智能混凝土與發(fā)展

1、智能混凝土與發(fā)展摘要：智能混凝土是現(xiàn)代建筑材料與現(xiàn)代科技相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng) 混凝土材料發(fā)展的高級(jí)階段?；仡櫫酥悄芑炷恋陌l(fā)展歷史和研究現(xiàn) 狀，展望了智能混凝土的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景，闡述了研究中應(yīng)注意 的問題。關(guān)鍵字：智能-混凝土隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的持續(xù)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。不過混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中因?yàn)槭墉h(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(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，必須對(duì)此類結(jié)構(gòu)實(shí)

2、 行實(shí)時(shí)的“健康”監(jiān)測(cè)，并即時(shí)實(shí)行修復(fù)?，F(xiàn)有的無損檢測(cè)方法，如 聲波檢測(cè)X射線及C掃描等，只能定性檢測(cè)，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(cè)。因而對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測(cè)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 主要是在損傷部位實(shí)行外部的加固，而對(duì)損傷的原結(jié)構(gòu)實(shí)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(cè)與修復(fù)方式已不能 適合現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)混凝土材料提出的要求。所以，研究和 開發(fā)具有主動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)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

3、的發(fā)展趨勢(shì)11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，做出相對(duì)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，自適合，自修復(fù)特性的多功能材料。根據(jù)這些特性能夠有效地預(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(cè)需要，防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在脆性 破壞，并能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)實(shí)行修復(fù)，顯著提升混凝土結(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、自適合。 自

4、修復(fù)等多種功能的綜合，缺一不可，以當(dāng)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。當(dāng)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

5、好的材料。在水泥基材料 中摻入適量碳纖維不但能夠顯著提升強(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，能夠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)部的損傷水準(zhǔn)。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，能夠使混凝土具有自感知內(nèi)部應(yīng) 力、應(yīng)變和操作水準(zhǔn)的功能。通過觀測(cè)，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

6、應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)纖維混凝土的這個(gè)特性，通過測(cè) 試碳纖維混凝土所處的工作狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān) 測(cè)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實(shí)行監(jiān)測(cè)。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。所以，能夠 應(yīng)用這個(gè)現(xiàn)象對(duì)混凝土材料的疲勞損傷實(shí)行監(jiān)測(cè)。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

7、 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 70C,最大溫差為15C 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，所以能夠利用這種材料實(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；也能夠?qū)崿F(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

8、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(chǎng)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(chǎng)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(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)因?yàn)橥饬?、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴(kuò)展等損傷實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 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(chǎng)、磁場(chǎng)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。所以人們發(fā)現(xiàn)，如果能測(cè)量出光波量的變化，就能夠知道導(dǎo)致 光波量變化的溫度、壓力、磁場(chǎng)等物理量的大小。于是

9、，出現(xiàn)了光纖 傳感技術(shù)。近年來，國內(nèi)外實(shí)行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 和建筑檢測(cè)這個(gè)領(lǐng)域的研究，展開了混凝土結(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 化過程中實(shí)行監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。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)實(shí)行實(shí)時(shí)、在線無損檢測(cè)手段，有利于 結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)和整體評(píng)價(jià)和維護(hù)。到當(dāng)前為止，光纖傳感器已用于 很多工程，典型的工程有加拿大 Caleary建設(shè)的一座名為 BeddingtonTail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測(cè)；美國 Winooski的 一座水電大壩的振動(dòng)監(jiān)測(cè)；國內(nèi)工程有重慶渝長(zhǎng)高速公路上的紅梢房 大橋監(jiān)測(cè)

10、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。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) 整承載水平和減緩結(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)相對(duì)應(yīng)形狀的功能，在混凝

11、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，從而提升混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。電流變體(ER是一種可通過外界電場(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(chǎng)增加而變調(diào) 到完全固化，當(dāng)外界電場(chǎng)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)

12、館等，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的濕度控制，往往需要很多濕度傳感器、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(cè)，并根據(jù)需要對(duì)其實(shí)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（39） X1010m的孔隙。這些孔隙能夠?qū)λ帧0x和S0x氣體選擇性的 吸附。通過對(duì)沸石種類實(shí)行選擇，能夠制備符合實(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)

13、智能混凝土混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)是帶縫工作的?；炷廉a(chǎn)生 裂縫，不但強(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)生活中能夠見到人的皮膚劃破后，經(jīng)一段時(shí)間皮 膚會(huì)自然長(zhǎng)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

14、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)甚至提升材料性 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CarolynDry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

15、功能。 在此基礎(chǔ)上CarolynDry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

16、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(jiǎn)化形式。所以有人也稱之為機(jī)敏混凝土。不過這種功能單一的混 凝土并不能發(fā)揮智能混凝土作用，當(dāng)前人們正致力于將 2種以上功能 實(shí)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)的需要實(shí)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)

17、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)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。為促動(dòng)智能混凝土研究工作的順 利展開有必要就以下幾點(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，所以，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)最適合的方法是必要 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(chǎng)實(shí)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)相對(duì)應(yīng)的較為簡(jiǎn)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，雖然能夠提升材料的耐久性, 但也會(huì)帶來負(fù)面作用。如因?yàn)槭褂昧四撤N材料雖然能對(duì)某種惡化現(xiàn)象 實(shí)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