土木道橋建設(shè)工程中智能材料的應(yīng)用研究

許文宇

摘 要：在土木道橋建設(shè)工程施工過程中，通過對智能材料進行應(yīng)用，可以有效保證工程施工質(zhì)量。智能材料的應(yīng)用，是我國在計算機科學(xué)、材料科學(xué)以及自動化控制技術(shù)發(fā)展過程中的一項重要突破。因此，相關(guān)施工企業(yè)需要對智能材料的應(yīng)用加以重視，以此來全面提升土木道橋工程的整體建設(shè)水平。本研究針對土木道橋建設(shè)工程中智能材料的應(yīng)用進行分析，介紹了智能材料的概念，并提出具體的應(yīng)用對策，以便為相關(guān)工作人員提供一些參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：土木道橋工程;智能材料;應(yīng)用對策

中圖分類號：U414 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0083-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.020

Research on Application of Intelligent Materials in Civil Road and Bridge Construction

XU Wenyu

（Nanjing University of Science and Technology ZiJin College ，Nanjing 210023，China）

Abstract： During the construction of civil roads and bridges， the application of smart materials can effectively ensure the quality of the construction. The application of smart materials is an important breakthrough in the development of computer science， material science and automation control technology in China. Therefore， relevant construction companies need to pay more attention to the application of smart materials in order to comprehensively improve the overall construction level of civil road and bridge projects. This article analyzes the application of smart materials in civil road and bridge construction projects， introduces the concept of smart materials， and proposes specific application countermeasures， so asto provide some reference and reference for related staff.

Keywords： civil road and bridge engineering; smart materials; application countermeasures

0 引言

對比普通材料，智能材料對內(nèi)部和外部環(huán)境具有的感知力要相對較強，可以通過對自身參數(shù)進行調(diào)整，從而與內(nèi)外部環(huán)境相適應(yīng)。與此同時，智能材料還可以結(jié)合內(nèi)外部環(huán)境進行變化，這也是其具有的一項最基礎(chǔ)的性能。現(xiàn)如今，智能材料主要為復(fù)合型材料，通過將其在土木道橋建設(shè)工程中進行應(yīng)用，可以使土木工程使用性能得到有效提高，從而全面提升工程建設(shè)質(zhì)量。

1 智能材料概述

1970年，美國建筑行業(yè)最先提出智能材料的想法，并在此基礎(chǔ)上進行了大量試驗研究工作，對智能材料的基本要素進行確定?，F(xiàn)如今，隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，以及建設(shè)步伐的不斷加快，土木道橋工程的建設(shè)數(shù)量也在不斷增加，相關(guān)技術(shù)也得到了進一步改進和更新，許多新型材料出現(xiàn)，這也使工程的整體建設(shè)水平得到了有效提升。

1.1 智能材料的內(nèi)涵

在我國建筑領(lǐng)域當(dāng)中，針對智能材料定義還未得到統(tǒng)一。具體來說，在土木道橋工程中所采用的智能材料，通常是指可以對內(nèi)外部環(huán)境進行感知，并能夠準(zhǔn)確分析與調(diào)整的相關(guān)建筑材料，其具有良好的自適性，可以有效提升工程施工質(zhì)量。該類材料是在人工材料、天然材料以及高分材料后研發(fā)出的一種全新材料，可以在實際施工中進行有效應(yīng)用，并能夠為工程施工提供良好的物質(zhì)保障[1]。

1.2 智能材料劃分種類

智能材料可以具體劃分為兩種類型。第一類材料可以有效感知外界或者內(nèi)部的刺激強度，具體包括輻射、化學(xué)、電、磁、熱以及光等，因此將其稱之為感知材料。對于此類材料主要包括壓電材料、光導(dǎo)纖維、傳感材料以及形狀記憶合金等。第二類材料可以在外界環(huán)境條件或者內(nèi)部狀態(tài)出現(xiàn)變化時快速響應(yīng)，并做出具體驅(qū)動，因此將其稱之為驅(qū)動材料，具體包括壓電材料、電流變體、功能凝膠、磁流變體等[2]。

1.3 智能材料的特點

針對土木道橋工程當(dāng)中所采用的智能材料進行分析，其特點具體表現(xiàn)為反饋性、感知性、自適應(yīng)性、自診斷性、信息積累性、自我修復(fù)性以及識別性等，而智能材料的優(yōu)勢則包括以下四個方面。首先，智能材料可以對外部環(huán)境進行自我感知，并能夠感知到環(huán)境當(dāng)中存在的問題以及相關(guān)參數(shù)，如負荷力、光能、熱能、化學(xué)能以及應(yīng)力變化。其次，智能材料具有相應(yīng)的驅(qū)動效能，可以對外界環(huán)境變化有效適應(yīng)。再次，在使用智能材料時，可以結(jié)合預(yù)先設(shè)計的相關(guān)功能，有效控制材料，并結(jié)合實際情況對相應(yīng)的控制方式進行選擇。最后，智能材料可以根據(jù)外部環(huán)境發(fā)生的變化快速調(diào)整，并可在內(nèi)外部環(huán)境問題消失后，及時恢復(fù)相應(yīng)的初始狀態(tài)[3]。

2 土木道橋工程中智能材料的應(yīng)用

2.1 壓電材料

在傳統(tǒng)土木道橋工程施工過程中，所采用的壓電體通常為集成式，其可以通過傳感壓電元件有效反饋出道橋的振動模式和狀態(tài)，并可以結(jié)合反饋結(jié)果對壓電體參數(shù)進行確定，以此來有效控制結(jié)構(gòu)振動，這也是目前智能結(jié)構(gòu)壓電類研究的一項重要技術(shù)。一些研究室仍以陶瓷壓電體為相應(yīng)的驅(qū)動裝置，并深入探討了壓電層結(jié)構(gòu)當(dāng)中的主動和被動控制。近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，壓電材料也在不斷更新，并對許多新型壓電類材料進行了有效研發(fā)，這使其在土木道橋工程當(dāng)中也得到了廣泛應(yīng)用。壓電材料在土木道橋工程中，主要應(yīng)用于健康監(jiān)測、噪聲控制、靜變形能以及安全評價等工作，可以發(fā)揮出良好的應(yīng)用效果[4]。

2.2 形狀記憶合金

在土木道橋工程施工過程當(dāng)中，相關(guān)合金材料可以自動恢復(fù)形狀，即形狀記憶合金。該種合金為智能材料，具有記憶恢復(fù)功能，針對此種材料的優(yōu)勢進行分析，當(dāng)材料發(fā)生形變時，會有8%的應(yīng)變恢復(fù)產(chǎn)生，同時其應(yīng)力恢復(fù)可以達到700 MPa，因此傳輸與儲蓄能力相對較強。在建筑工程施工中，通過應(yīng)用形狀記憶合金，可以自我控制和修復(fù)建筑。與此同時，在建筑驅(qū)動器方面，該類材料也具有良好的應(yīng)用效果，特別在結(jié)構(gòu)裂縫、振動以及形變等問題處理上具有重要意義。在加卸載負荷的試驗過程當(dāng)中可以得出形狀記憶合金的應(yīng)變和應(yīng)力曲線為環(huán)狀，這說明在對負荷進行加卸載時，此材料可以重新吸收掉消耗的能量。通常情況下，形狀記憶合金的恢復(fù)應(yīng)力可以達到400 MPa，而結(jié)合其特征還可深入分析此材料在被動耗能控制過程當(dāng)中的應(yīng)用，并使其研發(fā)結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的自我恢復(fù)能力。所以，可以將此類材料在土木道橋工程建設(shè)過程中進行應(yīng)用，從而起到良好的抗震效果。相關(guān)施工人員通常在土木道橋工程的底部或?qū)娱g，對被動耗能控制系統(tǒng)進行加裝，這樣可對建筑結(jié)構(gòu)形變進行有效感應(yīng)，并能充分控制建筑振動。根據(jù)相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，形成記憶合金結(jié)構(gòu)可對建筑結(jié)構(gòu)約2/3的振動耗能進行吸收，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移和形變的問題[5]。

2.3 壓磁材料

在受到磁場影響后，磁流懸浮變液體系將會導(dǎo)致各種流質(zhì)物體有明顯的可逆變化產(chǎn)生。一旦磁場的臨界值大于外界場強，該體系的存在可以使液體向著固體進行快速轉(zhuǎn)變，并可通過顯微鏡進行觀察，同時液體當(dāng)中的分散顆粒還會沿著磁場方向逐漸得到連接。對于固體和液體間的物質(zhì)，可以結(jié)合自身的可控性、可逆性以及迅速性等特點，有效控制物質(zhì)特性，而此時所需要的能量相對較小。因此，相關(guān)施工企業(yè)在建設(shè)土木道橋工程時，通常會對磁流變液裝置進行應(yīng)用。與此同時，大跨度橋梁所采用的壓磁材料可以對結(jié)構(gòu)振動進行有效防控。通過相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，壓磁材料還具有伸縮效果，可以完成機械能和電磁能間的可逆性轉(zhuǎn)化，因此在精確定位、超聲大功率元件以及聲吶系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.4 光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維主要由外包層和內(nèi)芯構(gòu)成，屬于纖維狀光通信介質(zhì)材料，此材料應(yīng)用在先進的信息傳輸技術(shù)上，最初主要運用在通信傳輸系統(tǒng)中，并以此為信息載體的光子，其在容量、速度等方面要高于電子，所以得到了快速發(fā)展。由于光子具有高并行處理能力和高信息率，因此可以充分發(fā)揮出其在信息容量和處理速度方面的優(yōu)勢。光纖材料如今在信息遠距離傳輸、傳感以及監(jiān)測等方面得到了有效應(yīng)用，通過將光纖作為傳感元件，埋入傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)中，可以自動監(jiān)測、控制、診斷、評價以及預(yù)報各項指標(biāo)，而且在埋入形狀記憶合金等驅(qū)動元件之后，可以對信息處理系統(tǒng)和控制元件進行有機結(jié)合，使混凝土結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的智能性，能夠自我診斷和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)。在控制地震響應(yīng)和診斷土木工程結(jié)構(gòu)時，應(yīng)用光纖材料，能夠有效完成相關(guān)的檢測和評定工作[6]。

2.5 碳纖維混凝土材料

混凝土在工程施工中具有十分廣泛的作用，因此需要合理改善混凝土材料，以此來進一步保證混凝土施工質(zhì)量。具體來說，在此領(lǐng)域的發(fā)展過程中，碳纖維混凝土是一項重要參數(shù)，通過在混凝土中添加一定比例的碳纖維，可以使混凝土材料具有相應(yīng)的本征自感應(yīng)以及驅(qū)動功能。碳纖維作為大導(dǎo)電性材料，具有較高的強度和彈性，可以使混凝土強度和韌性等得到改善，而且碳纖維間還會有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成，在材料當(dāng)中可以起到良好的阻隔導(dǎo)電作用。但同時需要注意，該類混凝土材料的溫度、電導(dǎo)率和應(yīng)力也會出現(xiàn)變化，進而表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性響應(yīng)。除此之外，碳纖維混凝土在溫度上會有相應(yīng)的溫度變化產(chǎn)生，進而使得電阻發(fā)生改變，材料內(nèi)部溫差還會有熱電效應(yīng)衍生出來。因此，在受到電場作用后，碳纖維混凝土?xí)袩嶙冃?yīng)產(chǎn)生。

3 智能材料的工程應(yīng)用分析

3.1 工程應(yīng)用分析

對智能材料進行分析，具體分為驅(qū)動和感知兩類材料，而結(jié)合其功能特性，則可將智能材料劃分為系統(tǒng)集合、控制器、驅(qū)動器以及傳感器等技術(shù)材料系統(tǒng)。

首先，對于智能材料系統(tǒng)，可在橋梁檢測、根基檢測、損壞評估以及結(jié)構(gòu)安全檢測當(dāng)中進行應(yīng)用，并能取得顯著效果。而且在土木結(jié)構(gòu)工程中的實踐應(yīng)用，可以表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。在國內(nèi)外智能材料系統(tǒng)的研究工作中，大型混凝結(jié)構(gòu)安全檢測是一項十分重要的內(nèi)容。相關(guān)研究人員可在混凝土中放置光導(dǎo)纖維，且光導(dǎo)纖維可在力度監(jiān)測以及通信等過程中，對傳統(tǒng)導(dǎo)線進行有效替代，以此來促進辦公室建筑的自動化運行。

其次，全新的智能傳感器還可以對電力以及電動閘門等進行有效控制，同時還能對溫度以及空調(diào)等進行有效控制，并檢測壓力。相關(guān)檢測人員可將光纖傳感器在土木結(jié)構(gòu)工程地基中進行放置，以此來判斷根基是否有破壞。檢測人員還可在水泥溶漿當(dāng)中放置碳纖維材料，并合理調(diào)節(jié)設(shè)備工藝與纖維劑量。因為電阻具有變硬特性，所以會隨著外界壓力的改變而出現(xiàn)變化，表現(xiàn)出回應(yīng)力敏感現(xiàn)象。這樣一來，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)與破壞區(qū)或損壞區(qū)接近時可自動報警。

再次，碳纖維材料在混凝土結(jié)構(gòu)中還具有相應(yīng)的自我診斷性能，通過對此特性進行利用，可以在工程結(jié)構(gòu)的傷害評估與在線檢測當(dāng)中進行有效運用。在土木道橋工程當(dāng)中，橋梁是承載負荷的主要結(jié)構(gòu)，所以需要對其負荷和強度進行充分研究，并結(jié)合檢測結(jié)果來為維修工作提供指導(dǎo)，減少定時方面的診斷、維修以及維護等費用。在檢測橋梁的承受負荷力度時，相關(guān)檢測人員可在弓臂和橋面間放置多個光纖傳感器，并在兩邊分別放置相應(yīng)的光敏管與發(fā)光管。當(dāng)橋梁承受力度出現(xiàn)變化時，光纖輸出的光強也會有所改變，進而使光明管發(fā)生明顯變化。相關(guān)檢測人員可以通過光明管的變化信息，對橋梁承受力度的相關(guān)數(shù)據(jù)進行獲取。

最后，由于受環(huán)境和材料老化等相關(guān)因素的影響，土木道橋工程的結(jié)構(gòu)也會受到損壞擠壓，降低了其自身對損壞的抵抗力，嚴(yán)重情況下甚至引發(fā)相關(guān)安全事故。因此，相關(guān)檢測人員需要對智能材料進行有效運用，不僅可以降低維護和檢測等費用，而且還能夠幫助檢測人員對結(jié)構(gòu)安全使用狀況進行掌握，從而使工程結(jié)構(gòu)的安全性能得到有效提升。

3.2 智能材料工程應(yīng)用的局限性

雖然通過具體的實踐研究表明，智能材料具有良好的耐久性和強度，并能夠?qū)Σ僮髅钸M行智能化執(zhí)行，對外部環(huán)境變化也具有較好的適應(yīng)能力，但由于其本質(zhì)為高智能復(fù)合型材料，因此應(yīng)用成本相對較高，具有較大的經(jīng)濟負擔(dān)。對此，從經(jīng)濟角度進行分析，此種材料主要應(yīng)用在高檔次、高標(biāo)準(zhǔn)、資金投入較大的建筑工程中，并未普及到普通居民建筑。因此，相關(guān)施工企業(yè)需要對自身的施工工藝加以完善，并對智能材料加大研究力度，使其能夠得到進一步的推廣和應(yīng)用。

4 智能材料的未來發(fā)展

4.1 智能材料性能的發(fā)展

智能材料具有獨特且優(yōu)越的性能，其發(fā)展前景十分廣闊，但由于此領(lǐng)域為多學(xué)科交叉的研究內(nèi)容，因此也存在一些問題需要解決。

首先，在發(fā)現(xiàn)形狀記憶合金后，可以使許多傳統(tǒng)理念得到改變，而且由于其具有相應(yīng)的智能功能，因此采用傳統(tǒng)力學(xué)研究方法無法對其內(nèi)在機理加以解釋，需要相關(guān)研究人員另辟蹊徑，從宏觀和微觀角度對這種新材料原理進行充分探究。由于目前形狀記憶合金的應(yīng)用還不夠完善，不僅耗能相對較高，而且功能也比較單一，進而降低了其實用途。因此，在未來需要對低能耗、多功能以及實用的控制器進行有效研究和開發(fā)。

其次，在工程結(jié)構(gòu)力學(xué)測量過程中，壓電材料將成為首選感測元件，但同時也存在驅(qū)動力小的問題。雖然相關(guān)研究人員已采用一些技術(shù)對這一缺陷進行彌補，但在大規(guī)模土木工程結(jié)構(gòu)的測量工作當(dāng)中，該材料還無法得到直接使用。在壓電材料未來發(fā)展過程中，理論分析復(fù)雜、集成技術(shù)研發(fā)難度大、壓電驅(qū)動器開發(fā)和設(shè)計難度大等都是相關(guān)研究人員需要突破的內(nèi)容。

最后，長期放置壓磁材料后，會有固體顆粒沉降現(xiàn)象發(fā)生，這需要相關(guān)研究人員深入分析這種沉降對材料穩(wěn)定性帶來的影響。與此同時，壓磁材料的溫度適應(yīng)范圍相對較小，需要對其溫度作用范圍進行合理拓展，從而進一步促進壓磁材料的快速發(fā)展。

4.2 智能材料研究難題

對智能材料在未來發(fā)展過程中可能遇到的問題進行分析，具體包括：土木道橋工程健康監(jiān)測和保養(yǎng)，形狀應(yīng)與材料和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)，結(jié)構(gòu)減震、抗風(fēng)、抗震以及降噪等的自適應(yīng)控制等。通過充分研究這些問題，可以有效提升工程質(zhì)量，并使相關(guān)災(zāi)害性事故的發(fā)生概率得到降低，全面提升工程施工的安全性和可靠性，促進我國土木工程領(lǐng)域的快速發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，通過在土木道橋工程施工中應(yīng)用智能材料，可以使傳統(tǒng)土木工程建設(shè)格局得到有效改變?，F(xiàn)如今，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對于建筑工程也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。對此，相關(guān)施工企業(yè)需要在工程施工期間對智能材料進行合理運用，使其能夠?qū)ν獠凯h(huán)境變化有效適應(yīng)，合理調(diào)整土木工程結(jié)構(gòu)，確保滿足新時代背景下對工程質(zhì)量提出的相關(guān)要求。但結(jié)合我國目前智能材料的應(yīng)用技術(shù)來看，相關(guān)技術(shù)還不夠完善，需要進一步加大研究力度，使智能材料能夠在土木道橋工程當(dāng)中得到有效運用，發(fā)揮出智能材料應(yīng)有的重要作用，從而全面提升土木道橋工程建設(shè)水平，推動我國工程行業(yè)的健康發(fā)展。

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