì)，而對(duì)材料再施加一定電壓時(shí)又會(huì)改變材料的尺寸，壓電效應(yīng)由此而來(lái)。利用這一特點(diǎn)，壓電材料可用作傳感元件，通過(guò)壓電元件的變化來(lái)判斷元件所在位置處結(jié)構(gòu)的變形量。與此同時(shí)，若能在壓電元件外部形成電場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)壓電元件內(nèi)部的正負(fù)電子施加定向電場(chǎng)力，從而迫使元件發(fā)生變形，制成驅(qū)動(dòng)元件。利用驅(qū)動(dòng)元件，可改變材料的應(yīng)力狀態(tài)，甚至?xí)绊懖牧系慕Y(jié)構(gòu)變形?？紤]到壓電材料的變化均在極短時(shí)間內(nèi)完成，因此壓電效應(yīng)主要適用于對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制上。

3 智能材料的未來(lái)發(fā)展

3.1智能材料性能的發(fā)展

智能材料有著獨(dú)特的優(yōu)越性能廣闊的發(fā)展前景，但是由于這一領(lǐng)域處于多學(xué)科交叉的研究前沿，所存在的問(wèn)題也亟待深究：

1)形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)，改變了很多傳統(tǒng)理念，胡克定律在合金材料這里基本上不再適用了，其所具有的智能功能使得傳統(tǒng)的力學(xué)研究方法難以合理地解釋其內(nèi)在的機(jī)理，因此需要研究者另辟蹊徑，從宏觀與微觀的角度重新去探究這種新材料的原理，建立一些實(shí)用性較強(qiáng)的理論和模型，以對(duì)具體的工程實(shí)際進(jìn)行規(guī)范化的指導(dǎo)。

同時(shí)，當(dāng)前形狀記憶合金還不完善，耗能高、功能單一等缺點(diǎn)使得其的實(shí)用性不強(qiáng)，能夠開(kāi)發(fā)出低能耗、出力大、多功能的控制器則是未來(lái)研究的重要方向。

2)可以預(yù)見(jiàn)壓電材料將會(huì)成為工程結(jié)構(gòu)中力學(xué)測(cè)量的首選感測(cè)元件，但是其存在的最主要的問(wèn)題就是驅(qū)動(dòng)力小，雖然已經(jīng)有一些技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷，但是對(duì)于大規(guī)模的土木工程結(jié)構(gòu)而言，壓電材料并不能直接應(yīng)用，復(fù)雜的理論分析、高難度的集成技術(shù)研發(fā)，以及壓電驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法難度較大，都是制約壓電材料未來(lái)發(fā)展的瓶頸，是研究的難點(diǎn)、熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

3)壓磁材料所面臨的問(wèn)題是在長(zhǎng)期的放置之后，會(huì)產(chǎn)生固體顆粒沉降，這種沉降對(duì)材料的穩(wěn)定性有著怎樣的影響效應(yīng)也需要更深入的研究。并且，其溫度適應(yīng)范圍較小，若能夠拓寬溫度作用范圍，將使得壓磁材料有著更大的發(fā)展前景。

3.2智能材料研究難題

針對(duì)材料本身所面臨的問(wèn)題主要有以上三種，而對(duì)于整個(gè)智能材料研究領(lǐng)域而言，未來(lái)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要有下列一些難題：

1)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與保養(yǎng)；

2)形狀自適應(yīng)材料與結(jié)構(gòu)；

3)結(jié)構(gòu)減振抗震抗風(fēng)降噪的自適應(yīng)控制。

這些問(wèn)題的進(jìn)一步研究，將有助于工程質(zhì)量的提高，降低工程災(zāi)害性事故的概率，強(qiáng)化工程的安全可靠性，推動(dòng)土木工程領(lǐng)域的高技術(shù)發(fā)展，為土木工程領(lǐng)域注入新的發(fā)展的動(dòng)力與機(jī)遇。

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Applicationanddevelopmentofintelligentmaterialsincivilengineeringstructures

ZhouChengfeng

(ChangshaLimitedCompany,JianfaRealEstateGroup,Changsha410000,China)

According to the characteristics of intelligent materials, we introduce the basic characteristics of material, including the shape memory alloy, the magnetic materials, the piezoelectric materials, the carbon fiber reinforced concrete and the fiber optic smart materials. In the analysis of the intelligent material advantage, we focus on the analysis of the application of intelligent materials in civil engineering structure. According to the research results, the problems in the development of smart materials are described, and some suggestions for the future research and development of smart materials are put forward.

intelligent materials, civil engineering, concrete, application prospect

TB381

A

1009-6825(2017)26-0116-03

2017-07-03

周成峰(1992- )，男，工程師