智能混凝土的研究

蔣瓊

摘 要： 本文研究了智能混凝土，包括損傷自診斷混凝土、自調(diào)節(jié)智能混凝土、自修復智能混凝土等。

關鍵詞： 智能；混凝土；結(jié)構(gòu)

智能材料，指的是“能感知環(huán)境條件，做出相應行動"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?shù)捻憫?，并具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復和預報壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎上復合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶，自適應，自修復特性的多功能材料。根據(jù)這些特性可以有效地預報混凝土材料內(nèi)部的損傷，滿足結(jié)構(gòu)自我安全檢測需要，防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在脆性破壞，并能根據(jù)檢測結(jié)果自動進行修復，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，智能混凝土是自感知和記憶、自適應、自修復等多種功能的綜合，缺一不可，以目前的科技水平制備完善的智能混凝土材料還相當困難。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的基礎。

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功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應功能，但在混凝土基材中復合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合物類、碳類、金屬類和光纖。其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。

（1）碳纖維智能混凝土

碳纖維是一種高強度、高彈性且導電性能良好的材料。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)部應力、應變和損傷程度的功能。通過觀測，發(fā)現(xiàn)水泥基復合材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對應的H3。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)部應力線性增加，當接近構(gòu)件的極限荷載時，電阻逐漸增大，預示構(gòu)件即將破壞。而基準水泥基材料的導電性幾乎無變化，直到臨近破壞時，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內(nèi)部的應力一應變關系。根據(jù)碳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。

在摻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行監(jiān)測。試驗發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應變傳感器，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應變片。

在疲勞試驗中還發(fā)現(xiàn)，無論在拉伸或是壓縮狀態(tài)下，碳纖維混凝土材料的體積電導率會隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應用這一現(xiàn)象對混凝土材料的疲勞損傷進行監(jiān)測。通過標定這種自感應混凝土，研究人員決定阻抗和載重之間的關系，由此可確定以自感應混凝土修筑的公路上的車輛方位、載重和速度等參數(shù)，為交通管理的智能化提供材料基礎。

碳纖維混凝土除具有壓敏性外，還具有溫敏性，即溫度變化引起電阻變化（溫阻性）及碳纖維混凝土內(nèi)部的溫度差會產(chǎn)生電位差的熱電性（Seebeck效應）。試驗表明在最高溫度為70℃，最大溫差為15℃的范圍內(nèi)，溫差電動勢（E）與溫差△t之間具有良好穩(wěn)定的線性關系。當碳纖維摻量達到一臨界值時，其溫差電動勢率有極大值，且敏感性較高，因此可以利用這種材料實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實時監(jiān)控；也可以實現(xiàn)對大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及用于熱敏元件和火警報警器等，可望用于有溫控和火災預警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。

碳纖維混凝土除自感應功能外，還可應用于工業(yè)防靜電構(gòu)造、公路路面、機場跑道等處的化雪除冰、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋陰極保護、住宅及養(yǎng)殖場的電熱結(jié)構(gòu)等。

（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)的關鍵部位埋入光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)部應力、應變變化，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。近年來，國內(nèi)外進行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑檢測這一領域的研究，開展了混凝土結(jié)構(gòu)應力、應變及裂縫發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)的光纖傳感器技術的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進行監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測。

光纖在傳感器中的應用，提供了對土建結(jié)構(gòu)智能及內(nèi)部狀態(tài)進行實時、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。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程， 典型的工程有加拿大Calgary建設的一座名Beddington Trail的一雙跨公路橋內(nèi)部應變狀態(tài)監(jiān)測； 美國Winooski的一座水電大壩的振動監(jiān)測；國內(nèi)工程有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。

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和電熱效應等性能?；炷两Y(jié)構(gòu)除了正常負外，人們還希望它在受臺風、地震等自然災害期間，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，要達到自調(diào)節(jié)的目的，必須復合具有驅(qū)動功能的組件材料，如形狀記憶合金和電流變體等。

形狀記憶合金具有形狀記憶效應（SMA），若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當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，并恢復到原來的尺寸。在混凝土中埋入形狀記憶合金，利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復相應形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載干擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力重分布并產(chǎn)生一定的預應力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

電流變體是一種可通過外界電場作用來控制其黏性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下，電流變體可于0.1ms級時間內(nèi)組合成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固凝膠，其黏度隨電場增加而變稠到完全固化，當外界電場拆除時，仍可恢復其流變狀態(tài)。在混凝土中復合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當混凝土結(jié)構(gòu)受到臺風，地震襲擊時調(diào)整其內(nèi)部的流變特性，改變結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼特性以達到減緩結(jié)構(gòu)振動的目的。

3.自修復智能混凝土

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?；炷廉a(chǎn)生裂縫，不僅強度降低，而且空氣中的C02、酸雨和氯化物等極易通過裂縫侵入混凝土內(nèi)部，使混凝土發(fā)生碳化，并腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，這對地下結(jié)構(gòu)物或盛有危險品的處理設施尤為不利，一旦混凝土發(fā)生裂縫，要想檢查和維修都很困難。自修復混凝土就是應這方面的需要而產(chǎn)生的。

在人類現(xiàn)實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，而且修補得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合。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)絡系統(tǒng)，模仿動物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復機理。采用粘結(jié)材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高材料性能的新型復合材料?！?/p>

參考文獻

[1]李惠，歐進萍.智能混凝土與結(jié)構(gòu).工程力學，2007，24（增刊2）：45--61.

[2]姚武，吳科如.智能混凝土的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.新型建筑材料，2000（10）：22～24.