導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯(cuò)過為您精心挑選的10篇智能混凝土，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

 

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，提高結(jié)構(gòu)的性能，延長結(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，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，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。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(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、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） 也叫電場致流變體 。它是一種可通過外界電場作用來控制其粘性、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.李化建 ,蓋國勝等.智能混凝土.清華大學(xué)材料系粉體研究室, 2002 01

2. 劉鵬 ,賈平等.自修復(fù)混凝土研究進(jìn)展.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006 04

3. 朱鈞,邢曉潔. 混凝土智能化發(fā)展方向. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào). 2008 10

篇2

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，作為最主要的建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強(qiáng)、高性能、多功能和智能化發(fā)展。用它建造的混凝土結(jié)構(gòu)也趨于大型化和復(fù)雜化。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。疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，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)事故。為了有效地避免突發(fā)事故的發(fā)生，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，必須對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的“健康”監(jiān)測，并及時(shí)進(jìn)行修復(fù)?，F(xiàn)有的無損檢測方法，如聲波檢測X射線及C掃描等，只能定性檢測，而不能定量、數(shù)據(jù)化處理，更主要的是不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。因而對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測和損傷估計(jì)還比較困難，甚至是不可能的。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)的維修方式主要是在損傷部位進(jìn)行外部的加固，而對(duì)損傷的原結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修比較困難，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷修復(fù)更是非常困難。隨著現(xiàn)代社會(huì)向智能化的發(fā)展，這種停留在被動(dòng)和計(jì)劃模式的檢測與修復(fù)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)混凝土材料提出的要求。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)、恢復(fù)的智能混凝土已成為結(jié)構(gòu)一功能（智能）一體化的發(fā)展趨勢(shì)[1]

1智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

智能材料，指的是“能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動(dòng)”的材料。它能模仿生命系統(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)。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)報(bào)壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶，自適應(yīng)，自修復(fù)特性的多功能材料。根據(jù)這些特性可以有效地預(yù)報(bào)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(dòng)進(jìn)行修復(fù)，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，智能混凝士是自感知和記憶、自適應(yīng)。自修復(fù)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(dāng)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1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(yīng)功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應(yīng)功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。下面主要介紹2種當(dāng)前研究比較熱門的損傷自診斷混凝土。

1.1.1碳纖維智能混凝土

碳纖維是一種高強(qiáng)度、高彈性且導(dǎo)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(qiáng)度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學(xué)性能也有明顯的改善，可以作為傳感器并以電信號(hào)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(yīng)力、應(yīng)變和操作程度的功能。通過觀測，發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合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。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(yīng)力線性增加，當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時(shí)，電阻逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞。而基準(zhǔn)水泥基材料的導(dǎo)電性幾乎無變化，直到臨近破壞時(shí)，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)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(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測[2].在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(duì)混凝土內(nèi)部在拉、壓、彎靜荷載和動(dòng)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(jìn)行監(jiān)測。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應(yīng)變傳感器，它的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗(yàn)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(dǎo)率會(huì)隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應(yīng)用這一現(xiàn)象對(duì)混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測。通過標(biāo)定這種自感應(yīng)混凝土，研究人員決定阻抗和載重之間的關(guān)系，由此可確定以自感應(yīng)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(chǔ)。

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(huì)產(chǎn)生電位差的熱電性（Seebeck效應(yīng)）。試驗(yàn)表明，在最高溫度為70℃，最大溫差為15℃的范圍內(nèi)，溫差電動(dòng)勢(shì)（E）與溫差t之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到一臨界值時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)率有極大值，且敏感性較高，因此可以利用這種材料實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控；也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警器等可望用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。

碳纖維混凝土除自感應(yīng)功能外，還可應(yīng)用于工業(yè)防靜電構(gòu)造。公路路面、機(jī)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(hù)。住宅及養(yǎng)殖場的電熱結(jié)構(gòu)等。

1.1.2光纖傳感智能混凝土

光纖傳感智能混凝土[3]，即在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋人入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(yīng)力、應(yīng)變變化，并對(duì)由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴(kuò)展等損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)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(qiáng)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(dǎo)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(shù)。近年來，國內(nèi)外進(jìn)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(lǐng)域的研究，開展了混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)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(shù)的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進(jìn)行監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測。光纖在傳感器中的應(yīng)用，提供了對(duì)土建結(jié)構(gòu)智能及內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、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(píng)價(jià)和維護(hù)。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Caleary建設(shè)的一座名為Beddington Tail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測；美國Winooski的一座水電大壩的振動(dòng)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(píng)估系統(tǒng)等。

1.2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(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。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)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但因混凝土本身是惰性材料，要達(dá)到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動(dòng)功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)（SME），若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當(dāng)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(fù)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(duì)溫度的敏感性和不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載于擾時(shí)，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

電流變體（ER）是一種可通過外界電場作用來控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下，電流變體可于0.1ms級(jí)時(shí)間內(nèi)組合成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固凝膠，其初度隨電場增加而變調(diào)到完全固化，當(dāng)外界電場拆除時(shí)，仍可恢復(fù)其流變狀態(tài)。在混凝土中復(fù)合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到臺(tái)風(fēng)，地震襲擊時(shí)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(dá)到減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。

有些建筑物對(duì)其室內(nèi)的濕度有嚴(yán)格的要求，如各類展覽館、博物館及美術(shù)館等，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的濕度控制，往往需要許多濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復(fù)雜的布線等，其成本和使用維持的費(fèi)用都較高。日本學(xué)者研制的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料自身即可完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。這種混凝土材料帶來自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。其機(jī)理為：沸石中的硅酸鈣含有（3－9）X10－10m的孔隙。這些孔隙可以對(duì)水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對(duì)沸石種類進(jìn)行選擇，可以制備符合實(shí)際應(yīng)用需要的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合材料。它具有如下特點(diǎn)：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時(shí)放濕，溫度下降時(shí)吸濕。

1.3自修復(fù)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(qiáng)度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等極易通過裂縫侵人混凝土內(nèi)部，使混凝土發(fā)生碳化，并腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，這對(duì)地下結(jié)構(gòu)物或盛有危險(xiǎn)品的處理設(shè)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(fù)混凝土就是應(yīng)這方面的需要而產(chǎn)生的。在人類現(xiàn)實(shí)生活中可以見到人的皮膚劃破后，經(jīng)一段時(shí)間皮膚會(huì)自然長好，而且修補(bǔ)得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會(huì)自動(dòng)愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物組織，對(duì)受創(chuàng)傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)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(luò)系統(tǒng)，模仿動(dòng)物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理。采用粘結(jié)材料和基材相復(fù)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(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結(jié)液流出并深人裂縫。粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。美國伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry在1994年采用類似的方法，將在空心玻璃纖維中注人縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基礎(chǔ)上Carolyn Dry還根據(jù)動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，嘗試制備仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，在其中加人多孔的編織纖維網(wǎng)。在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。這樣便在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機(jī)與無機(jī)物，它們相互穿插粘結(jié)，最終形成的復(fù)合材料是與動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機(jī)與有機(jī)相結(jié)合的材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度及延性等性能。而且在材料使用過程中，如果發(fā)生損傷，多孔有機(jī)纖維會(huì)釋放高聚物，愈合損傷。

2智能混凝規(guī)究現(xiàn)狀和應(yīng)注意的問題

前面所述的自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)混凝土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，是一種智能混凝土的簡化形式。因此有人也稱之為機(jī)敏混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發(fā)揮智能混凝土作用，目前人們正致力于將2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。智能組裝混凝土材料是將具有自感應(yīng)、自凋節(jié)和自修復(fù)組件材料等與混凝土基材復(fù)合并按照結(jié)構(gòu)的需要進(jìn)行排列，以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化。

智能混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實(shí)際工程，還有很多問題需要進(jìn)一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復(fù)粘結(jié)劑的選擇。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解決上述一系列問題將對(duì)智能混凝土今后的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為促進(jìn)智能混凝土研究工作的順利開展有必要就以下幾點(diǎn)形成共識(shí)：

（1）開發(fā)應(yīng)有針對(duì)性。所謂針對(duì)性就是要針對(duì)混凝土性能發(fā)生惡化和結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞等現(xiàn)象，考慮不同的智能方法，如針對(duì)這些現(xiàn)象，設(shè)想開發(fā)出一種能應(yīng)對(duì)所有這些情況的手段是很困難的，因此，縮小智能化范圍，以某種功能為對(duì)象，從而開發(fā)出相對(duì)最適應(yīng)的方法是必要的。

（2）實(shí)施中應(yīng)具有可行性。澆注混凝土多在施工現(xiàn)場進(jìn)行，因而作為智能混凝土的施工方法，對(duì)其技術(shù)與工藝要求不能過高。應(yīng)以原有工藝為基礎(chǔ)開發(fā)相應(yīng)的較為簡單的方法。選用的材料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，要有利于安全使用，不揮發(fā)任何有刺激的氣味和其它有害物質(zhì)，并能大量應(yīng)用而且成本較低。

（3）設(shè)計(jì)應(yīng)具有綜合性。采用智能化，雖然可以提高材料的耐久性，但也會(huì)帶來負(fù)面作用。如由于使用了某種材料雖然能對(duì)某種惡化現(xiàn)象進(jìn)行控制和改善，但是否會(huì)對(duì)強(qiáng)度等其它性能有所影響，所有這些正反兩方面的問題都必須在判斷和設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行綜合考慮和權(quán)衡。

篇3

1工程概況

德州至商丘高速公路聊城段位于山東省西部，縱貫山東西部地區(qū)。該公路在山東省“五縱四橫一環(huán)八連”高速公路網(wǎng)絡(luò)中是“一縱”及“一環(huán)”的重要組成部分。本項(xiàng)目的實(shí)施，既是貫徹落實(shí)山東省委省政府“突破菏澤，帶動(dòng)西部”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略部署的具體體現(xiàn)，也是進(jìn)一步加快山東省高速公路網(wǎng)的形成、推進(jìn)全省交通現(xiàn)代化建設(shè)的需要。此條高速公路是山東省第一條實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的道路，要求標(biāo)準(zhǔn)高，質(zhì)量嚴(yán)。這一項(xiàng)目在一定程度上加大了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁工程的施工管理難度，因此要求建設(shè)單位以及監(jiān)理單位根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土張拉與壓漿工作。并且在實(shí)際工作中還需要與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員共同探討，從而保證工程的施工質(zhì)量，避免因人為因素影響到工程的施工質(zhì)量。

2預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)

2.1預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

在橋梁工程施工過程中，智能張拉系統(tǒng)主要由主機(jī)、油泵、千斤頂三個(gè)部分構(gòu)成。在其運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)主要是通過應(yīng)力作為控制指標(biāo)，然后采用其伸長量來控制其運(yùn)行情況，這樣可以將誤差控制在可控的范圍之內(nèi)。為了使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，我們還需要采用傳感技術(shù)作為控制系統(tǒng)采集其運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與判斷之后反饋給系圓通，從而實(shí)現(xiàn)智能張拉與壓漿工作，并對(duì)其誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在智能張拉系統(tǒng)中，主機(jī)的主要功能是接受并處理信息數(shù)據(jù)之后再將發(fā)出指令，從而控制每一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行情況，完成橋梁工程預(yù)應(yīng)力張拉工作。

2.2預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1施加應(yīng)力時(shí)具有精確性

相對(duì)于人工張拉技術(shù)而言，智能張拉系統(tǒng)在施加應(yīng)力的過程中可以降低其工作誤差，保證其精準(zhǔn)性，便于工作人員的管理，提高工程的施工質(zhì)量。

2.2.2可以及時(shí)對(duì)其伸長量進(jìn)行校對(duì)，達(dá)到雙控的目的

在采用智能張拉系統(tǒng)的過程中，我們可以實(shí)時(shí)采集并計(jì)算鋼絞線伸長量，觀察其是否處于可控的范圍之內(nèi)，避免因存在較大的誤差而導(dǎo)致工程出現(xiàn)質(zhì)量問題，從而達(dá)到雙控的目的。

2.2.3預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)在工作中達(dá)到對(duì)稱性與同步性

在橋梁工程施工中，我們只需要在其中設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能夠?qū)Χ嗯_(tái)千斤頂?shù)墓ぷ鬟M(jìn)行統(tǒng)一控制，這樣也就能夠提高其施工效率，并且還能夠減小誤差，保證其施工質(zhì)量。

2.2.4智能張拉系統(tǒng)在工作中可以降低預(yù)應(yīng)力損失

通過計(jì)算機(jī)、遙感技術(shù)對(duì)智能張拉系統(tǒng)的控制，可以避免系統(tǒng)在工作中受到各種因素的影響，可以有效的提高其施工效率，達(dá)到工程設(shè)計(jì)的要求，降低在張拉過程中產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失。

2.2.5實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及質(zhì)量管理

在智能張拉系統(tǒng)運(yùn)行過程中，技術(shù)人員可以通過計(jì)算機(jī)或者遙感技術(shù)對(duì)其實(shí)際施工質(zhì)量進(jìn)行全方位的監(jiān)控，掌握其實(shí)際質(zhì)量狀況，避免在施工中出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。

2.2.6試驗(yàn)板張拉

本項(xiàng)目四合同聊城市公路工程總公司于2013年5月12預(yù)制了第一塊試驗(yàn)板，王古路分離立交K157+672.5左3-2。7天后，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的101%，進(jìn)行了智能張拉，經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到預(yù)期要求。

3循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)

3.1循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)主要是由主機(jī)、測控系統(tǒng)、循環(huán)壓降系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成。其工作原理是：由于在循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)中的管道進(jìn)出口位置設(shè)置了一個(gè)傳感器，其主要作用是對(duì)其壓力進(jìn)行全面的監(jiān)測，然后再將這一監(jiān)測數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街鳈C(jī)中，通過科學(xué)合理的判斷之后再對(duì)這一壓力值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，然后在一定數(shù)值的約束下達(dá)到壓漿的目的。這樣也就能夠保證其密實(shí)度，有效的解決了傳統(tǒng)壓漿技術(shù)難以克服的問題。

3.2循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

3.2.1對(duì)施工材料水膠比進(jìn)行精確的控制

循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，技術(shù)人員可以事先錄入相關(guān)信息，然后按照配合比自動(dòng)控制其水膠比，使其達(dá)到施工的要求，提高工程的施工質(zhì)量。

3.2.2實(shí)現(xiàn)一次性壓漿，提高工程的施工效率

在橋梁工程施工中，若與質(zhì)量的跨徑小于50m，單孔長度不超過80m，那么我們可以采用循環(huán)智能壓漿系統(tǒng)進(jìn)行一次性壓漿施工，這樣可以有效的降低工作強(qiáng)度，提高工程的施工效率，達(dá)到理想的施工效果。

3.2.3實(shí)現(xiàn)高速制漿工程，提高水泥漿液的質(zhì)量

在循環(huán)壓降系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過其中相應(yīng)的設(shè)備可以將水泥、水、壓漿劑進(jìn)行均勻的拌和，并且實(shí)現(xiàn)高速拌和的要求，通過這一工作也就達(dá)到了工程的施工要求，從而提高工程的施工質(zhì)量。

3.2.4實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

在循環(huán)壓降系統(tǒng)運(yùn)行過程中，技術(shù)人員同樣需要采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行合理的控制，這樣也就避免了工程受到人為因素的影響，并且對(duì)其運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)、指標(biāo)進(jìn)行全面控制，將其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并打印成報(bào)表，交給上級(jí)部門，使其對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行監(jiān)控，以保證工程的施工質(zhì)量。

3.2.5系統(tǒng)集成度高，簡單適用

系統(tǒng)將高速制漿機(jī)、儲(chǔ)漿桶、進(jìn)漿測控儀、返漿測控儀、壓漿泵集成與一體，現(xiàn)場使用只須將進(jìn)漿管、返漿管與預(yù)應(yīng)力管道對(duì)接，即可進(jìn)行壓漿施土。操作簡單，適用與各種預(yù)應(yīng)力管道壓漿。

3.2.6漿液滿管路循環(huán)排除管道內(nèi)空氣

管道內(nèi)漿液從出漿口導(dǎo)流至儲(chǔ)漿桶，再從進(jìn)漿口泵入管道，形成大循環(huán)回路漿液在管道內(nèi)持續(xù)循環(huán)，通過調(diào)整壓力和流量，將管道內(nèi)空氣通過出漿口和鋼絞線絲間空隙完全排出，還可帶出孔道內(nèi)殘留雜質(zhì)。

3.2.6試驗(yàn)板壓漿

本項(xiàng)目四合同在預(yù)制梁場于2013年5月20日進(jìn)行了第一塊試驗(yàn)板智能壓漿。經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到預(yù)期要求。

4結(jié)語

在廠家技術(shù)人員的指導(dǎo)下，經(jīng)過第一塊試驗(yàn)板的預(yù)應(yīng)力智能張拉和智能壓漿，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力智能張拉與壓漿系統(tǒng)土作性能穩(wěn)定，張拉與壓漿施土質(zhì)量良好，工作效率很高，達(dá)到了較為理想的效果，為以后的施工打下了良好的基礎(chǔ)。

篇4

1.1行走液壓泵

行走液壓泵是攤鋪機(jī)的主要?jiǎng)恿碓?，其主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中所產(chǎn)生的熱能和動(dòng)能，將這些能量轉(zhuǎn)化為壓力能，向液壓系統(tǒng)內(nèi)提供壓力油，進(jìn)而推動(dòng)機(jī)械進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2行走液壓馬達(dá)

該馬達(dá)屬于兩檔交變馬達(dá)，是將壓力油所提供的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能的重要結(jié)構(gòu)，通過傳動(dòng)軸的帶動(dòng)，使得機(jī)械產(chǎn)生了行駛的動(dòng)力，并將動(dòng)力附加在驅(qū)動(dòng)鏈輪上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械的整體運(yùn)動(dòng)。

1.3電液伺服閥

電液伺服閥是整個(gè)液壓動(dòng)力控制系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵元件。當(dāng)液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓差達(dá)到一定程度時(shí)，電液伺服閥輸出壓力油流量和電流量呈正相關(guān)，如果輸入的電流是反向的，那么壓力油的輸出也必然是反向的。因此，攤鋪機(jī)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向都是由電液伺服閥的輸出流量來進(jìn)行控制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠被穩(wěn)定控制。

1.4電磁溢流閥

電磁溢流閥是整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的安全閥，主要被用來控制電-液系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力，使其保持在一個(gè)恒定的范圍之內(nèi)，并對(duì)系統(tǒng)的最大輸出壓力值進(jìn)行限制，保證系統(tǒng)能夠在安全的情況下運(yùn)行，避免壓力過大損壞行走液壓系統(tǒng)。

1.5控制電路

攤鋪機(jī)的控制電路與其它機(jī)械的控制電路有著相同的作用，主要就是利用傳感器所發(fā)出的反饋信號(hào)向各結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸?？刂齐娐坟?fù)責(zé)輸入指令信號(hào)，借助控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的分析，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生控制信號(hào)，進(jìn)而操作攤鋪機(jī)的運(yùn)行。

2瀝青混凝土攤鋪機(jī)行走液壓系統(tǒng)的工作原理

在攤鋪機(jī)的行走液壓馬達(dá)上設(shè)有速度傳感器，當(dāng)液壓馬達(dá)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速的信號(hào)就會(huì)被傳感器檢測到，并將其轉(zhuǎn)化為反饋信號(hào)發(fā)送到控制計(jì)算機(jī)當(dāng)中，計(jì)算機(jī)接收到反饋信號(hào)后將其轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)，將相應(yīng)的速度指令進(jìn)行輸出，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器將信號(hào)放大，進(jìn)入到驅(qū)動(dòng)電液伺服閥當(dāng)中，通過伺服閥和電磁溢流閥來輸出和控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和攤鋪機(jī)的行走速度。當(dāng)所輸出的速度指令一定時(shí)，攤鋪機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度就會(huì)恒定，而傳感器接收和反饋出的電壓信號(hào)則一定，使得計(jì)算機(jī)分析出的偏差電壓恒定，這樣就能夠保證瀝青混凝土攤鋪機(jī)能夠保證在一定的速度內(nèi)進(jìn)行恒速運(yùn)動(dòng)，使得瀝青和混凝土的澆筑均勻，保證路面施工質(zhì)量。

3瀝青混凝土攤鋪機(jī)行走液壓系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)

攤鋪機(jī)本身屬于多系統(tǒng)所組成的耦合系統(tǒng)，其具有反應(yīng)速度快、精密度高等優(yōu)點(diǎn)，但授予電液伺服閥等結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生非線性參數(shù)，導(dǎo)致各類不確定因素影響系統(tǒng)的控制。因此，為了降低這些不確定因素所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，可以利用智能控制理念當(dāng)中的模糊控制來完善攤鋪機(jī)的行走液壓系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，其主要由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，包括處理輸入信號(hào)的模糊量化環(huán)節(jié)、處理輸出信號(hào)的模糊控制算法功能環(huán)節(jié)、負(fù)責(zé)輸出模糊化控制信號(hào)的模糊判決環(huán)節(jié)。在構(gòu)建模糊化控制器的過程中，最重要的就是將該系統(tǒng)的模糊控制算法建立起來，也就是制定模糊規(guī)則表，一般采用Mandani規(guī)則。在對(duì)控制量進(jìn)行選取的過程中一定要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行作為大前提。假設(shè)系統(tǒng)實(shí)際采樣的誤差量為e，則誤差的變化率為ec，而模糊控制規(guī)則為R，由此得出的模糊控制量u=e*R。該公式屬于合成規(guī)則，在應(yīng)多不同變量的時(shí)產(chǎn)生的控制量公式為：un=e，通過該公式可以求得不同情況下的控制量，進(jìn)而得出模糊集合，根據(jù)這一集合數(shù)據(jù)就能夠應(yīng)對(duì)不同情況下系統(tǒng)的控制輸出信號(hào)，達(dá)到智能應(yīng)對(duì)目的。

篇5

0前言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，科學(xué)發(fā)展突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代材料不斷進(jìn)步，日新月異。停留在被動(dòng)和計(jì)劃模式的混凝土檢測與修復(fù)方式的建筑材料之一的混凝土已不能適應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)其提出的要求，高強(qiáng)、高性能、多功能和智能化已經(jīng)逐漸成為混凝土發(fā)展的趨勢(shì)。因此，我們必須積極研究和開發(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)、恢復(fù)的智能混凝土，保證建筑物的結(jié)構(gòu)一功能（智能）一體化。

1智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

通常情況下，我們把“能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動(dòng)”的材料稱為智能材料。與普通材料不同的是雖然它不具有現(xiàn)實(shí)意義上的的生命形式，但是它具有感知和激勵(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)、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)報(bào)壽命等功能。換句話來說它能模仿生命系統(tǒng)，具有自感知和記憶，自適應(yīng)，自修復(fù)特性的多功能，它保留了混凝土原有組分同時(shí)復(fù)合了智能型組分。

智能混凝土優(yōu)點(diǎn)很多，諸如：有效地預(yù)報(bào)混凝土材料內(nèi)部的損傷；自我檢測結(jié)構(gòu)的安全性，防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在脆性破壞；自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，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，智能混凝土集自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)等多種功能于一身，缺一不可。但是以當(dāng)前科技發(fā)展水平，設(shè)計(jì)完善的智能混凝土材料還相當(dāng)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1 損傷自診斷混凝土

普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能，但如果在混凝土基材中加入了其它材料，就使混凝土本身具備了本征自感應(yīng)功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中碳類、金屬類和光纖比較常用?，F(xiàn)在社會(huì)上主要有2種研究比較熱門的損傷自診斷混凝土：碳纖維智能混凝土、光纖傳感智能混凝土。損傷自診斷混凝土的自感應(yīng)功能包括壓敏性和溫敏性等。

1.2自調(diào)節(jié)智能混凝土

混凝土常常承受的偶然荷載包括：臺(tái)風(fēng)、地震等。人們往往希望混凝土在承受這些荷載時(shí)，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)。但是混凝土本身是惰性材料，無法實(shí)現(xiàn)這一功能。自調(diào)節(jié)智能混凝土應(yīng)運(yùn)而生，它同時(shí)具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。所謂的自調(diào)節(jié)智能混凝土是在它內(nèi)部復(fù)合具有驅(qū)動(dòng)功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。這種材料具有形狀記憶效應(yīng)，舉例來說，若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當(dāng)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(fù)到原來的尺寸。因此當(dāng)在混凝土中埋入形狀記憶合金時(shí)，可以利用形狀記憶合金對(duì)溫度的敏感性和不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載于擾時(shí)，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

一些建筑，如各類展覽館、博物館及美術(shù)館等，通常對(duì)其室內(nèi)的濕度有嚴(yán)格的要求。為達(dá)到這一目的，可以布設(shè)許多濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復(fù)雜的布線等。然而其成本和使用維持的費(fèi)用都較高。日本學(xué)者研制了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料。這種混凝土材料中的關(guān)鍵組分沸石粉帶來自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能。自身即可完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。其作用機(jī)理為：沸石中的硅酸鈣含有（3－9）X10－10m的孔隙。這些孔隙可以對(duì)水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對(duì)沸石種類進(jìn)行選擇，可以制備符合實(shí)際需要的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合材料。它具有如下特點(diǎn)：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時(shí)放濕，溫度下降時(shí)吸濕。

1.3自修復(fù)智能混凝土

當(dāng)混凝土承受荷載時(shí)，就形甚至出現(xiàn)裂縫。帶縫工作的混凝土，強(qiáng)度會(huì)降低。如果空氣中的CO2、酸雨和氯化物等通過裂縫侵人混凝土內(nèi)部，將會(huì)使混凝土發(fā)生碳化，腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，這對(duì)地下結(jié)構(gòu)物或盛有危險(xiǎn)品的處理設(shè)施尤為不利，同時(shí)要想檢查和維修混凝土的裂縫是很困難的。像現(xiàn)實(shí)生活中可以見到人的皮膚劃破后，經(jīng)一段時(shí)間皮膚會(huì)自然長好，而且修補(bǔ)得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會(huì)自動(dòng)愈合一樣，自愈合混凝土就模仿了這一生物組織。當(dāng)遭受創(chuàng)傷時(shí)，可以自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能。能夠在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)系統(tǒng)的組分是混凝土組分中的具有復(fù)合特性的材料，它促使混凝土模仿動(dòng)物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理。采用粘結(jié)材料和基材相復(fù)合的，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。

日本的東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者的研究成果中，把內(nèi)含粘結(jié)劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，如果在外力作用下，混凝土發(fā)生了開裂，粘結(jié)液流出并深人裂縫。具有剛強(qiáng)度粘結(jié)力的粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。

2智能混凝土研究現(xiàn)狀和應(yīng)注意的問題

不管是自診斷、自調(diào)節(jié)復(fù)混凝土還是自修復(fù)混凝土，都處在智能混凝土的初級(jí)階段，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能混凝土的全部要求。它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡化形式，可以稱之為機(jī)敏混凝土。它們的功能單一，并不囊括智能混凝土的各種功能。隨著對(duì)建筑材料的不斷認(rèn)識(shí)，人們正致力于將2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。這種混凝土將集合自感應(yīng)、自凋節(jié)和自修復(fù)組件材料等，并把原始混凝土作為基材，各材料之間依據(jù)結(jié)構(gòu)需要排列，以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化。

篇6

Abstract: Intelligent is a modern concrete building materials and modern technology to combine the product of a traditional concrete material development of the advanced stage. Recalling the history of the development of concrete intelligence and research and look forward to a smart concrete development trends and application prospects on the research should pay attention to.

Key words: smart concrete development

前言

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，作為最主要的建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強(qiáng)、高性能、多功能和智能化發(fā)展。用它建造的混凝土結(jié)構(gòu)也趨于大型化和復(fù)雜化。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。疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，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)事故。為了有效地避免突發(fā)事故的發(fā)生，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，必須對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的“健康”監(jiān)測，并及時(shí)進(jìn)行修復(fù)?，F(xiàn)有的無損檢測方法，如聲波檢測X射線及C掃描等，只能定性檢測，而不能定量、數(shù)據(jù)化處理，更主要的是不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。因而對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測和損傷估計(jì)還比較困難，甚至是不可能的。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)的維修方式主要是在損傷部位進(jìn)行外部的加固，而對(duì)損傷的原結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修比較困難，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷修復(fù)更是非常困難。隨著現(xiàn)代社會(huì)向智能化的發(fā)展，這種停留在被動(dòng)和計(jì)劃模式的檢測與修復(fù)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)混凝土材料提出的要求。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)、恢復(fù)的智能混凝土已成為結(jié)構(gòu)一功能（智能）一體化的發(fā)展趨勢(shì)[1]

1智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

智能材料，指的是“能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動(dòng)”的材料。它能模仿生命系統(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)。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)報(bào)壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶，自適應(yīng)，自修復(fù)特性的多功能材料。根據(jù)這些特性可以有效地預(yù)報(bào)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(dòng)進(jìn)行修復(fù)，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，智能混凝士是自感知和記憶、自適應(yīng)。自修復(fù)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(dāng)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1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(yīng)功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應(yīng)功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。下面主要介紹2種當(dāng)前研究比較熱門的損傷自診斷混凝土。

1.1.1碳纖維智能混凝土

碳纖維是一種高強(qiáng)度、高彈性且導(dǎo)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(qiáng)度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學(xué)性能也有明顯的改善，可以作為傳感器并以電信號(hào)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(yīng)力、應(yīng)變和操作程度的功能。通過觀測，發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合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。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(yīng)力線性增加，當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時(shí)，電阻逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞。而基準(zhǔn)水泥基材料的導(dǎo)電性幾乎無變化，直到臨近破壞時(shí)，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)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(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測[2].在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(duì)混凝土內(nèi)部在拉、壓、彎靜荷載和動(dòng)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(jìn)行監(jiān)測。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應(yīng)變傳感器，它的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗(yàn)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(dǎo)率會(huì)隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應(yīng)用這一現(xiàn)象對(duì)混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測。通過標(biāo)定這種自感應(yīng)混凝土，研究人員決定阻抗和載重之間的關(guān)系，由此可確定以自感應(yīng)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(chǔ)。

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(huì)產(chǎn)生電位差的熱電性（Seebeck效應(yīng)）。試驗(yàn)表明，在最高溫度為70℃，最大溫差為15℃的范圍內(nèi)，溫差電動(dòng)勢(shì)（E）與溫差t之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到一臨界值時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)率有極大值，且敏感性較高，因此可以利用這種材料實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控；也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警器等可望用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。

碳纖維混凝土除自感應(yīng)功能外，還可應(yīng)用于工業(yè)防靜電構(gòu)造。公路路面、機(jī)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(hù)。住宅及養(yǎng)殖場的電熱結(jié)構(gòu)等。

1.1.2光纖傳感智能混凝土

光纖傳感智能混凝土[3]，即在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋人入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(yīng)力、應(yīng)變變化，并對(duì)由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴(kuò)展等損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)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(qiáng)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(dǎo)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(shù)。近年來，國內(nèi)外進(jìn)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(lǐng)域的研究，開展了混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)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(shù)的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進(jìn)行監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測。光纖在傳感器中的應(yīng)用，提供了對(duì)土建結(jié)構(gòu)智能及內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、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(píng)價(jià)和維護(hù)。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Caleary建設(shè)的一座名為Beddington Tail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測；美國Winooski的一座水電大壩的振動(dòng)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(píng)估系統(tǒng)等。

1.2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(yīng)和電熱效應(yīng)等性能?；炷两Y(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)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但因混凝土本身是惰性材料，要達(dá)到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動(dòng)功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)（SME），若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當(dāng)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(fù)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(duì)溫度的敏感性和不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載于擾時(shí)，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

轉(zhuǎn)貼于

電流變體（ER）是一種可通過外界電場作用來控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下，電流變體可于0.1ms級(jí)時(shí)間內(nèi)組合成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固凝膠，其初度隨電場增加而變調(diào)到完全固化，當(dāng)外界電場拆除時(shí)，仍可恢復(fù)其流變狀態(tài)。在混凝土中復(fù)合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到臺(tái)風(fēng)，地震襲擊時(shí)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(dá)到減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。

有些建筑物對(duì)其室內(nèi)的濕度有嚴(yán)格的要求，如各類展覽館、博物館及美術(shù)館等，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的濕度控制，往往需要許多濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復(fù)雜的布線等，其成本和使用維持的費(fèi)用都較高。日本學(xué)者研制的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料自身即可完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。這種混凝土材料帶來自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。其機(jī)理為：沸石中的硅酸鈣含有（3－9）X10－10m的孔隙。這些孔隙可以對(duì)水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對(duì)沸石種類進(jìn)行選擇，可以制備符合實(shí)際應(yīng)用需要的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合材料。它具有如下特點(diǎn)：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時(shí)放濕，溫度下降時(shí)吸濕。

1.3自修復(fù)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(qiáng)度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等極易通過裂縫侵人混凝土內(nèi)部，使混凝土發(fā)生碳化，并腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，這對(duì)地下結(jié)構(gòu)物或盛有危險(xiǎn)品的處理設(shè)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(fù)混凝土就是應(yīng)這方面的需要而產(chǎn)生的。在人類現(xiàn)實(shí)生活中可以見到人的皮膚劃破后，經(jīng)一段時(shí)間皮膚會(huì)自然長好，而且修補(bǔ)得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會(huì)自動(dòng)愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物組織，對(duì)受創(chuàng)傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)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(luò)系統(tǒng)，模仿動(dòng)物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理。采用粘結(jié)材料和基材相復(fù)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(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結(jié)液流出并深人裂縫。粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。美國伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry在1994年采用類似的方法，將在空心玻璃纖維中注人縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基礎(chǔ)上Carolyn Dry還根據(jù)動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，嘗試制備仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，在其中加人多孔的編織纖維網(wǎng)。在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。這樣便在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機(jī)與無機(jī)物，它們相互穿插粘結(jié)，最終形成的復(fù)合材料是與動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機(jī)與有機(jī)相結(jié)合的材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度及延性等性能。而且在材料使用過程中，如果發(fā)生損傷，多孔有機(jī)纖維會(huì)釋放高聚物，愈合損傷。

2智能混凝規(guī)究現(xiàn)狀和應(yīng)注意的問題

前面所述的自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)混凝土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，是一種智能混凝土的簡化形式。因此有人也稱之為機(jī)敏混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發(fā)揮智能混凝土作用，目前人們正致力于將2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。智能組裝混凝土材料是將具有自感應(yīng)、自凋節(jié)和自修復(fù)組件材料等與混凝土基材復(fù)合并按照結(jié)構(gòu)的需要進(jìn)行排列，以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化。

智能混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實(shí)際工程，還有很多問題需要進(jìn)一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復(fù)粘結(jié)劑的選擇。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解決上述一系列問題將對(duì)智能混凝土今后的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為促進(jìn)智能混凝土研究工作的順利開展有必要就以下幾點(diǎn)形成共識(shí)：

（1）開發(fā)應(yīng)有針對(duì)性。所謂針對(duì)性就是要針對(duì)混凝土性能發(fā)生惡化和結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞等現(xiàn)象，考慮不同的智能方法，如針對(duì)這些現(xiàn)象，設(shè)想開發(fā)出一種能應(yīng)對(duì)所有這些情況的手段是很困難的，因此，縮小智能化范圍，以某種功能為對(duì)象，

從而開發(fā)出相對(duì)最適應(yīng)的方法是必要的。

（2）實(shí)施中應(yīng)具有可行性。澆注混凝土多在施工現(xiàn)場進(jìn)行，因而作為智能混凝土的施工方法，對(duì)其技術(shù)與工藝要求不能過高。應(yīng)以原有工藝為基礎(chǔ)開發(fā)相應(yīng)的較為簡單的方法。選用的材料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，要有利于安全使用，不揮發(fā)任何有刺激的氣味和其它有害物質(zhì)，并能大量應(yīng)用而且成本較低。

篇7

中圖分類號(hào)：TV331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

生物界經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，已經(jīng)形成了非常合理的生命結(jié)構(gòu)，其各種優(yōu)異的特性等優(yōu)點(diǎn)令人嘆為觀止。如骨骼之間的連接既能滿足人體所需的受力要求，又能滿足靈活地運(yùn)動(dòng)要求。再如骨折后體液流入骨折后的縫隙之中能夠起到保護(hù)破裂面和促使破裂面愈合的作用。這些例子均是來源于人或動(dòng)物自身。而自然界本身也存在許多可以讓我們借鑒的例子，如蜂巢和蜘蛛網(wǎng)等都具備相當(dāng)合理的力學(xué)結(jié)構(gòu),見圖1-圖2。這樣的例子不勝枚舉，也賦予了我們?cè)谛率挛镅芯恐械男滤悸?--即：在建筑物到智能建筑的歷程上沿用由機(jī)器到機(jī)器人的思路。

圖1 仿生學(xué)在工業(yè)實(shí)踐中的運(yùn)用（一） 圖2 仿生學(xué)在工程實(shí)踐中的運(yùn)用（二）

1 智能混凝土的概念

對(duì)智能混凝土的研究源于上世紀(jì)90年代，是建筑物智能化時(shí)代的要求。所謂智能混凝土即是具有自診斷、自調(diào)節(jié)或自修復(fù)等特定功能的一種新型混凝土。近年來的研究思路還主要圍繞在自診斷、自調(diào)節(jié)這個(gè)環(huán)節(jié)上，也有了較為可觀的研究成果如：1989年，美國的D.D.L.Chung發(fā)現(xiàn)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，有可以使混凝土材料具自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)采用加入天然沸石的方法制成的調(diào)濕性混凝土具有以下特點(diǎn)：其可通過溫度變化自行進(jìn)行吸、放濕活動(dòng)，溫度上升時(shí)放濕，溫度下降時(shí)吸濕。通過大量的研究，該材料已應(yīng)用于實(shí)際的工程當(dāng)中。如日本月黑雅敘園美術(shù)館、東京攝影美術(shù)館以及成天山書法美術(shù)館等。

對(duì)于自調(diào)節(jié)，尤其是自修復(fù)上還存在較大的問題，主要問題是一直沒有一個(gè)解決思路或方向，而仿生學(xué)的引入為此提供了較為明確的思路，即以物擬人的思路。

2 仿生學(xué)在智能混凝土中的運(yùn)用和發(fā)展

2.1 仿生學(xué)在智能混凝土中的運(yùn)用

在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，人的皮膚劃破后，經(jīng)過一段時(shí)間能夠自然愈合；骨頭折斷后，若對(duì)接的好也可以很好地恢復(fù)。這些現(xiàn)象啟發(fā)了混凝土仿生科學(xué)工作者研制自修復(fù)混凝土。自修復(fù)混凝土就是在混凝土中摻人某些特殊的成分，如日本研發(fā)的內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊和美國研制的空心玻璃纖維或液芯光纖，通過這些內(nèi)摻成分模仿人體組織分泌的可以使得傷口愈合的物質(zhì)以使混凝土材料在受到損傷時(shí)在一定的程度內(nèi)自動(dòng)愈合。

美國和日本學(xué)者分別在內(nèi)置玻璃纖維管和空心膠囊內(nèi)加入化學(xué)粘結(jié)劑，當(dāng)裂縫出現(xiàn)時(shí)，玻璃纖維管和空心膠囊隨之破碎，隨之其內(nèi)部的化學(xué)粘結(jié)劑沿裂縫流出遇到空氣立刻凝結(jié)。這樣不僅可以起到一定的粘和作用，減緩或停止裂縫的發(fā)展，還可以保護(hù)內(nèi)部鋼筋，避免鋼筋銹蝕，消除后期隱患，如圖3所示：

圖3 裂縫自修復(fù)混凝土工作原理

我國的學(xué)者近年來也在自愈合混凝土的研究中獲得了一定的成果，如同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾將注入聚氨酯的空心玻璃管埋入40mm×40mm×160 mm 的水泥砂漿試件，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，通過加載使試塊產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致修復(fù)纖維斷裂，釋放出的修復(fù)劑滲入基體內(nèi)。再將試件再放回養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，直至修復(fù)劑固化。最后再次進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)并對(duì)試件破壞過程進(jìn)行檢測。檢測發(fā)現(xiàn)，增大加載后，修復(fù)部位并未開裂，裂縫出現(xiàn)在其他部位。這很有力地說明了不僅開裂的混凝土構(gòu)件可以很好地自修復(fù)，而且自修復(fù)后的強(qiáng)度和韌性還略有提高。見圖4所示。除了上述結(jié)果外，還有學(xué)者在混凝土外面設(shè)計(jì)一層樹脂保護(hù)層，模擬動(dòng)物的皮膚并使其具備相似的功能。

圖4 同濟(jì)大學(xué)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

2.2 仿生學(xué)在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的發(fā)展

出于實(shí)用性的需要，仿生智能的研究不能僅僅限制于在混凝土中的應(yīng)用，事實(shí)上其在橋梁和建筑的其他方面的研究也已經(jīng)開展了好多年，并基本形成體系，如圖5所示：

圖5 仿生智能混凝土系統(tǒng)

1 )主動(dòng)自防護(hù)系統(tǒng)

模仿高級(jí)生命體身體的皮膚系統(tǒng)與免疫系統(tǒng), 把結(jié)構(gòu)物置于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定、具備自主免疫、基本封閉的健康環(huán)境中, 提高結(jié)構(gòu)的壽命。（如在橋梁結(jié)構(gòu)表面涂環(huán)氧樹脂圖層，形成橋梁的“皮膚系統(tǒng)”，以抵抗外界侵蝕性介質(zhì)的入侵。）

2 )自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)

模仿生命體內(nèi)分泌系統(tǒng)，在肌體破損時(shí)能自修復(fù)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細(xì)小裂縫時(shí)自動(dòng)修復(fù)的功能。（如內(nèi)置含有膠結(jié)劑的膠囊或纖維管的自修復(fù)混凝土，當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)膠囊或纖維管破裂，“分泌物”膠結(jié)劑流出并對(duì)裂縫進(jìn)行填充修補(bǔ)。）

3 ) 神經(jīng)系統(tǒng)

如前面所提及的損傷自診斷混凝土就是利用結(jié)構(gòu)變形引起的碳纖維的變形對(duì)其導(dǎo)電性的影響來監(jiān)測混凝土的損傷問題。這其中，碳纖維就充當(dāng)了神經(jīng)系統(tǒng)的角色，使得結(jié)構(gòu)具有自我感知能力。

4 ) 處理和控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)部分高級(jí)生命體的大腦功能。這個(gè)課題是仿生智能混凝土研究中的較為高層次的一個(gè)研究方向。其主要致力于使混凝土結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)能夠在出現(xiàn)問題的同時(shí)或在問題出現(xiàn)之前，能夠自行處理即將出現(xiàn)或已出現(xiàn)的問題。這個(gè)方面實(shí)際已有相應(yīng)的運(yùn)用，如在有限制的橋梁前的某一路段的公路下方埋置相應(yīng)設(shè)備，其可自行識(shí)別超載或超高危險(xiǎn)車輛，通過LED顯示器等設(shè)備發(fā)出警告或其他措施；在結(jié)構(gòu)物較重要部位安裝相應(yīng)設(shè)備，一旦出現(xiàn)超限的危險(xiǎn)，立馬可以發(fā)出警報(bào)或采取措施的設(shè)備。這就如同我們的大腦指揮我們?cè)谖ｋU(xiǎn)時(shí)刻避險(xiǎn)是一樣的。

3 對(duì)未來仿生智能混凝土發(fā)展趨勢(shì)的展望

對(duì)未來智能混凝土的研究應(yīng)更加注重其“仿生”性。如在生命系統(tǒng)中，自愈合過程是通過物質(zhì)補(bǔ)給和能量補(bǔ)給激發(fā)生長活性因子，促使其發(fā)揮作用來實(shí)現(xiàn)的。據(jù)此可以設(shè)計(jì)使摻人混凝土中的修復(fù)劑本身并不具有粘結(jié)基材的功能，但當(dāng)與另外的物質(zhì)（可以當(dāng)作是生長活性因子）相遇時(shí)可反應(yīng)生成具有粘接功能的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)損傷部位的自動(dòng)修復(fù)。Carolyn Dry曾在他的實(shí)驗(yàn)中，采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，在其中加入多孔編織纖維網(wǎng)，在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出引發(fā)劑（當(dāng)作是生長活性因子），引發(fā)劑與單聚物發(fā)生聚合反應(yīng)生成高聚物，其在多孔纖維網(wǎng)的表面形成了大量有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)并互相穿插粘結(jié)形成了與動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)相類似的復(fù)合材料。具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性、柔韌性等性能。在混凝土材料使用過程中，如果發(fā)生損傷，多孔纖維就會(huì)釋放高聚物，自動(dòng)愈合損傷。

智能混凝土是智能化時(shí)代的產(chǎn)物, 它在對(duì)重大土木設(shè)施的應(yīng)變監(jiān)測、無損評(píng)估、修復(fù)以及減輕臺(tái)風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力, 對(duì)確保建筑物的安全和長期的耐久性都極具重要性。智能混凝土材料作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù), 為傳統(tǒng)建材注入了新的活力, 也提供了全新的發(fā)展思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝昌順,羅素蓉.自修復(fù)智能混凝土的研究進(jìn)展[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2005，10 (33):147-150.

[2] 李 惠,歐進(jìn)萍.智能混凝土與結(jié)構(gòu)[J].工程力學(xué),2007，12(24):45-61.

[3] 姚武,吳科如.智能混凝土的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].建筑石膏及膠凝材料,2000(10):22-24.

[4] 梁文泉,王信剛,何真,等.智能混凝土的研究[J].混凝土與水泥制品,2003，6(12):33-35.

[5] 匡亞川,歐進(jìn)萍.混凝土裂縫的仿生自修復(fù)研究與進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2006，8(36):406-414.

[6] 張雄,習(xí)志臻,王勝先.仿生自愈合水泥砂漿的研究進(jìn)展[J].混凝土,2001，3(137):10-13.

第一作者個(gè)人簡介

姓名：趙成功

出生年：1985年5月

性別：男

籍貫：陜西西安

篇8

自20世紀(jì)80年代中期智能材料的概念提出后，科研人員就將其引入建筑材料的加工中，于是就有了智能混凝土的誕生，其主要是指通過在水泥基中加入不同類型的纖維以使混凝土具有智能化功能。

1 碳纖維智能混凝土

碳纖維具有高強(qiáng)、高彈性模量、質(zhì)輕、耐高溫、耐腐蝕和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，在水泥基材中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強(qiáng)度和韌性，而且可以顯著改善其物理性能，尤其是電學(xué)性能。

1.1 導(dǎo)電性分析

由于碳纖維導(dǎo)電，因而由碳纖維之間未水化的水泥顆粒、水化產(chǎn)物、裂紋等形成勢(shì)壘，構(gòu)成了一定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。摻入的碳纖維在混凝土基質(zhì)中出現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)的帶電粒子通道，通過電極施加電場時(shí)，電子沿通道運(yùn)動(dòng)而具有導(dǎo)電性。因此，可將碳纖維混凝土作為傳感器并以電信號(hào)輸出的形式反映自身受力狀況和內(nèi)部的損傷程度。當(dāng)在水泥凈漿中摻加 0.5% 體積的碳纖維時(shí)，其作為應(yīng)變傳感器的靈敏度可達(dá) 700 mV/V，遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。基于這一特性，可開發(fā)碳纖維混凝土的智能化功能。

1.2 碳纖維混凝土的智能化

1.2.1 損傷自診斷

在疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在拉伸或壓縮狀態(tài)下，碳纖維混凝土材料的體積電導(dǎo)率會(huì)隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低，可應(yīng)用這一現(xiàn)象對(duì)混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測。在碳纖維混凝土中，碳纖維在混凝土中的分散并不完全相互獨(dú)立。按滲流理論，分散相在分散體系中的濃度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，相互接觸的分散相構(gòu)成了無限滲流集團(tuán)。即在碳纖維混凝土中，隨碳纖維摻量增大，逐漸形成了纖維聚集團(tuán)簇。團(tuán)簇內(nèi)纖維彼此連接，當(dāng)碳纖維摻量大于臨界值時(shí)全部團(tuán)簇形成滲流網(wǎng)絡(luò)，使導(dǎo)電率急劇上升。根據(jù)這一理論，當(dāng)碳纖維束受力導(dǎo)致纖維絲斷裂時(shí)其導(dǎo)電性降低，而且其導(dǎo)電性降低的程度與斷裂的碳纖維的數(shù)量成正比，即與受力大小成正比，因而可以用埋入碳纖維的電阻變化，來監(jiān)測混凝土及相關(guān)結(jié)構(gòu)部件的受力情況和形變情況。在具體應(yīng)用時(shí)，可以將碳纖維增強(qiáng)樹脂做成棒材，在加載作用下形變量增加導(dǎo)致材料電阻值增加，當(dāng)電阻值急劇增加時(shí)，說明材料所受的應(yīng)力已接近其臨界狀態(tài)，進(jìn)一步加載會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性破壞，因此這種材料能夠預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)材料的壽命。

利用碳纖維復(fù)合材料做智能結(jié)構(gòu)診斷，可用于：①防盜保護(hù)。將樹脂、碳纖維與玻璃纖維粘接成棒狀，并交叉成網(wǎng)狀，外面覆蓋混凝土，做成銀行的防盜保護(hù)墻體。強(qiáng)盜從任何一個(gè)地方鉆孔打洞，都會(huì)引起墻體的電學(xué)信號(hào)值的急劇變化，從而發(fā)出警報(bào)。②安全監(jiān)測。將這種敏感碳纖維復(fù)合材料連接到高層建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，可以監(jiān)測高層建筑物的傾斜度、各個(gè)部位的形變量以及受力過大的部位。日本建造的 66 層綜合寫字樓中已使用這種碳纖維敏感材料，可以隨時(shí)掌握高層大樓內(nèi)各個(gè)部位的受力情況，以提高大樓的使用安全性。

1.2.2 溫度監(jiān)控與調(diào)節(jié)

碳纖維混凝土具有溫敏性，即溫度變化會(huì)引起電阻變化及碳纖維混凝土內(nèi)部的溫度差會(huì)產(chǎn)生電位差的熱電效應(yīng)。研究表明，其在最高溫度為 70 ℃、最大溫差為 15 ℃的范圍內(nèi)，溫差電動(dòng)勢(shì)E與溫差t之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系；當(dāng)水泥漿中每克水泥摻入 10 mg碳纖維時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)極大值為 18 µV/℃，靈敏性較高。利用這一特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化的實(shí)時(shí)測量，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警器等，可望用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。

碳纖維在通電時(shí)能夠發(fā)熱，在含有碳纖維復(fù)合棒材或者短切碳纖維的混凝土中通電后，可使墻體表面的溫度提高 5 ～ 20 ℃。因此，可用埋入的碳纖維復(fù)合棒材加熱墻體以提高室溫，將其用于地下防空洞墻體或者圖書資料館的墻體，若所使用電壓低于 10 V，對(duì)人體不會(huì)造成安全危害；還可應(yīng)用這一技術(shù)對(duì)混凝土路面、橋面和機(jī)場跑道等結(jié)構(gòu)進(jìn)行融雪化冰等，基于碳纖維混凝土的道路及橋梁路面的自適應(yīng)融雪和融冰系統(tǒng)的智能混凝土研究已在歐美等國家和地區(qū)的寒冷地區(qū)展開，盡管將短切碳纖維加到混凝土中的額外費(fèi)用將提高大約 30%，但與粘貼或埋入傳感器的做法相比仍然非常便宜。

1.2.3 利用反射電磁波來導(dǎo)航

使交通系統(tǒng)智能化是交通運(yùn)輸領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。通過對(duì)高速公路上車道兩側(cè)的標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別，電腦系統(tǒng)可以確定汽車的行駛線路、速度等參數(shù)。如果在混凝土中摻入0.5% 直徑為 0.1 µm的碳纖維微絲，則這種混凝土對(duì) 1 GHz電磁波的反射強(qiáng)度要比普通混凝土高 10 dB，且其反射強(qiáng)度比透射強(qiáng)度高 29 dB，而普通混凝土反射強(qiáng)度比透射強(qiáng)度低 3 ～ 11 dB。研究表明，碳纖維微絲經(jīng)臭氧處理后再摻入混凝土中，不但能提高混凝土反射電磁波的能力，而且能提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。采用這種混凝土作為車道兩側(cè)導(dǎo)航標(biāo)記，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高速公路的導(dǎo)航。由汽車上的電磁波發(fā)射器向車道兩側(cè)的導(dǎo)航標(biāo)記發(fā)射電磁波，經(jīng)過反射，由汽車上的電磁波接收器接收，再通過汽車上的電腦系統(tǒng)進(jìn)行處理，即可判斷并控制汽車的行駛線路。采用這種混凝土作導(dǎo)航標(biāo)記，其成本低，可靠性好，準(zhǔn)確度高。另外，利用碳纖維混凝土的壓敏特性，還可以將碳纖維混凝土應(yīng)用在橋梁上，對(duì)車輛的載重量實(shí)時(shí)監(jiān)測，限制超重車輛的通行；用于高速公路可以實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛的速度、方向、承載量；與交通信號(hào)燈結(jié)合，可對(duì)車流進(jìn)行實(shí)時(shí)智能控制。

1.2.4 自動(dòng)排除混凝土中的堿性物質(zhì)

當(dāng)混凝土使用一段時(shí)間后，其中的堿性物質(zhì)就會(huì)逐漸聚集，并向鋼筋表面移動(dòng)，逐漸腐蝕鋼筋，導(dǎo)致水泥開裂。在含有碳纖維棒或者絲的混凝土兩端，施加高壓直流電，混凝土中的堿性物質(zhì)會(huì)被導(dǎo)電碳纖維吸附，并向負(fù)極移動(dòng)，最終移動(dòng)到混凝土表面而被清洗干凈，從而增加混凝土構(gòu)件的使用壽命。日本已陸續(xù)采用這種方法保護(hù)和維護(hù)一些國寶級(jí)文物建筑和海邊的建筑物。

1.2.5 監(jiān)測水泥管道的漏水情況

在鋼筋混凝土管道的外壁內(nèi)，平行于管道軸線，等間距地安置碳纖維敏感棒材，當(dāng)碳纖維周圍水分增高時(shí)，其導(dǎo)電性會(huì)明顯增加，因而可以通過監(jiān)測其電阻值的變化，來監(jiān)測管道的漏水情況。

2 光纖智能混凝土

光纖是傳播光信息的纖維材料，主要成分以SiO2為主，一般是由折射率高的內(nèi)芯和折射率較低的包皮涂料拉制而成。光線進(jìn)入光纖的內(nèi)芯后，在內(nèi)芯和涂料界面處發(fā)生全反射，光線就在光纖內(nèi)部傳輸。在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋入光纖傳感器或其陣列，可探測混凝土在硬化以及受載過程中內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變變化，并對(duì)由外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴(kuò)展等損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線無損監(jiān)測，有利于結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測、維護(hù)和整體評(píng)價(jià)。

2.1 光纖傳感技術(shù)

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(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)的變化。若能測量出光波量的變化，就可以知道導(dǎo)致光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。將光纖埋入混凝土中時(shí)，界面之間應(yīng)具有良好的結(jié)合，兩個(gè)關(guān)鍵問題在于：光纖埋入混凝土中時(shí)，不會(huì)因?yàn)樘畛湮锛皺C(jī)械震動(dòng)而受到損傷；在高堿度水泥糊劑的環(huán)境中，必須具有化學(xué)耐久性。為此，可采用以下光纖埋入方法：①由金屬保護(hù)管圍繞纖維，在埋入時(shí)，先將管子安放到位再將混凝土澆在上面，等澆灌操作完畢，將金屬管子緩慢移動(dòng)，抽出離開內(nèi)部的纖維，這樣可使水泥形成光滑界面；②有兩個(gè)金屬管在光纖兩端，光纖可在這兩段金屬套管中自由移動(dòng)，金屬封裝應(yīng)該采用與混凝土膨脹系數(shù)相匹配的材料制成，以使殘余溫度應(yīng)力最?。虎劾媒^緣墊片將無殼纖維固定在鋼筋上，而墊片不影響混凝土與纖維之間的結(jié)合。

2.2 光纖混凝土對(duì)于內(nèi)部裂縫的監(jiān)測

光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獯嬖谳椛?、吸收和輻射損耗，當(dāng)光纖的空間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變?yōu)檩椛淠?，從而引起損耗即微彎損耗。在光纖直線段中以小于臨界角的角度傳播的光線，可因光纖的彎曲而使它們?cè)诶w芯與包層界面處的入射角加大，于是有一部分光便傳輸?shù)桨鼘又?，使光纖中傳輸?shù)墓廨敵鰪?qiáng)度減小，即產(chǎn)生微彎損耗，該損耗量可通過采用光功率計(jì)直接測量光纖光功率輸出。

當(dāng)混凝土受外加荷載或溫度影響而產(chǎn)生裂縫時(shí)，跨越其間的傳感器將局部發(fā)生拉伸和剪切變形，從而使光纖在拉伸、剪切、橫向擠壓和鋼絲繩表面凹凸的綜合作用下產(chǎn)生微彎，引起該位置OTDR檢測信號(hào)的衰減，實(shí)現(xiàn)傳感。通過截面梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證了該種傳感器對(duì)混凝土裂縫的識(shí)別效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，加載后，隨著梁撓度的增加，光強(qiáng)衰減量與梁撓度相關(guān)曲線呈較強(qiáng)的上升趨勢(shì)。說明傳感器對(duì)拉伸和剪切應(yīng)變非常敏感。在曲線中有斜率突變處，表明此撓度時(shí)混凝土梁產(chǎn)生了微裂紋，且隨撓度增加裂紋隨之?dāng)U展至有新的裂紋生成。此現(xiàn)象說明，該傳感器對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展識(shí)別效果顯著。

目前，光纖傳感器已用于加拿大Beddington Trail雙跨公路橋的內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測；美國Winooski水電大壩的振動(dòng)監(jiān)測；重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測和蕪湖長江大橋的長期監(jiān)測與安全評(píng)估等。

3 空心玻璃纖維智能混凝土

高強(qiáng)空心玻璃纖維強(qiáng)度高、剛度高、密度小，比強(qiáng)度、比剛度與實(shí)心玻纖相近，可用于建筑混凝土的自我修復(fù)。

3.1 自我修復(fù)原理

模仿生物組織能自動(dòng)分泌某種物質(zhì)使受創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，通過在混凝土中復(fù)合特殊修補(bǔ)組分（如含粘結(jié)劑的空心纖維），形成仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在混凝土遭到外力破壞產(chǎn)生裂紋時(shí)復(fù)合的特殊修補(bǔ)成分就會(huì)自動(dòng)釋放并對(duì)混凝土產(chǎn)生修補(bǔ)作用。

3.2 玻璃纖維智能混凝土的自我修復(fù)

Carolyn Dry等用空心玻璃纖維存儲(chǔ)粘結(jié)劑埋入混凝土中，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受外力因素影響時(shí)，材料內(nèi)部因應(yīng)力改變而產(chǎn)生裂紋，使空心纖維產(chǎn)生破裂，修補(bǔ)液從纖維洞穴流向基質(zhì)而固化，以修補(bǔ)瞬間產(chǎn)生的微裂紋。但將空心玻璃纖維埋入混凝土基體時(shí)，若埋入數(shù)量過多將降低混凝土的宏觀強(qiáng)度，若數(shù)量過少，如何保證空心玻璃纖維恰在混凝土的微裂紋產(chǎn)生處又是一個(gè)難題。而且，纖維管與基體的匹配性能、修補(bǔ)劑的粘接質(zhì)量、裂紋的開裂機(jī)制等都會(huì)在不同程度上影響修補(bǔ)效果。另外在混凝土澆注過程中，埋入空心玻璃纖維將會(huì)增加施工復(fù)雜度，影響施工進(jìn)度。因此，這種修補(bǔ)方式要想取得實(shí)際應(yīng)用仍有許多問題需要解決。與此機(jī)理相同的還有空心微膠囊修復(fù)技術(shù)，但微膠囊混合得較為均勻，使得這種自修補(bǔ)方式具有更高的機(jī)敏性和適應(yīng)能力。微膠囊與基體材料的匹配、微膠囊的摻入比例、修補(bǔ)劑的質(zhì)量、裂紋的開裂機(jī)制等同樣會(huì)影響到自修復(fù)的效果。

4 結(jié)束語

智能混凝土的出現(xiàn)是智能化時(shí)代的要求，對(duì)于土木基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)變的實(shí)量監(jiān)測、損傷的無損評(píng)估、及時(shí)修復(fù)以及減輕臺(tái)風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，通過引入新型高性能纖維材料，智能纖維混凝土為傳統(tǒng)建材的發(fā)展注入了新的內(nèi)容和活力，同時(shí)也進(jìn)一步拓展了新型纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚忠偉. 智能混凝土的研究及其發(fā)展[J]. 新型建筑材料，2005（2）：6－9.

[2] 李化建，蓋國勝，黃佳木，等. 智能混凝土[J]. 建材技術(shù)與應(yīng)用，2002（1）：8－10.

[3] 梁暉，劉國軍. 智能材料在混凝土中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)建筑，2005，35（增刊）：655－658.

[4] 王順強(qiáng)，張紅娟. 智能混凝土的研究進(jìn)展[J]. 中國水泥，2005（11）：70－72.

[5] 李建保，王厚亮，孫格靚，等. 碳纖維復(fù)合材料在智能建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]. 碳素技術(shù)，2000，109（4）：54－57.

[6] 梁文泉，王信剛，何真，等. 智能混凝土的研究[J]. 中國水泥，2003（6）：33－35.

篇9

Abstract: the intelligent material used in carbon fiber as the bridge structure, the application of carbon fiber concrete electric heating, electricity-force-effect, to improve the bearing capacity of the bridge and deformation capacity, open up the carbon fiber concrete application field, and for the bridge structure control and puts forward a new method of intelligent bridge, and for the new bridge development and strengthening old bridge is expanding a new road.

Keywords: carbon fiber concrete; Intelligent bridge; Improve the bearing capacity

中圖分類號(hào)：TU37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1.引言

近年來國內(nèi)外的橋梁研究者們都在努力探索新的具有自診斷和自修復(fù)的智能橋梁結(jié)構(gòu)。健康監(jiān)測系統(tǒng)等一系列的橋梁結(jié)構(gòu)智能控制系統(tǒng)已成為近年研究的焦點(diǎn)，并已經(jīng)取得了一些成就，光纖光柵傳感技術(shù)以及一些引入復(fù)合材料后具有機(jī)敏性的智能混凝土的應(yīng)用與研究，為人類橋梁史的發(fā)展開辟了新的途徑。

智能混凝土是在混凝土原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分,使混凝土具有自感知和記憶，自適應(yīng)，自修復(fù)特性的多功能材料。根據(jù)這些特性，可以有效地預(yù)報(bào)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(dòng)進(jìn)行修復(fù)，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，智能混凝士是自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)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有一定困難。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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本研究以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目為資助，以318國道湖北荊州一座急待改建小橋?yàn)橐劳泄こ?，初步探討碳纖維混凝土智能材料在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果。

2.實(shí)橋改造試驗(yàn)方案

觀音垱橋是318國道上的一座小橋，該橋?yàn)?1×6.80)米鋼筋混凝土板橋，橋面總寬為14.10米，兩邊各有0.30米寬鋼筋混凝土路緣石，凈寬為13.50米。設(shè)計(jì)荷載為：公路Ⅱ級(jí)；公路等級(jí)：二級(jí)公路。由于該橋處于國道上，日交通量大，重載車日益增多，且使用已久，出現(xiàn)了橋面龜裂，主板出現(xiàn)大量裂縫，伸縮縫壞死，支撐梁損壞等病害。故對(duì)橋作如下改造、加固措施。

2.1 三片鋼桁架。鋼桁架用鋼δ22，Q235；焊條，E43型；焊縫厚6mm。

各桁架布置標(biāo)高一致；在桁架入臺(tái)耳處的橋臺(tái)內(nèi)預(yù)埋300×300×10mm鋼板，下焊4根φ8長100mm鋼筋，桁架與預(yù)埋鋼板焊接。

2.2 三個(gè)碳纖維混凝土短柱。短柱：C30混凝土，內(nèi)摻含體積率1%的短切碳纖維。

短柱上下有兩電極，并將電線接上并外引至南側(cè)橋邊，電源為110V，短柱兩側(cè)粘好測溫度的線，并外引至南側(cè)橋邊；短柱4側(cè)打磨干凈，再涂兩遍酚醛樹脂；在短柱頂面上現(xiàn)灌托梁。

2.3 一個(gè)托梁。托梁：C30混凝土，8Φ16。

托梁構(gòu)造如下：（1）N3為托架往下凸出部分內(nèi)的鋼筋，每處4Φ16，與N1 ，N2綁扎，并于往下凸出部分50cm，內(nèi)布4φ8@150箍筋。（2）托梁分兩次澆灌，南側(cè)托梁與梁板間預(yù)留2 cm間隙，北側(cè)托梁與梁板間預(yù)留1cm間隙，第一次澆筑路左幅（南側(cè)）705cm部分；待右邊公路行車后再灌右幅（北側(cè)）705cm部分。

2.4 更換梁板及橋面鋪裝。

裝應(yīng)變片的空心板共5塊，布置在3個(gè)上和桁架之間，其中桁架上的板裝4塊應(yīng)變片，另2塊裝2塊應(yīng)變片。在安裝處先將鋼筋打磨光滑，讓應(yīng)變片完全接觸鋼筋，涂上環(huán)氧樹脂，貼上應(yīng)變片，綁上粘膠，然后用紗布一層層裹實(shí)，每裹一層涂上一層環(huán)氧樹脂；每塊板的應(yīng)變線做上記號(hào)，并外引至南側(cè)橋邊。

3.碳纖維混凝土橋梁智能化方案與試驗(yàn)

3.1 研究了組合結(jié)構(gòu)體系

用桁架與梁組合，使梁跨中彎矩減少40﹪。

3.2 提出了三種智能材料在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方案

（1）梁中CFRP混凝土層橋梁結(jié)構(gòu)

圖1-1短切碳纖維混凝土梁

圖1-1所示結(jié)構(gòu)在梁的下緣作成CFRP混凝土簿層如2cm，通過電極通電，CFRP混凝土層發(fā)熱升溫，從而梁上下緣產(chǎn)生溫差，超靜定梁就產(chǎn)生負(fù)彎矩和

上拱，這樣，梁彎矩和撓度分別下降54﹪和96﹪，但是耗電較大。

（2）桁架梁智能結(jié)構(gòu)

如圖1-2所示結(jié)構(gòu)的桁架與梁不直接接觸，在橋?qū)挿较虿贾枚嗥旒埽诟髫Q桿底端用聯(lián)系桿將桁架橫向聯(lián)系起來，用托梁（可用鋼筋混凝土構(gòu)件）將各片梁（板）橫向托起，CFRP混凝土短柱緊挨桁架豎桿，置于聯(lián)系桿和托梁之間。短柱通電升溫就伸長，這就可智能化地向梁提供向上的力，從而減少梁的彎矩和橈度，效果分別達(dá)到73﹪和64﹪。

圖1-2. 桁架梁智能結(jié)構(gòu)圖1-3. 斜撐梁智能結(jié)構(gòu)

（3）斜撐梁智能結(jié)構(gòu)

如圖1-3所示結(jié)果，斜撐支在橋臺(tái)（墩）上，CFRP混凝土短柱置于梁和斜撐之間并緊密接觸；CFRP混凝土短柱通電后，短柱伸長給梁頂力，所以梁的彎矩和橈度減少，效果都可超過90﹪甚至達(dá)到100﹪。

智能材料在橋梁中控制效果：CFRP層砼橋，彎矩下降54%，撓度下降96%；桁架梁智能橋，彎矩下降73%，撓度下降64%；斜撐梁智能橋，彎矩下降90%以上，撓度下降90%以上。

由此可見優(yōu)良排序：斜撐梁智能橋、桁架梁智能橋、CFRP混凝土層橋

3.3 CFRP混凝土材料特性試驗(yàn)

通過試驗(yàn)獲得CFRP混凝土材料特性，主要為電—熱效應(yīng)、導(dǎo)電性能、時(shí)間溫度關(guān)系、時(shí)間變形關(guān)系；

篇10

Artificial intelligent method for prediction of temperature field in mass concrete

Fang Ri-xing1Liu Yun-jie2

(1.TangShan CaoFei Dian ShiYe Port Co.,LTD TangShan, 063300;2. Tianjin Port Construction Company, Tianjin 300461)

Abstract: The temperature field of mass concrete is unsteady temperature field is affected by many factors, the heat conduction theory for solving the transient temperature field of tradition is very difficult. Using the BP neural network according to the characteristics of large volume concrete temperature field, a prediction model of L-M algorithm is proposed based on temperature field. The predicted results show that, the model has fast convergence speed, high prediction accuracy.

Keywords: Massive concrete; temperature field; artificial neural network; hydration reaction; LM algorithm

0．引 言

大體積混凝土一次澆筑量大，混凝土體積厚，導(dǎo)熱系數(shù)比較低，水泥水化產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散失，使混凝土內(nèi)部溫度逐漸升高，造成較大的溫度梯度。如果不采取措施控制混凝土的溫度，混凝土就會(huì)開裂[1]。如果在施工以前能夠成功地對(duì)混凝土溫度場進(jìn)行預(yù)測，可為設(shè)計(jì)、施工、采取溫控措施、防止混凝土開裂提供依據(jù)。這對(duì)于提高工程質(zhì)量有重要意義。

但由于水泥水化過程中，系統(tǒng)的溫度、生熱率、熱流率、熱邊界條件等隨時(shí)間都有明顯變化。因此，采用傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)理論求解這種瞬態(tài)溫度場是非常困難的。本文探索性地采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從混凝土結(jié)構(gòu)出發(fā)，以結(jié)構(gòu)尺寸及邊界條件、澆筑溫度、環(huán)境溫度、絕熱溫升、導(dǎo)溫系數(shù)作為輸入?yún)?shù)，混凝土內(nèi)部溫度最大值和溫度梯度最大值作為輸出參數(shù)，采用LM(Levenberg-Marquardt)優(yōu)化算法對(duì)學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行優(yōu)化，建立大體積混凝土溫度場的預(yù)測模型，對(duì)溫度場進(jìn)行預(yù)測。

1．大體積混凝土溫度場構(gòu)成因素分析

用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某大體積混凝土剪力墻進(jìn)了瞬態(tài)溫度場分析，如圖1所示。

圖1某大體積混凝土墻瞬態(tài)溫度場分析

通過溫度場有限元分析我們可以看出混凝土內(nèi)部最高溫度一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)物的中心位置。另外，如下五種因素對(duì)大體積混凝土溫度場有重要影響：

1．1混凝土的澆筑溫度

在絕熱條件下，混凝土內(nèi)部的最高溫度，是澆筑溫度Ti與水泥水化熱溫升的總和。降低混凝土的澆筑溫度，亦就是相應(yīng)地降低了混凝土內(nèi)部的最高溫度，并減小了結(jié)構(gòu)物的溫度梯度。

1．2混凝土的最高絕熱溫升

混凝土內(nèi)部溫度升高的根本原因是水泥水化放熱。混凝土的最高絕熱溫升可由下式計(jì)算[3]：

式中，Tm為混凝土的最大絕熱溫升（℃）；

Wc為混凝土的水泥用量（kg/m3）；

為水泥的水化熱（kJ/kg）；

C為混凝土的比熱（kJ/kg•℃）；

為混凝土的容重（kg/m3）。

由于不同混凝土結(jié)構(gòu)的水泥用量、水泥水化熱、混凝土容重、比熱等不盡相同。本文通過引入混凝土的最高絕熱溫升Tm作為大體積混凝土溫度場預(yù)測模型輸入?yún)?shù)之一，綜合考慮了不同混凝土結(jié)構(gòu)的以上不同因素。

1．3邊界條件和結(jié)構(gòu)尺寸[4]

混凝土建筑物中，廣泛適用的是第三類邊界條件，即假定經(jīng)過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度和混凝土周圍介質(zhì)溫度之差成正比，但第三類邊界條件在數(shù)學(xué)上處理比較困難。因此在分析中，對(duì)第三類邊界條件的處理，采用自真實(shí)邊界向外延伸一個(gè)虛擬厚度，得到一個(gè)虛邊界，如圖2所示，在虛邊界上混凝土表面溫度等于外界介質(zhì)溫度。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)表面虛厚度示意圖

如果混凝土的實(shí)際厚度為h，則在計(jì)算中采用的計(jì)算厚度為：

L=h+2d

式中L為混凝土的計(jì)算厚度（m）；

h為混凝土的實(shí)際厚度（m）；

d為混凝土的虛厚度（m）。而虛厚度d可近似地按λ/β來計(jì)算，即

d= K•H＝K•λ/β

式中λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；β為混凝土模板及保溫層的傳熱系數(shù)；K為計(jì)算折減系數(shù)。β可按下式計(jì)算：

式中，為各種保溫材料的厚度（m）；為各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m•K)；βq為空氣層傳熱系數(shù)。

本文采用計(jì)算厚度：L=h+2d，把虛厚度同結(jié)構(gòu)尺寸及保溫層導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合起來一并考慮。

1．4環(huán)境溫度

混凝土內(nèi)部溫度升高的同時(shí)要向外部環(huán)境散熱降溫。第三類邊界條件假定經(jīng)過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度和混凝土周圍介質(zhì)溫度之差成正比。因此，環(huán)境溫度通過影響混凝土表面的熱流量來影響混凝土內(nèi)部溫度場。

1．5混凝土導(dǎo)溫系數(shù)

混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)表示混凝土內(nèi)部熱量擴(kuò)散特性，或表達(dá)混凝土內(nèi)部溫度的變化速率。導(dǎo)溫系數(shù)h2(m2/h)可由如下公式計(jì)算[5]：

h2＝λ/Cγ

式中，λ(KJ/(mh℃))為導(dǎo)熱系數(shù)；C(KJ/kg℃)為比熱；γ(kg/m3)為混凝土容重。

本文通過引入混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)作為大體積混凝土溫度場預(yù)測模型輸入?yún)?shù)之一，把混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱及容重結(jié)合起來一并考慮。

2．BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)