智能混凝土的研究及其發(fā)展
2008-06-04 00:00
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)。現(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，而對損傷的原結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修比較困難，尤其是對結(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[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（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)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。
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處）
關(guān) 鍵 字：智能-混凝土
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)。現(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，而對損傷的原結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修比較困難，尤其是對結(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[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（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)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。
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