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)的不斷進步，作為最主要的建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強、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)進行實時的“健康”監(jiān)測，并及時進行修復(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，更主要的是不能實現(xiàn)實時監(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行外部的加固，而對損傷的原結(jié)構(gòu)進行維修比較困難，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)代社會向智能化的發(fā)展，這種停留在被動和計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、自動地對結(jié)構(gòu)進行自診斷、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”的材料。它能模仿生命系統(tǒng)，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，自動作出適時。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)果自動進行修復(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實的基礎(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，電阻逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞。而基準水泥基材料的導(dǎo)電性幾乎無變化，直到臨近破壞時，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，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗中還發(fā)現(xiàn)，無論在拉伸或是壓縮狀態(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行監(jiān)測。通過標定這種自感應(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)部的溫度差會產(chǎn)生電位差的熱電性（Seebeck效應(yīng)）。試驗表明，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現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實時監(jiān)控；也可以實現(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。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、裂紋及擴展等損傷進行實時監(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)進行實時、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。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。
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)除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風(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，但因混凝土本身是惰性材料，要達到自調(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。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，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)的不斷進步，作為最主要的建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強、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)進行實時的“健康”監(jiān)測，并及時進行修復(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，更主要的是不能實現(xiàn)實時監(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行外部的加固，而對損傷的原結(jié)構(gòu)進行維修比較困難，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)代社會向智能化的發(fā)展，這種停留在被動和計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、自動地對結(jié)構(gòu)進行自診斷、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”的材料。它能模仿生命系統(tǒng)，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，自動作出適時。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)果自動進行修復(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實的基礎(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，電阻逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞。而基準水泥基材料的導(dǎo)電性幾乎無變化，直到臨近破壞時，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，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗中還發(fā)現(xiàn)，無論在拉伸或是壓縮狀態(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行監(jiān)測。通過標定這種自感應(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)部的溫度差會產(chǎn)生電位差的熱電性（Seebeck效應(yīng)）。試驗表明，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現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實時監(jiān)控；也可以實現(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。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、裂紋及擴展等損傷進行實時監(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)進行實時、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。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。
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)除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風(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，但因混凝土本身是惰性材料，要達到自調(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。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，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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