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(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(jī)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(shí)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(tái)風(fēng)和地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)承載能力并減緩結(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)功能的材料。目前已廣泛使用的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)溫度的敏感性，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載干擾時(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(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)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(dòng)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(yàn)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(chǎng)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(chǎng)的作用下，其稠度隨電場(chǎng)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(chǎng)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(tái)風(fēng)和地震襲擊時(shí)，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(dòng)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(duì)其室內(nèi)的濕度也有嚴(yán)格的要求，為實(shí)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(jià)和維持使用的費(fèi)用都較高。日本學(xué)者研制出了自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料，其自身即可完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度的探測(cè)，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。為這種混凝土帶來自動(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：沸石粉中的孔隙可以對(duì)水分、NOX和SOX氣體進(jìn)行有選擇性的吸附。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。通過對(duì)沸石粉的種類進(jìn)行選擇，可以制備出符合實(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。這種材料已成功用于多家場(chǎng)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(duì)應(yīng)的。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其強(qiáng)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(shí)，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(shí)，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(cè)試碳纖維混凝土的電導(dǎo)率變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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、彎等靜荷載和動(dòng)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(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，其靈敏度遠(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)，無論在拉伸還是壓縮狀態(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(cè)。
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(huì)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(dòng)勢(shì)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(shí)現(xiàn)對(duì)大體積混凝土的溫度自監(jiān)控，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部及周圍環(huán)境溫度變化的實(shí)時(shí)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(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。
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(chǎng)和磁場(chǎng)等，這些外部條件的變化會(huì)引起光發(fā)生諸如光強(qiáng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)無損的檢測(cè)，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(zhǎng)高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測(cè)以及蕪湖長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與安全評(píng)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(shí)間皮膚會(huì)自然長(zhǎng)好；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會(huì)自動(dòng)愈合……混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中常會(huì)產(chǎn)生裂縫，這些裂縫不僅降低混凝土強(qiáng)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(duì)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(jī)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(dòng)物的骨骼結(jié)構(gòu)和形成機(jī)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(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，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(shì)
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(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及損傷等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)自行修復(fù)。相信隨著對(duì)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(gè)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(shí)、尋優(yōu)和控制驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)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(shí)又具有優(yōu)異的智能特征，真正實(shí)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(cè)、感知能力)，肌肉系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)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(shí)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(diǎn)形成共識(shí)。
(1) 針對(duì)性。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，考慮不同的智能化方法。要開發(fā)出一種能應(yīng)對(duì)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(duì)象，從而開發(fā)出相對(duì)最適應(yīng)的方法。
(2) 可行性。澆注混凝土多在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，因而智能混凝土對(duì)技術(shù)與工藝的要求需結(jié)合實(shí)際情況，應(yīng)以原有工藝為基礎(chǔ)開發(fā)相應(yīng)的較為簡(jiǎn)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(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)行控制和補(bǔ)償，但是否會(huì)對(duì)強(qiáng)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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