1 智能混凝土的定義
智能混凝土是在傳統(tǒng)混凝土的基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分(如傳感器、驅(qū)動器和微處理器等)，使混凝土成為既能承載又具有傳遞信息、自行判斷和執(zhí)行命令等特定功能的多功能材料。
智能混凝土起源于二十世紀(jì)60年代，當(dāng)時蘇聯(lián)學(xué)者首先采用碳黑為導(dǎo)電組分嘗試制備了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。二十世紀(jì)80年代末，日本的研究人員設(shè)想并著手開發(fā)“對環(huán)境變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。1993年，美國開辦了與土木建筑有關(guān)的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。我國從二十世紀(jì)90年代中期開始針對碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域進(jìn)行研究，雖然起步較晚，但在我國科研機構(gòu)和高等院校的共同努力下已取得大量成果。
2 智能混凝土的種類
2.1 自調(diào)節(jié)智能混凝土
實際應(yīng)用中，人們希望混凝土不僅能夠承受負(fù)荷，還要求其在臺風(fēng)和地震等自然災(zāi)害發(fā)生時能夠自動調(diào)節(jié)承載能力并減緩結(jié)構(gòu)振動，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)動功能的材料。目前已廣泛使用的驅(qū)動材料為形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)和電流變體(Electro-Rheid, ER)。
在室溫下對形狀記憶合金施以超過彈性范圍的拉伸使其產(chǎn)生塑性變形，將其加熱至略微超過相變溫度，即可使變形消失，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溫度的敏感性，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(yīng)力重新分布并產(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。形狀記憶合金的另一個顯著優(yōu)點是相變偽彈性性能和相變滯后性能，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加卸載過程中形成環(huán)狀，這說明形狀記憶合金在此過程中可吸收和耗散大量能量。因此，利用形狀記憶合金形成的被動耗能控制系統(tǒng)可以用來消耗大量地震能量，從而減輕地震災(zāi)害。有試驗結(jié)果表明，安裝了形狀記憶合金耗能器的結(jié)構(gòu)可吸收60%左右的地震能量，結(jié)構(gòu)的位移可得到明顯的抑制。
電流變體是一種可通過外界電場作用來控制其粘性和彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下，其稠度隨電場的增加而增加直到完全固化，電流變體可于0.1ms內(nèi)組合成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固體凝膠，當(dāng)外界電場消失后，仍可恢復(fù)其流變狀態(tài)。在混凝土中復(fù)合電流變體，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到臺風(fēng)和地震襲擊時，通過調(diào)整其內(nèi)部的流變特性，改變結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼特性，可達(dá)到減緩結(jié)構(gòu)振動的目的。
除承載和抗震外，各類展覽館、博物館及美術(shù)館等對其室內(nèi)的濕度也有嚴(yán)格的要求，為實現(xiàn)穩(wěn)定的濕度，往往需要設(shè)置濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復(fù)雜的布線等，其造價和維持使用的費用都較高。日本學(xué)者研制出了自動調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料，其自身即可完成對室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需要對其進(jìn)行調(diào)控。為這種混凝土帶來自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉，其機理為：沸石粉中的孔隙可以對水分、NOX和SOX氣體進(jìn)行有選擇性的吸附。它具有如下特點：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)，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。通過對沸石粉的種類進(jìn)行選擇，可以制備出符合實際應(yīng)用需要的自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合材料。這種材料已成功用于多家場館的室內(nèi)墻壁，取得了非常好的效果。其他如天然的硅藻土、高嶺土、凹凸棒土和海泡石，以及人工合成的硅酸鈣、人工沸石等也可賦予混凝土材料自調(diào)濕功能。
2.2 自感應(yīng)智能混凝土
向混凝土中復(fù)合部分功能材料可獲得具備壓敏性和溫敏性等功能的自感應(yīng)混凝土，目前常用的功能材料有：聚合物、碳纖維、金屬和光纖等，其中最常用的是碳纖維和光纖。
2.2.1 碳纖維智能混凝土
水泥基復(fù)合材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對應(yīng)的。碳纖維是一種高強度、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其強度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學(xué)性能也得到明顯改善。研究結(jié)果表明，在構(gòu)件受力的彈性階段，碳纖維水泥基材料的電阻率隨內(nèi)部應(yīng)力的增加而線性增加，當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時，電阻率逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞；而不摻碳纖維的水泥基材料其導(dǎo)電性在荷載作用下幾乎無變化，直到臨近破壞時，電阻率才急劇增大。根據(jù)碳纖維混凝土的這一特性，通過測試碳纖維混凝土的電導(dǎo)率變化，可實現(xiàn)對混凝土工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。碳纖維混凝土本身就是傳感器，可對混凝土內(nèi)部在拉、壓、彎等靜荷載和動荷載作用下的彈性變形、塑性變形以及損傷開裂進(jìn)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(yīng)變傳感器，其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗中還發(fā)現(xiàn)，無論在拉伸還是壓縮狀態(tài)下，碳纖維混凝土材料的體積電導(dǎo)率會隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應(yīng)用這一現(xiàn)象對混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測。
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)以及碳纖維混凝土內(nèi)部的溫差會產(chǎn)生電位差的熱電性。有研究結(jié)果表明，在最高溫度為70℃以及最大溫差為15℃的范圍內(nèi)，溫差電動勢e與溫差t之間具有良好的線性關(guān)系。碳纖維混凝土可實現(xiàn)對大體積混凝土的溫度自監(jiān)控，也可以實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部及周圍環(huán)境溫度變化的實時監(jiān)控。
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。
2.2.2 光纖傳感智能混凝土
光在光纖中的傳播易受到外部條件的影響，如溫度、壓力、電場和磁場等，這些外部條件的變化會引起光發(fā)生諸如光強度、相位、頻率及偏振態(tài)的變化?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，光波量變化的大小與溫度、壓力和磁場等物理量的變化息息相關(guān)，進(jìn)而出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)。近年來，國內(nèi)外科研工作者將光纖傳感技術(shù)引入建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，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)的光纖傳感技術(shù)的研究。
光纖的應(yīng)用實現(xiàn)了對土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時無損的檢測，有利于結(jié)構(gòu)的安全和整體維護(hù)。到目前為止，光纖傳感智能混凝土已成功用于許多工程，國內(nèi)典型的工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測以及蕪湖長江大橋長期監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)等。
2.3 自修復(fù)智能混凝土
人的皮膚劃破后，經(jīng)過一段時間皮膚會自然長好；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合……混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中常會產(chǎn)生裂縫，這些裂縫不僅降低混凝土強度，而且易使水、CO2、酸雨和氯化物等侵入混凝土內(nèi)部，使混凝土發(fā)生碳化，并腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，這對建筑物和構(gòu)筑物等尤為不利。一旦混凝土結(jié)構(gòu)形成裂縫，檢查和維修工作都難以進(jìn)行，但若能采用自修復(fù)混凝土，就不必?fù)?dān)心這些問題了。
如前所述，自修復(fù)混凝土就是模仿生物組織受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機理，在傳統(tǒng)混凝土組分中復(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)，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，有學(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)液流出并滲入裂縫，粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。美國有學(xué)者在1994年采用類似的方法，在空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑埋入混凝土中使混凝土具有自修復(fù)功能。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)動物的骨骼結(jié)構(gòu)和形成機理進(jìn)一步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，在其中加入多孔的編織纖維網(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)劑使單聚物聚合成高聚物，這樣便在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機與無機物，它們相互穿插粘結(jié)，最終形成的復(fù)合材料是與動物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機與有機相結(jié)合的材料，具有優(yōu)異的強度及延性等性能，聚合反應(yīng)留下的水則繼續(xù)參與水泥水化反應(yīng)。
3 智能混凝土的發(fā)展趨勢
智能混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于民用建筑、橋梁、道路和大壩等工程中，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及損傷等情況進(jìn)行實時、在線的監(jiān)控，并實現(xiàn)自行修復(fù)。相信隨著對智能混凝土基礎(chǔ)理論及應(yīng)用技術(shù)的深入研究，其應(yīng)用面將更為更廣泛，應(yīng)用效果更佳。
因此，未來在該領(lǐng)域的研究課題應(yīng)著重于以下幾個方面。
(1) 混凝土中智能組件的集成化和小型化
智能混凝土是在現(xiàn)代材料科學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步融入了信息科學(xué)的內(nèi)容，如感知、辨識、尋優(yōu)和控制驅(qū)動等，智能混凝土必須引入傳感、執(zhí)行和信息處理等元件，而智能組件的集成化和小型化無疑將有利于與混凝土基材的復(fù)合。
(2) 開發(fā)智能控制材料
控制材料是智能組件集成化的關(guān)鍵，神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)控制材料不但為智能混凝土材料獲得實時動態(tài)響應(yīng)、提供學(xué)習(xí)和決策功能，而且能夠?qū)Νh(huán)境變化進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)控，從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)環(huán)境，自診斷材料和結(jié)構(gòu)的健康狀況并進(jìn)行自修復(fù)等目的。因此，必須致力于探索和開發(fā)神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)控制材料，挖掘新的研究方法和新的制造工藝。
(3) 實現(xiàn)混凝土材料結(jié)構(gòu)、智能一體化
未來的智能混凝土材料既是高性能的建筑結(jié)構(gòu)材料，同時又具有優(yōu)異的智能特征，真正實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)與智能的一體化。形象地講，未來的智能混凝土應(yīng)包括骨骼系統(tǒng)(基材，提供承載能力)，神經(jīng)系統(tǒng)(內(nèi)埋傳感網(wǎng)絡(luò)，提供監(jiān)測、感知能力)，肌肉系統(tǒng)(驅(qū)動元件，提供調(diào)整適應(yīng)響應(yīng))，免疫系統(tǒng)(修復(fù)元件，提供康復(fù)能力)，以及神經(jīng)中樞系統(tǒng)(控制元件，提供學(xué)習(xí)和決策能力)等。
4 結(jié)語與展望
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，在大量投入實際工程前，還有很多問題需要進(jìn)一步研究和解決。這包括碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式和耐久性等，光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式，自修復(fù)混凝土的修復(fù)粘結(jié)劑的選擇、封入的方法以及愈合后混凝土耐久性能的可靠性等。為保證智能混凝土研究工作的順利開展，有必要就以下幾點形成共識。
(1) 針對性。要針對混凝土性能發(fā)生惡化和結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞等現(xiàn)象，考慮不同的智能化方法。要開發(fā)出一種能應(yīng)對所有情況的解決方法是很困難的，應(yīng)縮小智能化范圍，以某種特定功能為對象，從而開發(fā)出相對最適應(yīng)的方法。
(2) 可行性。澆注混凝土多在施工現(xiàn)場進(jìn)行，因而智能混凝土對技術(shù)與工藝的要求需結(jié)合實際情況，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。此外，選用的材料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，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。
(3) 綜合性。智能化措施雖可以提高材料的耐久性，但也會帶來負(fù)面作用。如由于使用了某種材料雖然能對某種惡化現(xiàn)象進(jìn)行控制和補償，但是否會對強度等其它性能產(chǎn)生不利影響，都需要認(rèn)真權(quán)衡利弊，綜合考量。
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