工程材料進(jìn)展課程論文

1、智能混凝土的研究及進(jìn)展綜述摘要：智能混凝土是隨著人類科技發(fā)展而形成的一種智能化產(chǎn)物，是智能材料在工程領(lǐng)域應(yīng)用的具體體現(xiàn)。本文闡述了智能混凝土的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，并展望了智能混凝土的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:智能混凝土；研究現(xiàn)狀；展望Abstract：Intelligent concrete is a intelligent product which formed with the development of the humans technology, and it is the concrete reflection with the use of intelligent materials

2、in the engineering. This paper elaborates the development history and the research status of the intelligent concrete, and prospects of development of intelligent concrete.Key words: Intelligent concrete；Research status; Prospect1、前言混凝土作為最主要的建筑材料已有近200年的歷史，由于其具有抗壓強(qiáng)度高、彈性模量大、耐久性和耐高溫性能好、易改性、可塑性好、可以任意規(guī)模

3、澆注等特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但隨著現(xiàn)代航空、航天、電子、機(jī)械等高科技領(lǐng)域的飛速發(fā)展,人們對材料提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料混凝土，已經(jīng)不能滿足這些技術(shù)的要求，混凝土的發(fā)展由傳統(tǒng)的單一的僅具有承載能力的結(jié)構(gòu)材料，向多功能化、智能化的結(jié)構(gòu)材料方向發(fā)展。而智能混凝土作為一種新型的智能材料，是混凝土發(fā)展方向中最突出的一個發(fā)展領(lǐng)域。 2、智能混凝土的發(fā)展及研究現(xiàn)狀所謂智能混凝土是指在混凝土原有的組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)等特性的多工程材料1-2。智能混凝土是智能材料的一個分支，是智能材料在土木工程中應(yīng)用的具體體現(xiàn)。20世紀(jì)60年代，當(dāng)時蘇聯(lián)學(xué)者

4、首先采用碳黑導(dǎo)電組分嘗試制備了水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料，但當(dāng)時并沒有引起重視。直到20世紀(jì)80年代末，日本土木工程界的研究人員設(shè)想并著手研究高智能結(jié)構(gòu)的所謂“對環(huán)境變化具有感知和控制功能”的智能材料及1993年美國科學(xué)基金會資助了土木工程智能材料與智能結(jié)構(gòu)的研究。在上述兩項(xiàng)重大研究計(jì)劃的推動下，90年代初期，Dry和Chung3分別提出了自修復(fù)混凝土和自感知混凝土，并展開了相關(guān)研究，展示了智能混凝土與傳統(tǒng)混凝土迥然不同的功能特性。自此之后，智能混凝土的研究才得到各國的重視和關(guān)懷。目前,根據(jù)智能混凝土所具有功能的不同,智能混凝土可簡單地分為自診斷混凝土、自調(diào)節(jié)混凝土、自修復(fù)混凝土以及高阻尼混凝土等幾大

5、類型。2.1自診斷混凝土自診斷混凝土是在混凝土中加入碳纖維或光纖等具有壓敏或溫敏特性材料， 使混凝土能在溫度或壓力改變中進(jìn)行自我診斷。2.1.1碳纖維智能混凝土自診斷混凝土最早是從美國的 Chung D D L發(fā)現(xiàn)碳纖維混凝土電阻與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系開始的，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳纖維混凝土壓應(yīng)力和電阻率之間存著對應(yīng)關(guān)系4。當(dāng)壓應(yīng)力較小時，由于混凝土內(nèi)原有裂縫在壓應(yīng)力下閉合，纖維間勢壘變窄所致的電阻率隨壓應(yīng)力的增加而減小，此時混凝土材料處在正常工作范圍內(nèi)。隨著壓應(yīng)力的增大，一方面混凝土開始產(chǎn)生損傷核心的裂紋；另一方面原有裂紋還在閉合之中，它們處在一種動態(tài)平衡。因此，此階段電阻率基本沒有變化，但混凝土材料已開始出

6、現(xiàn)損傷。隨著壓應(yīng)力的繼續(xù)增大，混凝土的損傷和新的裂紋加劇，碳纖維的電阻率迅速增加。因此可以通過測試碳纖維混凝土電阻率變化并與計(jì)算機(jī)連接，直接反映其所在結(jié)果部分混凝土所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的再現(xiàn)監(jiān)測。此項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于大壩、橋梁及重要的建筑結(jié)構(gòu)。目前,我國的長江三峽工地的圍堰上部分地段已經(jīng)試用此項(xiàng)技術(shù)，取得了良好的效果5。除了能夠感知壓力的變化外，含有碳纖維的混凝土還會產(chǎn)生熱電效應(yīng)（Seebeck效應(yīng))。在最高溫度為70、最大溫差為15的范圍內(nèi)，溫差電動勢E與溫差t之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到一臨界值時，其溫差電動勢率有極大值，且敏感性較高。因此可以利用這種材料實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)

7、部和周圍環(huán)境溫度變化的實(shí)時監(jiān)控。在國外，自診斷碳纖維混凝土也已被應(yīng)用于機(jī)場道路及橋梁路面的自適應(yīng)融雪和融冰上，并取得了很好的效果6。 在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上海同濟(jì)大學(xué)等相繼開展了碳纖維混凝土研究并取得了系統(tǒng)成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)歐進(jìn)萍、李惠和韓寶國等系統(tǒng)研究了機(jī)敏混凝土信號采集和處理系統(tǒng)，開發(fā)了水泥基標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變傳感器，為自z診斷智能混凝土的實(shí)際應(yīng)用開辟了可行之路；近年來，李惠、歐進(jìn)萍和肖會剛等發(fā)現(xiàn)了納米混凝土的應(yīng)變自感知性能，并將其成功應(yīng)用于某橋關(guān)鍵截面應(yīng)變狀態(tài)的監(jiān)測，同時納米混凝土還具有高延性、高耐磨和高耐久性等優(yōu)異的綜合性能，成為了新的研究熱點(diǎn)7-10。2.1.2光纖傳感智能

8、混凝土光纖傳感智能混凝土，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

9、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，提供了對土建結(jié)構(gòu)智能及內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時、在線無損檢測手段，有利于結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和整體評價和維護(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)測與安全評估系統(tǒng)等。2.2 自調(diào)節(jié)混凝土混凝土結(jié)構(gòu)除正常負(fù)荷外，人們還希望它有動態(tài)平衡及自適應(yīng)功能，能根據(jù)動態(tài)的外部環(huán)境條件不斷調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的行為，以一種優(yōu)化的方式

10、對環(huán)境變化作出響應(yīng)，比如臺風(fēng)、地震等動荷載調(diào)整承載能力或根據(jù)環(huán)境進(jìn)行溫度濕度調(diào)節(jié)等。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)動功能的組件材料，如：形狀記憶合金(SMA)和電流變體(er)等。2.2.1形狀記憶合金智能混凝土形狀記憶合金是一類具有形狀記憶效應(yīng)的智能合金材料，最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一就是對溫度很敏感，在不同溫度下具有恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能。利用形狀記憶合金的這一特性，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載干擾下，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土內(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)的承載能力。形狀記憶合金的另一個顯著優(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

11、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的能量。因此，用形狀記憶合金研制成的被動耗能器或被動耗能控制系統(tǒng)可以用來消耗大量的地震能量，減輕地震災(zāi)害。有關(guān)試驗(yàn)表明，安裝了形狀記憶合金耗能器的結(jié)構(gòu)，60%左右的地震能量都能被耗能器吸收，結(jié)構(gòu)的位移可得到明顯的抑制和減小11。2.2.2電流變體智能混凝土電流變體（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級時間內(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，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

12、變作用，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到臺風(fēng)，地震襲擊時調(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)振動的目的。2.2.3自律型調(diào)濕混凝土此外有些建筑物對其室內(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12。北方地區(qū)冬季室內(nèi)干燥，衣服、電器容易產(chǎn)生靜電，而且舒適感較差；南方地區(qū)夏季室內(nèi)潮濕多雨，木質(zhì)家具易腐朽霉變，而且易發(fā)生流行病。為解決此類問題，一般建筑物多采用空氣調(diào)節(jié)器加濕(或除濕)和通風(fēng)，成本較高。自律型調(diào)濕混凝土可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)不同濕度條件下的水蒸氣吸附、脫附目的，又稱之為會呼吸的智能調(diào)濕混凝土。把沸石粉作為調(diào)濕性組分加入混凝土材料當(dāng)中就可制成滿足上述要求的調(diào)濕性混凝土。沸

13、石粉中的硅酸鈣含有（39）×10-10m的孔隙，這些孔隙可以對水分、NOX和SOX等進(jìn)行選擇性吸收。通過沸石粉種類進(jìn)行選擇，可以制備符合實(shí)際應(yīng)用需要的自動調(diào)節(jié)環(huán)境的混凝土復(fù)合材料。采用加人天然沸石的方法制成的調(diào)濕性混凝土具有以下特點(diǎn):優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度有關(guān)，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。日本對自律型調(diào)濕混凝土進(jìn)行了大量的研究,并已應(yīng)用于對濕度變化敏感的美術(shù)作品收藏室、對溫度和濕度變化敏感的食品倉庫等。今后，對這種會呼吸的混凝土?xí)饾u從公用設(shè)施進(jìn)人普通居民用房，為居住者提供更舒適的居住環(huán)境。2.3 自修復(fù)混凝土自修復(fù)混凝土就是模仿生物組織對

14、受創(chuàng)傷部位能自動分泌某種物質(zhì)，從而使受創(chuàng)傷部位愈合的機(jī)理，在混凝土中摻人某些特殊的組分，如內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊、空心玻璃纖維或液芯光纖，或形狀記憶合金與前三者中的一種復(fù)合使混凝土材料在受到損傷時部分空心膠囊、空心玻璃纖維或液芯光纖破裂，粘結(jié)劑流到損傷處，使混凝土裂縫重新愈合。至今為止年有大量專家學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究，如：2001年，南京航空航天大學(xué)的楊紅提出了利用空心光纖來實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的自診斷、自修復(fù)13。該文首創(chuàng)了用于智能結(jié)構(gòu)的空心光纖研究方法，并對其進(jìn)行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究。此外，還設(shè)計(jì)了埋入空心光纖的復(fù)合材料診斷與修復(fù)系統(tǒng)用于檢測復(fù)合材料損傷程度與位置以及對損傷處進(jìn)行自修復(fù)等。在復(fù)合材料中，

15、還埋入了形狀記憶合金（SMA）絲以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、安全和可靠性。研究的對象是紙蜂窩和樹脂基兩種復(fù)合材料，利用空心光纖注膠的方法進(jìn)行了復(fù)合材料自修復(fù)的研究。實(shí)驗(yàn)表明，修復(fù)后的紙蜂窩復(fù)合材料完全達(dá)到正常材料的使用性能，樹脂基復(fù)合材料在完全破壞的情況下，經(jīng)修復(fù)后，材料的拉伸和壓縮性能得到很大的恢復(fù)。 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

16、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 14。在此基礎(chǔ)上Carolyn Dry還根據(jù)動物骨骼的結(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)纖維會釋放高聚物，愈合損傷。在國內(nèi)，匡亞川、歐進(jìn)萍15-16等研究

17、了內(nèi)含修復(fù)膠粘劑纖維管的損傷自修復(fù)智能混凝土梁。研究表明，修復(fù)膠粘劑可以將裂縫面重新粘結(jié)在一起，起到修補(bǔ)裂縫的作用，裂縫修復(fù)后的混凝土梁性能得到了恢復(fù)，試件再次受力時，應(yīng)力重新分配到未開裂區(qū)域，其開裂荷載有所提高。2.4 高阻尼混凝土 高阻尼混凝土是指在普通混凝土中復(fù)合了能夠較大地提高混凝土材料本身的阻尼比，從而提高結(jié)構(gòu)抗震能力。阻尼比是結(jié)構(gòu)的動力特性之一，描述的是機(jī)構(gòu)在振動過程中能量耗散的多少，引起結(jié)構(gòu)能量耗散的因素很多，材料本身的阻尼比是能量耗散的主要原因，提高材料本身的阻尼比，可以大大提高提高結(jié)構(gòu)抗震性能。理想的彈性材料只能夠存儲能量，但不能耗散能量，而黏性液體可以耗散能量，卻不能儲存能

18、量。只有介于這兩種材料之間的黏彈性材料既能存儲能量也能耗散能量。高阻尼混凝土是一種黏彈性材料，其在交變應(yīng)力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為一橢圓形的滯回環(huán)，該環(huán)所包圍的面積表示體系振動時黏彈性材料耗散的振動能量。目前，發(fā)現(xiàn)具有這些功能的材料有乳膠微料、硅粉、甲基纖維素等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉鐵軍等人從2000年開始17對高阻尼混凝土與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究, 研制出了具有良好阻尼特性與力學(xué)性能的減振混凝土(阻尼比提高50%80%),推出了三點(diǎn)彎曲狀態(tài)下粘彈性材料的參數(shù)關(guān)系,確立了材料損耗因子與結(jié)構(gòu)構(gòu)件阻尼比的關(guān)系,建立了高阻尼混凝土的本構(gòu)方程,在高阻尼混凝土的研制上邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。萬澤青等在聚合物混凝

19、土的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整聚合物的摻量，添加纖維、硅粉、石墨等填料，研制出了一種高阻尼混凝土材料，不僅改善了混凝土的阻尼性能，而且有效解決了傳統(tǒng)混凝土的強(qiáng)度和阻尼性能不兼顧這一矛盾18-19。3.智能混凝土的展望 前面所述的自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)以及高阻尼混凝土是智能混凝土研究的初級階段，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。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

20、斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化。 綜觀國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究趨勢，可以將未來智能混凝土的發(fā)展方向規(guī)劃為一下幾個方面：3.1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。因此，智能混凝土在傳統(tǒng)材料中必須引入傳感元件、執(zhí)行元件、信息處理元件等。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更好復(fù)合。3.2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、材料和結(jié)構(gòu)健康狀況的自診

21、斷和自修復(fù)等目的。因此，必須花大力氣探索和開發(fā)神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)控制材料的模型，挖掘新的研究方法和新的制造工藝。3.3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，同時又具有優(yōu)異的智能特征，真正達(dá)到了混凝土材料結(jié)構(gòu)-智能一體化的境界。并且具有多種完善的仿生功能，包括類似骨骼系統(tǒng)(基材)以提供承載能力，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，神經(jīng)中樞系統(tǒng)(控制元件)提供學(xué)習(xí)和決策能力。4.結(jié)語 智能混凝土是智能化時代的產(chǎn)物，它在對重大土木基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)變的實(shí)量監(jiān)測、損傷的無損評估、及時修復(fù)以及減輕臺風(fēng)

22、、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全和長期的耐久性都具有重要性。而且在現(xiàn)代建筑向智能化發(fā)展的背景下，對傳統(tǒng)的建筑材料的研究、制造、缺陷預(yù)防和修復(fù)等都提出了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。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)建材的未來發(fā)展注入了新的內(nèi)容和活力，也提供了全新的機(jī)遇。其發(fā)展必將使混凝土材料的應(yīng)用具有更廣闊的前景和產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)：1蕫利.智能混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀與展望J.科技信息,2012,11:414+380.2李建峰,卜娜蕊.智能混凝土的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J.河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,01:52-55.3Chen P W,Chung D D L,Impro

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