淺談智能混凝土

1、第 淺談智能混凝土論文導(dǎo)讀：因此，研究和開發(fā)具有主動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)的智能混凝土已成為混凝土發(fā)展的趨勢(shì)。自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應(yīng)功能。自修復(fù)混凝土是一種具有感知和修復(fù)性能的混凝土。關(guān)鍵詞：智能混凝土，自診斷混凝土，自調(diào)節(jié)混凝土，自修復(fù)混凝土 引言 現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，促進(jìn)材料的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，混凝土作為最主要的建筑材料已逐漸向高強(qiáng)、高性能、多功能和智能化發(fā)展。然而混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中由于受環(huán)境荷載作用、疲憊效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等各種不利因素的影響，結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，甚至導(dǎo)致突發(fā)失穩(wěn)破壞。為了有效地避免突發(fā)事故的發(fā)生，提

2、高結(jié)構(gòu)的性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，就必須對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)和修復(fù)。因此，研究和開發(fā)具有主動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)的智能混凝土已成為混凝土發(fā)展的趨勢(shì)。 1.智能混凝土的定義 智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。它能模擬生命系統(tǒng)，同時(shí)具有感知和激勵(lì)雙重功能，能對(duì)外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，自動(dòng)作出適時(shí)的靈敏和恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，并具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)和預(yù)壽命等功能。論文參考。 2.智能混凝土的分類 2.1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(yīng)功能。由

3、于普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能,所以需要在混凝土基材中復(fù)合部分其它材料使得混凝土具有自感應(yīng)功能。目前常用的復(fù)合材料是碳類、金屬類和光纖等。 1）碳纖維混凝土 碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀的碳化合物，具有重量輕、高強(qiáng)度，抗疲勞和阻尼特性好，耐高溫，耐腐蝕以及良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)。在水泥基材中添加少量的碳纖維，可以顯著增強(qiáng)其力學(xué)性能，改善其電學(xué)性能。碳纖維混凝土材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對(duì)應(yīng)的，利用這一原理生產(chǎn)的混凝土，通過阻抗和載重之間的關(guān)系可確定公路上車輛的方位、重量和速度等參數(shù)，為交通管理的智能化提供了材料基礎(chǔ)。另外碳纖維混凝土除具有壓敏性外,還具有溫敏性

4、，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(huì)產(chǎn)生電位差的熱電性效應(yīng)。利用纖維混凝土的這種溫阻現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積混凝土的溫度自監(jiān)控，將來有望應(yīng)用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的混凝土結(jié)構(gòu)中。論文參考。 2）光纖維混凝土 光纖維混凝土，即在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋入纖維傳感器或其陣列，探測(cè)混凝土在碳化以及受載過程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化，并對(duì)由于損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)光纖維混凝土結(jié)構(gòu)因受力或溫度變化產(chǎn)生變形和裂縫時(shí),埋在混凝土中的光纖就會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生變形,從而導(dǎo)致通過光纖的光的光波量發(fā)生變化，通過對(duì)光纖中反射光的信息進(jìn)行分析,可以對(duì)裂縫進(jìn)行定位。光纖維混凝土已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際中，如重慶渝長(zhǎng)高速公路上

5、的紅槽房大橋監(jiān)測(cè)和蕪湖長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)等。 3）納米混凝土 納米混凝土是將某各納米材料添加到普通混凝土中，從而使混凝土一種具有優(yōu)異綜合性能和特殊功能的智能復(fù)合材料。納米材料比表面積大，因而容易極易團(tuán)聚，有利于發(fā)揮其特殊的改性作用，但與此同時(shí)納米混凝土中易產(chǎn)生薄弱區(qū)，不利于混凝土的性能。因此，納米材料的粒徑大小應(yīng)適中，制備時(shí)應(yīng)做好控制使得其在基體中的均勻分布。納米混凝土具有應(yīng)變感知性能，其機(jī)理可以基于隧道效應(yīng)理論（由微觀粒子波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)）來解釋，混凝土內(nèi)微小的應(yīng)變就可導(dǎo)致較大的電阻變化。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于摻納米微粒的從接觸導(dǎo)電理論和碳纖維的特性對(duì)其進(jìn)行智能砂漿的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)均勻

6、、質(zhì)地密實(shí)、結(jié)合緊密、沒有明顯的結(jié)晶體、水泥石的微觀結(jié)構(gòu)得到改善，故提高了混凝土的力學(xué)性能。 2.2自調(diào)節(jié)混凝土 混凝土結(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外,人們還希望它在受臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害期間,能夠調(diào)整承載能力、減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)。由于混凝土本身屬于惰性材料，必須復(fù)合具有驅(qū)動(dòng)功能的組件材料,才達(dá)到自調(diào)節(jié)的目的。這種材料通常具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。如形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。 1)形狀記憶合金 形狀記憶合金（SME）具有形狀記憶效應(yīng)。論文參考。形成記憶合金通常由兩種以后金屬合成，當(dāng)合金在高溫時(shí)發(fā)生定形，冷卻后存有殘余形變。再次加熱時(shí)，殘余形變消失，合金恢復(fù)到高溫時(shí)所具有的形狀。這就像合金記

7、憶了高溫狀態(tài)的形狀一樣。將記憶合金埋入混凝土中,利用形狀記憶合金對(duì)溫度的敏感性以及在不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能,使得混凝土結(jié)構(gòu)在受到異常荷載干擾時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生重分布,從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。 2）電流變體 電流變體（ERF）也叫電場(chǎng)致流變體。它是一種可通過外界電場(chǎng)作用來控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場(chǎng)的作用下,電流變體可于迅速組合成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固凝膠,當(dāng)外界電場(chǎng)撤去時(shí),其可恢復(fù)其流變狀態(tài)。在混凝土中加入電流變體,當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到臺(tái)風(fēng)、地震襲擊時(shí)，混凝土土通過自動(dòng)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，從而達(dá)到減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)，提高混凝土結(jié)構(gòu)的

8、穩(wěn)定性和耐久性。 3.3自修復(fù)混凝土 自修復(fù)混凝土是一種具有感知和修復(fù)性能的混凝土。自修復(fù)混凝土模仿生物機(jī)體受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采有修膠粘劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，對(duì)材料的損傷具自修復(fù)和再生功能。據(jù)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出具有自修復(fù)行為的智能材料模型，即在材料的基體中布有許多細(xì)小纖維管道，管道中裝有可流動(dòng)的物質(zhì)（類似血管）修復(fù)物質(zhì)（類似血液）。當(dāng)材料在外界各種因素的作用下,基體發(fā)生開裂，纖維管道發(fā)生破裂，其內(nèi)修復(fù)物質(zhì)流至裂縫處，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)粘聚愈合，提高開裂部分的強(qiáng)度，起到抑制開裂和修復(fù)材料的作用。1997年南京航空航天大學(xué)研究出就利用形狀記憶合金和液芯光纖對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷

9、進(jìn)行自診斷、自修復(fù)。 3.研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 目前所研究的自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)混凝土還只是智能混凝土研究的初級(jí)階段,它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，有人也它們稱之為機(jī)敏混凝土。目前人們正致力于將兩種以上功能進(jìn)行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。在實(shí)際工程中仍存在著許多的問題需要解決。如對(duì)于自診斷混凝土，目前所制作的傳感器初始電阻率和應(yīng)變感知性能存在一定的離散性，將影響對(duì)于小應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)于自修復(fù)混凝土，其結(jié)構(gòu)耐久性與混凝土的斷裂匹配的相容性、多次可愈合性、分布特性以及愈合的可靠性和可行性等一系列問題研究尚不完全。此外對(duì)于混凝土智能化所會(huì)帶來負(fù)作用，如復(fù)合的材料對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性等的影響。因此實(shí)際工作中，對(duì)自能混凝土的利用應(yīng)綜合考慮各種因素 參考文獻(xiàn)1.李