智能混凝土范文10篇

智能混凝土范文篇1

关键词：智能混凝土研究发展

随着现代材料的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用。疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势[1]

1智能混凝土的定义和发展历史

智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。

1.1损伤自诊断混凝土

自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。

1.1.1碳纤维智能混凝土

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测[2].在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为管理的智能化提供材料基础。

碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（Seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。

碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于防静电构造。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护。住宅及养殖场的电热结构等。

1.1.2光纤传感智能混凝土

光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为BeddingtonTail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。

1.2自调节智能混凝土

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。

电流变体（ER）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。

有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有（3－9）X10－10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0x和S0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。

1.3自修复智能混凝土

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上CarolynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。

2智能混凝规究现状和应注意的

前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。

智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的产生深远的。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：

（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。

（2）实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。

（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。

智能混凝土范文篇2

关键字:智能-混凝土

随着现代材料科学的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用。疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势[1]

1智能混凝土的定义和发展历史

智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。

1.1损伤自诊断混凝土

自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。

1.1.1碳纤维智能混凝土

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测[2]。在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基础。

碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（Seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。

碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于工业防静电构造。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护。住宅及养殖场的电热结构等。

1.1.2光纤传感智能混凝土

光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为BeddingtonTail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。

1.2自调节智能混凝土

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。

电流变体（ER）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。

有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有（3－9）X10－10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0x和S0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。

1.3自修复智能混凝土

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上CarolynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。

2智能混凝规究现状和应注意的问题

前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。

智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：

（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。

（2）实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。

（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。

智能混凝土范文篇3

关键词：智能混凝土研究发展

随着现代材料科学的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用。疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势[1]

1智能混凝土的定义和发展历史

智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。

1.1损伤自诊断混凝土

自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。

1.1.1碳纤维智能混凝土

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测[2].在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基础。

碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（Seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。

碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于工业防静电构造。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护。住宅及养殖场的电热结构等。

1.1.2光纤传感智能混凝土

光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为BeddingtonTail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。

1.2自调节智能混凝土

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。

电流变体（ER）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。

有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有（3－9）X10－10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0x和S0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。

1.3自修复智能混凝土

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上CarolynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。

2智能混凝规究现状和应注意的问题

前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。

智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：

（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。

（2）实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。

（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。

智能混凝土范文篇4

关键词：智能混凝土研究发展

随着现代材料科学的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用。疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势[1]

1智能混凝土的定义和发展历史

智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。

1.1损伤自诊断混凝土

自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。

1.1.1碳纤维智能混凝土

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测[2].在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基础。

碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（Seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。

碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于工业防静电构造。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护。住宅及养殖场的电热结构等。

1.1.2光纤传感智能混凝土

光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为BeddingtonTail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。

1.2自调节智能混凝土

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。

电流变体（ER）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。

有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有（3－9）X10－10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0x和S0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。

1.3自修复智能混凝土

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上CarolynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。

2智能混凝规究现状和应注意的问题

前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。

智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：

（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。

（2）实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。

（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。

智能混凝土范文篇5

关键字：智能；混凝土

随着现代材料科学的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用。

疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势[1]。

1智能混凝土的定义和发展历史

智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。

1.1损伤自诊断混凝土

自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。

1.1.1碳纤维智能混凝土

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测[2]。在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基础。

碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（Seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。

碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于工业防静电构造。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护。住宅及养殖场的电热结构等。

1.1.2光纤传感智能混凝土

光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为BeddingtonTail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。

1.2自调节智能混凝土

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。电流变体（ER）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。

有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有（3－9）X10－10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0x和S0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。

1.3自修复智能混凝土

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上CarolynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。

2智能混凝规究现状和应注意的问题

前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。

智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：

（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。

（2）实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。

（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。

智能混凝土范文篇6

关键词：自修复混凝土自密实混凝土胶粘剂简支梁

作为建筑结构最主要的材料之一，混凝土经历着由普通混凝土向高强与高性能混凝土的发展，目前又朝着多功能和智能化方向发展[1]。混凝土材料特别是高强与高性能混凝土，其固有缺陷是脆性大，容易开裂。混凝土的裂缝严重影响结构的耐久性，在一定条件下导致结构严重破坏，造成巨大的经济损失。过去，对混凝土材料的修复主要是事后维修，随着现代社会向智能化发展，这种被动的修补、加固已经不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料的要求。研究和开发自修复智能混凝土，使其能主动、自动地对损伤部位进行修复，恢复并提高混凝土材料的性能，成为一个非常令人关注和急需研究的问题[2]。

智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的多功能材料。自九十年代中期，国内外先后开展了功能型和智能型水泥基材料的研究，并取得了一些有价值的研究成果。如同济大学研究了碳纤维水泥基材料特性等，哈尔滨工业大学研究了光纤传感智能混凝土，国外还对水泥基磁性复合材料、自动调节温度与湿度的水泥基复合材料等进行了研究。但是，有关自修复混凝土的研究还很少，如何快速、适时地愈合混凝土材料的内部损伤，以及对自修复混凝土机理的研究，目前只有美国、日本等少数国家进行研究，且处于实验室探索阶段[3]~[8]。

自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生、恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。其具有自修复行为混凝土的智能模型为：在混凝土基体中掺入内含修复胶粘剂的修复纤维管，从而形成了智能型仿生自修复神经网络系统。在外界作用下，混凝土基体一旦开裂，管内装的修复剂流出渗入裂缝，由化学作用修复剂固结，从而抑制开裂，修复裂缝[3]。

本文采用免振自密实混凝土作为智能混凝土的基材，对内置空心玻璃纤维封入裂缝修补剂的钢筋混凝土简支梁的自修复效果进行了试验研究，使其具有裂缝自我修复功能，并能恢复甚至提高混凝土材料的性能。

1内置空心玻璃纤维的自修复免振捣混凝土

内置修复空心玻璃纤维的裂缝自修复混凝土，是模仿生物伤口“破裂—流血—凝结—愈合”的过程，把生物材料的这种自愈合能力应用在混凝土中。即在混凝土构件受拉区分层布置一些注有高分子修复用胶粘剂的空心玻璃管，当混凝土构件受拉开裂时，这些玻璃管也随之破裂，其中的修复胶粘剂迅速流到裂缝处并随着时间而固化、硬结,从而实现混凝土裂缝的自修复。

由于自修复混凝土是在内部掺入了装载有修复胶粘剂的玻璃纤维，若对混凝土进行振捣,不但会导致内置于混凝土中的空心玻璃纤维因为受扰动而浮出混凝土的表面，而且还容易导致它们破碎。当玻璃纤维浮出表面，就造成原本应置于受拉区以作为修补裂缝用的纤维管跑位，达不到修复的目的；而内置玻璃纤维的过早破坏更是造成了胶粘剂的流失。免振捣自密实混凝土是在没有振捣的情况下仅靠自重就能穿越密集钢筋、在复杂模板中填充成型并且不产生离析，具有均匀自密实成型性能，同时硬化后具有优良的力学性能和耐久性能。因此采用免振捣自密实混凝土作为基材，从根本上解决了自修复混凝土构件制作的技术难题。

2试验研究

2.1试验目的

为了研究修复胶粘剂对免振捣自密实混凝土构件的修复效果，本文共设计了30根简支梁（尺寸、配筋都相同，浇筑强度等级相同的自密实混凝土）进行三分点简支梁静力纯弯试验。观察裂缝开展情况和破坏形态，并分析比较在存放胶粘剂的玻璃管数量不同时，以及不同的胶粘剂品种下，简支梁修复前后的承载力变化。

2.2自密实混凝土配合比及力学性能

试验采用福建水泥股份有限公司生产的建福牌32.5R普通硅酸盐水泥；福州闽江中砂，细度模数2.23，表观密度为2650kg/m3；福建闽侯碎石，5～20mm连续级配，表观密度为2665Kg/m3；福州闽江清洁饮用水；漳州后石电厂的Ⅰ级粉煤灰；以FDN萘系高效减水剂为主的复合外加剂。自密实混凝土的胶凝材料总量为500kg/m3，砂率45％，水胶比0.36。28d立方体抗压强度50.23MPa，轴心抗压强度37.90MPa，劈拉强度3.44MPa，弹性模量3.51×104MPa。

2.3自修复混凝土胶粘剂的选用

为了保证在裂缝初开裂时，内置玻璃纤维的胶粘剂能够迅速流到裂缝处修复混凝土裂缝，要求修复胶粘剂可实现的填充缝隙要尽可能小，所以要求胶粘剂的粘度较小，具有较好的流动性；固化条件简单，有较高的粘接强度，化学性质稳定等。考虑这几方面的要求，本文选用－氰基丙烯酸酯胶粘剂、氯丁橡胶胶粘剂以及聚氨酯胶粘剂作为自修复混凝土用的修复胶粘剂。

自修复混凝土构件制作时，为了防止注入玻璃管的胶粘剂出现溢漏现象和管内的胶水固化，不让多余的空气进入玻璃管中，必须做好玻璃管端口的密封措施。

2.4自修复自密实混凝土简支梁的制作

自修复自密实混凝土简支梁的浇注方法不同于普通自密实混凝土构件的制作，因为它内置了空心玻璃管作为自修复的管道，在修复空心玻璃管内分别注入-氰基丙烯酸酯胶粘剂、氯丁橡胶胶粘剂和聚氨酯胶粘剂，因此也就牵涉到了修复空心玻璃管的位置如何正确定位于混凝土简支梁中的技术问题。试件采用木模成型，平放浇筑，室外养护。

自修复自密实混凝土简支梁的浇注过程如下：

1）在模板制作好后，用白色笔在模板内侧两边各画三条线，作为混凝土梁中玻璃管的定位线，而和第一层玻璃管相同截面高度处的钢筋则搁置在与保护层厚度相同的垫块上。

2）将拌好的自密实混凝土铲入简支梁模板中，由于自密实混凝土可以在无扰动下实现自流平，因此当自密实混凝土在模板中的高度到达白线记号时，将注好胶粘剂的玻璃管放入混凝土中，接着再铲入混凝土，用同样的方法令第二、三层玻璃管在混凝土简支梁截面中的高度与第二条、第三条白线对齐，这样就可保证各层玻璃管在梁截面中定位的准确。自密实混凝土填满整个梁模板后，再小心抬至平整的场地，避免扰动。

2.5测试内容和加载制度

根据试验目的，本次试验主要测试内容包括：①简支梁试件在修复前的开裂荷载；②简支梁试件在修复后的开裂荷载；③简支梁试件在修复前的破坏荷载；④简支梁试件在修复后的破坏荷载；⑤裂缝的分布情况；⑥第一条裂缝出现时候的荷载大小；⑦最大裂缝的宽度；⑧构件的破坏位置。

试验采用两点对称的三分点加载的方式，空心玻璃长管的数量、分布和钢筋的配置。

由于油压千斤顶在加载结束以后还有一个惯性力，在荷载较小时，这个惯性力相对于小荷载是很大的，这样就会造成荷载无法控制而超载的现象。因此本次试验的加载设备采用机械千斤顶，由人工使用杠杆来施压，便于控制力加载的速度和大小。

整个过程由人工对机械千斤顶加载，用连接于静态电阻应变仪的应变值推算压力。在裂缝开裂以前，每级加载值不宜大于屈服荷载的20％。裂缝开裂以后，每级荷载不宜大于屈服荷载值的10％。在接近预估开裂荷载时，为使实际开裂荷载较为准确，应减小加载幅度，裂缝出现后恢复至原来一级的荷载值加载。在试件裂缝出现后，每一级加载后都停留15～20min左右，以便裂缝发展稳定下来，然后用水笔在梁上画出裂缝的分布，并用读数显微镜观测裂缝的宽度。

当加载到接近开裂荷载时，在加载后待挠度发展的时间间隙，可以陆续听到简支梁试件侧面和底面所发出的脆响，这些声音一部分是混凝土的开裂，一部分是内部玻璃管的脆断，混凝土的开裂声较为清脆，而玻璃管由于埋置于混凝土中，其破裂的声音较沉闷。

当所加荷载接近破坏荷载时，随着主裂缝的延伸和加宽，将会有胶粘剂从裂缝处流出，填充和修复裂缝，持荷一定时间后，把简支梁试件从架上撤下来，等待对构件进行修复后的再次加载。

当整批构件第一次加载的试验全部完成后，放置5～6d，令-氰基丙烯酸酯胶粘剂、氯丁橡胶胶粘剂和聚氨酯胶粘剂完全固化，达到最大强度，再对构件进行第二次加载。在第二次加载过程中，必须注意第一次加载有胶粘剂流出的裂缝是否再次开裂；第一次加载的没有胶粘剂流出的裂缝是否在第二次加载时流出胶粘剂；第二次加载时是否出现新的裂缝及是否有胶粘剂流出。

2.6试验结果及分析

内置-氰基丙烯酸酯胶粘剂简支梁构件修复前后的承载力见表1。

表1内置-氰基丙烯酸酯胶粘剂简支梁修复前后的承载力

parisonsofthestrengthofbeamswithα-cyanoacrylateadhesivebeforeandafterrepairing

玻璃管几何参数

试件编号

管道数

第一次加载最大荷载(kN)

修复后最大荷载(kN)

承载力恢复率(%)

承载力恢复率平均值(%)

几何参数

胶粘剂

壁厚0.6mm

管径

8mm

-氰基丙烯酸酯

502-2-1

2

435

429

98.62

99.01

502-2-2

435

433

99.54

502-2-3

430

425

98.84

502-5-1

5

425

421

99.06

99.15

502-5-2

435

433

99.54

502-5-3

425

420

98.82

502-7-1

7

415

379

91.33

91.55

502-7-2

425

381

89.65

502-7-3

425

398

93.65

无玻璃管

NB-1

450

NB-2

425

NB-3

475

注：表中最大荷载指的是荷载加不上去，开始往回退时压力传感器的压力值。

从表1中的数值可以看出，使用较少管道数时，简支梁试件的承载力恢复得较多，这是因为对于-氰基丙烯酸酯胶粘剂，要达到比较好的粘接质量，其胶层应均匀，而且其胶层也不应太厚，胶粘剂太多其粘接效果反而不好。如内置玻璃纤维七管道对梁受拉区截面还是有一定削弱的，而且其出胶量太多反而会影响胶粘剂的修复效果，反而不如双管道或者五管道的。

第一次加载中，-氰基丙烯酸酯胶粘剂流出试件底面，可以看出，在简支梁试件底面有裂缝出现的地方，都有胶粘剂渗出。5d后，进行第二次的加载试验，使用-氰基丙烯酸酯胶粘剂作为修复胶粘剂的构件都没有出现新的裂缝，而且原有的已经修复的裂缝基本上都在第二次加载时再次开裂。

氯丁橡胶胶粘剂简支梁构件修复前后的承载力见表2。从表中的数值可以看出，采用氯丁橡胶胶粘剂，其修复后的承载力都有不同程度的上升。在试验的过程中，当主裂缝流出胶粘剂后，立即停止加载，并持荷20min，也不见其它裂缝有胶流出，可见经过稀释的氯丁橡胶的流出对裂缝的宽度还是有严格要求的，只有当裂缝发展到一定的宽度时，胶粘剂才会流出。

在第二次的加载中，部分构件在底面有新的裂缝出现，新裂缝的出现是一个可喜的现象，说明了底部裂缝得到了有效的修复，九根试件中,五管道的构件其原有主裂缝都得到修复,其他裂缝有新的胶粘剂流出，说明内置五管道的构件其修复能力较好。

表2内置氯丁橡胶胶粘剂简支梁修复前后的承载力

Table2Comparisonsofthestrengthofbeamswithneopreneadhesivebeforeandafterrepairing

玻璃管几何参数

试件编号

管道数

第一次加载最大荷载(kN)

修复后最荷载(kN)

承载力恢复率(%)

承载力恢复率平均值(%)

几何参数

胶粘剂

壁厚0.6mm

管径

8mm

氯丁

橡胶

LD2-1

2

400

447.5

111.88

104.81

LD2-2

425

450

105.88

LD2-3

450

435

96.67

LD5-1

5

400

437

109.25

108.07

LD5-2

435

449

103.22

LD5-3

400

447

111.75

LD7-1

7

400

415

103.75

99.16

LD7-2

425

423

99.53

LD7-3

430

405

94.19

无玻璃管

NB-1

450

NB-2

425

NB-3

475

注：表中最大荷载指的是荷载加不上去，开始往回退时压力传感器的压力值。

聚氨酯胶粘剂简支梁构件修复前后的承载力见表3，从表中的数值可以看出，采用聚氨酯粘剂作为自修复混凝土构件的胶结材料，其修复后的承载力随着修复管道的增多而增大，配制七根管道的时候，修复后的承载力恢复率最高，达106.42％，这说明使用聚氨酯胶粘剂作为修复胶粘剂时，要使构件得到较好的修复，必须保证其胶粘剂量的足够。

智能混凝土范文篇7

【关键词】土木工程；智能材料；结构系统

在土木工程中，智能材料可以分为两类，一类是对内部或者外部的刺激感应具有感知性能的材料,称为感知材料。另一类是能够对外部条件或在内部发生变化时做出反应的材料,称为驱动材料。而在土木工程中，系统集合、驱动器、传感器和控制器是四个主要技术材料系统。考虑到土木工程的特殊性，智能材料结构系统在土木工程中主要在具有自诊断和自适应功能的机敏混凝土结构和具有感觉和自我调节功能的减震结构。通过这两种结构的运用，智能材料结构系统能够实现在土木工程中的良好运用。

1具有自诊断和自适应功能的机敏混凝土结构

1.1自诊断功能。在土木工程中，混凝土结构支撑起了其自身发展的桥梁。在现代智能材料结构系统的作用下，通常在混凝土中混入光导纤维材料，如此一来，混凝土材料在实际的作用中，能够结合光导纤维的作用，实现办公通讯中的智能化。且在土木工程的建设中，由于光导纤维与混凝土结构的结合，大大节省了建筑空间，使得人们在办公的同时实现数据资源的共享。同时，还可以通过光导纤维连接空调以及火警传感器，通过在混凝土结构中加入光导纤维控制器，同时引入碳纤维，碳纤维会通过压力的叠加诱导电阻产生变化，从而实现光导纤维控制器的触发，使得火警以及空调装置能够平稳运行。这就反映出了机敏混凝土结构的自诊断性。通过碳纤维感知压力的变化，进而控制电阻产生相应变化，从而促进相关装置的触发，有效地保证了人类工作的正常进行。1.2自适应功能。在土木工程的混凝土工作的过程中，往往会因为压力过大而产生断裂，为了解决这一问题，可以利用智能材料结构系统，在混凝土中注入缩聚高分子溶液的玻璃空心纤维，如此一来，在混凝土承受巨大压力断裂时，这些玻璃空心纤维可以实现自主性断裂，从而使得高分子溶液融入到混凝土的裂缝中来，有效地保证了混凝土材料的坚韧性。通过这一玻璃空心纤维的作用，可以有效地延长混凝土结构的使用寿命，体现出了机敏混凝土结构的自适应功能。利用机敏混凝土材料的自适应功能，可以实现土木工程中重大项目的合理运用。例如，在进行桥梁建设时，可以利用机敏混凝土材料的自适应功能，提升桥梁的稳定性，从而有效地延长桥梁的使用寿命，有利于土木工程项目的整体性建设。

2具有感觉和自我调节功能的减震结构

2.1感觉功能。在土木工程的建设中，减震结构是决定土木工程建设项目实施效果的关键，因此，在智能材料结构系统中，通过对减震结构进行合理性的设计和规划，能够保证土木工程建设的稳定性，从而促进土木工程项目的合理性展开。在减震结构中，最具有代表性的便是形状记忆合金。形状记忆合金作为一种优异的材料，其可以通过温度的变化改变自身的形状，并且在温度回复的过程中，形状记忆合金的形状也会回到初始位置，这一过程称作热弹性马氏体相变。通过热弹性马氏体相变的过程，形状记忆合金保证了其自身的形状记忆功能，并且具有超强的弹性恢复能力。利用形状记忆合金这一超强的弹性恢复能力，其通常被应用于诸多结构的裂缝自诊断系统。形状记忆合金在恢复形状的过程中会产生相当大的拉力，从而促使材料进行自身修复。如此一来，通过形状记忆合金的弹性恢复功能，土木工程建设中实现了对相关材料的保护。这也体现除了土木工程中智能材料结构系统的感觉功能。即通过感知形状的变化，从而进行自主性修复，保证了材料作用的稳定性。2.2自我调节功能。在土木工程的项目建设中，通常运用到减震结构的自我调节功能，通过这一功能，可以有效地实现减震结构自身的优良性能，有利于减震结构的整体性发展。例如，可以作用压电材料制作传感器以及驱动元件，通过材料中正负电荷的变化，可以实现材料自身的自我调节。而传感器通过把压力以及电阻相结合，通过感知压力的变化来控制电阻，从而实现元件的正常工作。如此一来，通过材料的自我调节，有效地实现了智能材料结构系统在土木工程中的优良性能，同时通过这些不同材料的相互作用，可以实现土木工程建设项目的稳定性以及完整性。通过这些智能材料结构系统优异的性能保证，可以结合出不同用途的材料，在投入生产的过程中，通过这些材料的不同属性，可以实现土木工程项目的合理性开展。

3结束语

土木工程建设是一个极其需要创新的过程，通过智能材料结构系统的运用，土木工程能够利用现有的材料，使得他们换发出更多的生机和活力。通过具有自诊断和自适应功能的机敏混凝土结构，可以实现相关材料的稳定性，同时通过混凝土结构的自诊断功能，可以实现对火警报警系统以及空调设备等的使用。而通过自适应功能，可以结合混凝土结构中的玻璃空心材料，在混凝土结构发生断裂时，玻璃空心材料可以自动注入，有效地延长了混凝土结构的使用寿命。通过具有感觉和自我调节功能的减震结构，可以实现形状记忆合金的感觉功能与相关结构的结合，从而提升项目整体建设的稳定性。同时通过压电材料的自我调节功能，可以实现减震结构的合理性运用。如此一来，通过混凝土结构以及减震结构的运用，智能材料结构系统可以实现在土木工程中的合理性运用，同时智能材料结构系统也保证了土木工程建设的稳定性，通过这些不同用途材料的相互结合，可以实现不同功能的汇总，从而保证结构作用的全面性。

参考文献

[1]孟代江.智能材料结构系统在工程设备中的应用[J].中国设备工程,2017(1):140-141.

智能混凝土范文篇8

关键词：自修复混凝土

1自修复混凝土的基本特征

自修复是生物的重要特征之一[4]。自修复的核心是物质补给和能量补给，其过程由生长活性因子来完成[5]。自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生，恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。

据此，学者们设想具有自修复行为的智能材料模型为，在材料的基体中布有许多细小纤维的管道。管中装有可流动的物质——修复剂。在外界环境作用下，一旦材料基体开裂，则纤维随即裂开，其内装的修复剂流淌到开裂处，由化学作用自动实现粘合，从而抑制开裂修复材料。这可以提高开裂部分的强度，增强延性弯曲的能力，从而提高整个结构的性能[6]。若采用低模量的胶粘剂修复混凝土，则可以改善建筑结构的阻尼特性，以减轻地震的大风对建筑物的破坏；如果胶粘剂弹性模量较大，则可以恢复结构的刚度和强度；不同凝固时间的胶粘剂可以用于对结构的弯曲进行控制。

自修复混凝土，从严格意义上来说，应该是一种机敏混凝土。机敏混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土,是智能混凝土的初级阶段,是混凝土材料发展的高级阶段[7]。由这种材料构建的混凝上结构出现裂纹和损伤后，如何利用自身的材料特性达到自修复、自钝化，对混凝土结构起到自防护的作用，是我们关注的主要问题。近年来,损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相继出现为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。未来，可在自修复混凝土的基础上，进一步融入信息科学的内容，如感知、识别和驱动控制等。从而达到适应环境、调节环境、材料结构和健康状况的自诊断和自修复等目的。使其具有多种完善的仿生功能，包括骨骼系统（基材）提供的承载能力，神经系统（传感网络）提供的检测和感知能力，肌肉系统（驱动元件）提供的康复能力，真正达到混凝土材料的结构——智能一体化的境界[8]

2国内外的研究状况与存在的问题

智能混凝土是材料学的一个研究分支，其起源可追溯到上世纪六十年代，当时的苏联科学家采用碳墨为导电组分制备了水泥基导电复合材料。八十年代末期，日本土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对混进变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。美国在1993年，由于有国家科学基金的资助，开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。然而，正如前面所说，智能混凝土材料是具有若干个S行为的材料[9],即具有自我诊断功能(self-diagnosis)、自我调节功能(self-tuning)、自我恢复功能(self-recovery)、自我修复功能(self-repair)等多种功能的综合,缺一不可，以目前的科技水平，制备完善的智能混凝土材料是相当困难的，也是不现实的。

2.1国外的研究现状

近年来，国内外虽然先后开展了智能仿生混凝土的研究，并取得了一些有价值的成果。如相继出现的水泥基导电复合材料、水泥基磁性复合材料、具有屏蔽磁场和电磁波的水泥基复合材料、损伤自诊断水泥基复合材料、自动调节环境温度、湿度的水泥基复合材料等。但是如何对混凝土结构的裂纹和损伤进行及时、有效、快速的修复和愈合，还未形成比较完善的理论和成熟的工艺技术，目前只有美国、日本等少数国家处于实验室探索阶段，尚未取得实质性的进展。

研究混凝土裂纹的自防护最早可以追溯到1925年[10]，Abram发现混凝上试件在抗拉强度测试开裂后，将其放在户外8年，裂纹竟然愈合了，而且强度比先前提高了两倍。后来挪威学者StefanJacobsen的研究也表明，混凝土在冻融循环损伤后，将其放置在水中2～3个月，混凝土的抗压强度有了4～5％的恢复。在混凝土裂纹自防护问题上，国内外的研究者提出了各种方法。研究者受生物界的启示，模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理，采用粘接材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后具有自行修复和再生功能。在混凝土传统组分中复合特殊组分或者在混凝土内部形成智能型仿生自愈合网络系统，当混凝土材料出现裂纹时，部分胶粘剂流出并深入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合。

美国加州大学伯克利分校的日本学者J.-S.Ryu和东京理工大学的NobuakiOtsuki教授应用电化学技术对钢筋混凝土裂缝实施愈合作了一些研究[11]，并取得了一定实验性成果。首先，他们在100×100×200mm混凝土试件上预制裂纹，可以是表面裂纹也可以是穿透裂纹，然后将带有预制裂纹的试件浸泡在0.1mol/L的MgC12或Mg(NO3)2溶液中，施加电流密度为0.5～1.0A/m2的直流电源。由于裂纹尖端附近存在更高的电流密度，电沉积先在裂纹尖端形成，裂纹尖端的曲率半径逐渐增大，最后可以达到完全钝化；然后，在混凝土表面覆盖约0.5~2mm的电沉积物。在通电的前两个星期内，裂纹闭合速度最快，4～8个星期后，裂缝几乎完全闭合，而且渗透率降低了。还有学者在混凝土中掺入特殊的活性无机料和有机化合物，依靠自身的进一步水化反应和有机物在碱性条件下缓慢硬化的特性，使混凝土裂纹达到自修复、自钝化的目的。

九十年代初期，日本东北大学学者三桥博三[12]教授将内含胶粘剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，分别用水玻璃、稀释水玻璃和环氧树脂作为修复剂，将其注入空心胶囊或空心玻璃纤维中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心纤维破裂，胶粘剂流出深入裂缝，胶粘剂可使混凝土裂缝重新愈合。他们的试验方法是：通过制作龄期为7天和28天的混凝土试件，来测试经不同修复剂修复开裂后，混凝土试件的强度恢复率。

日本学者沼尾达弥[13]还研究了自修复混凝土中的不同的纤维掺量、尺寸和不同的水灰比等因素对混凝土自修复产生的影响，直径为3mm～5mm，掺量3％～5％的玻璃纤维对混凝土抗压强度的影响差别不大。但是过多的掺入玻璃纤维，将会导致混凝土强度的下降。不同水灰比对修复混凝土抗压强度也有较大的影响，水灰比越大，混凝土的抗压强度越低。

1994年，美国Illinois大学的CarolynDry教授将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。当混凝土结构在使用过程中出现损伤和裂纹时，管内或短管内装的修复剂流出渗入裂缝，由于化学作用使修复胶粘剂固结，从而抑制开裂，修复裂缝。修复后的混凝土试件经过三点弯曲实验发现，其强度比先前还有了较大提高，并且材料的延性也得到了较大的改善[3,6]。

1995年，美国国家科学基金会和Illinois大学合作，提出了用充满修复胶粘剂的具有传感功能的装置来感知混凝土构件的开裂，并使其愈合的可能性，实现混凝土的自诊断、自修复[14]。

1996年，美国Illinois大学的ATRE实验室在混凝土桥面内预装有低模量的内含修复胶粘剂的修复管，混凝土产生横向收缩时，横向收缩应变使管破裂，修复胶粘剂从管中留出，填充愈合桥面的裂缝[15]。实验证明，这种方法用来修复桥面横向收缩引起的裂缝是可行的。由于修复胶粘剂弹性模量低，裂缝愈合区比未开裂前有更大的承受变形的能力。

在此基础上,CarolynDry教授还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料[16]。其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料并在其中加入多孔的编织纤维网，在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂，与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。由此，在纤维网的表面形成大量有机及无机物质，它们互相穿插粘接，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机有机相结合的复合材料，其性能具有优异的强度及延性。而且，在材料使用过程中，如果发生裂纹或损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合裂纹或损伤。日本学者H．Hilalshi[17]和英国学者S．M．Bleay[18]分别在1998、2001年采用类似的方法研究了混凝上裂纹的自防护问题。

2.2国内的研究现状

目前，国内对智能材料结构的研究一般都集中在对它的自诊断、自适应功能的研究上，对于自修复的研究尚处于起步阶段。

南京航空航天大学的智能材料与结构航空科技重点实验室，在我国的智能复合材料研究领域处于领先地位。在1997年，他们研究了利用形状记忆合金（SMA丝）和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复的方法。对总体方案进行了分析,采用E44和E51的环氧树脂，做了初步的试验：在混凝土中埋入形状记忆合金和液芯光纤，光纤的出射光由光敏管接受，当损伤发生时,由液芯光纤组成的自诊断、自修复网络使胶液流入损伤处，同时局部激励损伤处的SMA短纤维,产生局部压应力,使损伤处的液芯光纤断裂，胶液流出,对损伤处进行自修复[19],而且当液芯光纤内所含的胶粘剂流到损伤处后，SMA激励时所产生得热量，将大大提高固化的质量，使得自修复完成得更好。

2001年，南京航空航天大学的杨红[20]提出了利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复。该文首创了用于智能结构的空心光纤研究方法，并对其进行了应用基础研究。此外，还设计了埋入空心光纤的复合材料诊断与修复系统用于检测复合材料损伤程度与位置以及对损伤处进行自修复等。在复合材料中，还埋入了形状记忆合金(SMA)丝以提高复合材料的强度、安全和可靠性。研究的对象是纸蜂窝和树脂基两种复合材料，利用空心光纤注胶的方法进行了复合材料自修复的研究。实验表明，修复后的纸蜂窝复合材料完全达到正常材料的使用性能，树脂基复合材料在完全破坏的情况下，经修复后，材料的拉伸和压缩性能得到很大的恢复。

同济大学混凝土材料研究国家重点实验室等研究的仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分即所谓的第六组分，如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维等，使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统。当混凝土材料内部出现损伤时，仿生传感器可以及时诊断预警，当内部出现微裂纹时，部分液芯纤维破裂，胶粘剂流出深入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合，恢复并提高混凝土材料的性能。该智能复合材料的研究可实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测和及时修复，以超前意识确保混凝土结构的安全性，延长混凝土构筑物的使用寿命[8]。

2.3存在的问题

从上述研究的内容来看，目前大部分研究集中在空心修复纤维如何在基体中的分布和随后的化学制品的释放，通过这些化学制品密封基体的微裂缝以及使损伤界面重新愈合，达到控制开裂的目的。

虽然国外一些专家对自修复混凝上作了一些工作，但是从自修复混凝上的发展来看，目前尚有许多问题需要解决。例如，结构耐久性、短管及短管空穴对强度的影响、多次可愈合性、胶液的时效、以及愈合的可靠性和可行性等一系列问题，另外有关修复胶粘剂的选择、封入的方法、流出量的调整、释放机理的研究、纤维或短管的选择、分布特性、其与混凝土的断裂匹配的相容性、愈合后混凝土耐久性能的改善等问题，研究尚不完全，还有大量的工作需要做。特别是对自修复混凝土在实际生产中的制备和应用上所存在的问题，解决好这些问题无疑将对自修复混凝土今后的发展产生深远的影响。

在修复过程中，以下因素对混凝土材料的修复过程及效果非常重要[20]：

(1)纤维管与基体材料的性能匹配是很重要的，如采用塑料纤维管装入修复剂嵌入，可发现基体完全裂开而纤维管并未破损的现象，无法实现自修复功能。

(2)纤维管的数量也影响材料的修复，太少不能形成完全修复，多了又可能对材料的宏观性能有影响。

(3)修复后的强度与原始强度的比值是评价修复的重要依据，它与修复剂的粘接强度有很大关系。

(4)混凝土的裂缝开裂机制。

(5)粘接质量、胶粘剂的渗透效果、管内压力也对自钝化作用产生很大的影响。

(6)胶粘剂是有机材料，耐久性能很难保证。

受这些因素的影响，目前研究的很多方法还只是一种设想，从实验室中已经展开的研究方法来看，其效果也并不理想。

3本文的研究内容和意义

3.1本文的研究内容

本文针对自修复混凝土材料主要进行了下述几个方面的工作：

1.根据自修复混凝土的工作原理，确定选取具有单组分特质的氯丁橡胶胶粘剂、聚氨酯胶粘剂以及-氰基丙烯酸脂胶粘剂作为修复胶粘剂。

2.分析了修复胶囊和修复纤维对混凝土自修复的影响因素。由于玻璃管与混凝土之间有良好的协调工作性，化学性质稳定，选择玻璃短管作为内置空心胶囊自修复混凝土的修复胶囊，长空心玻璃管作为内置纤维胶液管裂缝自修复混凝土的修复纤维。

3.用复合材料力学的理论和纤维间距理论建立了描述玻璃修复短管在混凝土中的分布和取向的函数，用以统计各个方向的修复短管数量。并根据修复空心玻璃长管微分单元的平衡状态，从钢筋混凝土裂缝计算的原理出发，研究了修复玻璃管在混凝土中的工作原理，推导出了混凝土一旦开裂，修复空心玻璃长管及时发挥作用的合理尺寸。

4.修复短管的长度、管径和掺量对混凝土的力学性能和修复效果有重要的影响，通过对掺入不同长度，不同管径，不同掺量玻璃短管的自密实混凝土标准试块进行力学性能测试，来对比不掺玻璃短管试块的力学性能，从中对其进行了详细的分析和研究，得出合宜的玻璃短管几何参数和合理的短管掺量。

5.用大型有限元软件ABAQUS建立模型，对内置于混凝土中的修复玻璃短管进行了有限元数值分析，以确定其合理壁厚。

6.分别采用了氯丁橡胶胶粘剂、聚氨酯胶粘剂以及-氰基丙烯酸脂胶粘剂作为修复胶粘剂进行了自密实混凝土简支梁三分点纯弯试验，验证了这三种胶粘剂的修复效能。

3.2本文研究的意义

自修复混凝土可以解决用传统方法难以解决和不能解决的技术关键，在重大土木基础设施的及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和耐久性都极具重要性，也对传统的建筑材料研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。

智能混凝土范文篇9

关键词：新型建筑材料；桥梁建设；应用

在我国桥梁建筑中，建筑材料费用占据了一半的比例。在某种程度上，建筑材料的质量类别会对建筑结构产生影响，同时也会对建筑物的安全性造成影响。近些年，我国桥梁建筑安全事故频发，国家要加强对建筑土木安全和耐久性的监控，这样可以提升企业的生产水平。传统的建筑材料包括灰沙石等，新型建筑材料主要有保温隔热材料，新型墙体材料、装饰装修材料和防水密封材料等。我国新型建筑材料的发展可以更好的实现可持续发展的目标。在我国桥梁建设施工中，新型建筑材料的使用，可以改善建筑物的功能，同时也能增加建筑物的使用面积，保证建筑物抵御自然灾害能力的提升。另外，在桥梁建筑施工中使用新型建筑材料也能使施工更加高效。因此对新型建筑材料在桥梁建设中应用的分析非常必要。

1应用于桥梁的新型建筑材料类别

新型建筑材料经过了长时间的发展，形成了较多的种类，广泛应用于我国桥梁建筑中，可以保证我国桥梁的建筑质量，达到节能环保和可持续发展的目标，降低事故的发生率。以下主要分析应用于桥梁的新型建筑材料类别。

（1）对新型复合材料的应用进行分析。新型复合材料有自身的优势。它是由两种或两种以上的材料组成，这两种材料的物理性质和化学性质不同，通过宏观和微观等结构不同的层次，经过复杂的空间组合，形成新型复合材料系统。新型复合材料的优点是能将各种组分材料的优点进行发挥，技术人员能够按照材料性能设计和制造材料。新型复合材料具有良好的耐疲劳性，能够进行有效的超载安装，具有良好的减振性能和成型工艺。

（2）对纤维增强聚合物的应用进行分析。按照纤维聚合物的不同，可以将纤维分为芳纶纤维，碳纤维和玻璃纤维等种类。近些年，我国出现了连续玄武岩纤维。连续玄武岩纤维的特点是具有较高的强度，较强的自重，同时具有较强的耐腐蚀和较低的能耗。因此这些材料被广泛应用于我国桥梁建筑中。在桥梁建筑工程中，应用纤维增强聚合物制成缆索材料，发展前景比较广阔。技术人员在建造桥梁过程中，可以应用芳纶纤维，玻璃纤维和碳纤维等纤维材料。碳纤维具有一定的特殊性，可以使造价降低，因此其发展潜力较大。

（3）对智能材料的应用进行分析。智能材料指的是桥梁建筑过程中的敏感材料。智能材料的功能是自诊断，自感知、自修复和自适应等。这样可以使工程结构的安全性和可靠性提高，降低事故的发生率，也就是对周围环境能够感知，并且可以根据周围环境的变化采取一些科学有效的对策。如果智能材料对压力，温度、声音和电磁波等物理量能够感知，智能材料的性质和性状会发生变化。智能材料的种类包括能对环境产生反应的液体，水泥、陶瓷和玻璃等，在桥梁工程中应用非常广泛。智能材料分别是感知材料和驱动材料。感知材料指的是能够感知内部和外界的刺激，主要是对光、热、磁、辐射和电的感知，传感材料的类型包括压电材料，光导纤维和记忆合金等。驱动材料指的是，如果内外部环境发生变化，能对其驱动和响应的材料，这些材料包括压电材料，形状记忆合金和电流变体等。

（4）对智能混凝土材料的应用进行分析。智能混凝土材料指的是在混凝土原有组分基础上对智能型组分进行混合，使这些多功能材料自我感知，自我记忆和自我适应等。这些特性可以对混凝土的内部损伤进行有效的预防，并进行自我检测，避免结构出现脆性破坏，并且按照检测结果加强修复，使混凝土结构的耐久性和安全性提高，包括自诊断混凝土，自修复智能混凝土和自调节智能混凝土。

（5）对无源智能材料的应用进行分析。无缘智能材料的特点是可以进行自我检测，并将检测结果向计算机报告。以后我国桥梁的发展是桥梁具有智能化的特点，在混凝土中会布满数据通道和光纤，可以对裂缝进行检测，同时也能对车流量引起的振动进行检测，对这种信息，桥梁能够第一时间做出反应，实现自我检测，并进行自我修复。

（6）对形状记忆合金的应用进行分析。形状记忆合金在经过拉伸和折弯之后还能恢复原状，主要在显微操纵器和机械臂中的应用比较广，因此可以在智能预应力桥梁中应用。在通电后，会发生相变。通过输出力对活载引起的挠度产生抵抗，桥梁结构会达到微挠度的目标，这样轨道交通的发展速度较快，结构可以自行适应。

（7）对超高强预应力钢绞线的应用进行分析。我国桥梁结构在不断增加宽度和跨度，结构中会用到很多预应力钢筋，设计结构和布置预应力束有一定的困难，在桥梁施工中张拉力筋很可能会造成不安全事故。普通预应力钢筋被超高强预应力钢绞线代替，可以加强对钢材的节省，使建筑桥梁的设计更加方便，施工效率更高，同时施工难度也比较小，这种改进方法是非常值得推广的，在桥梁建筑施工中，要加强对超高强预应力钢绞线的应用。

2新型建筑材料建构的桥梁类型

新型建筑材料建造的桥梁和传统桥梁有一定的区别，主要有自愈桥，探测桥、碳纤维加固桥。这些桥梁和传统桥梁相比，有一定的优势。以下具体分析新型建筑材料建构的桥梁。（1）对自愈桥进行分析。自愈桥是美国科学家研制成功的一种桥梁，这种桥梁可以对自身裂缝进行修复，建造的原材料是智能混凝土。这种智能混凝土的属性是活的有机物，可以对自身裂缝进行感知，并自行修补好裂缝。所以能将混凝土结构的使用寿命延长，避免发生灾害，这样就可以使桥梁的安全性提高。（2）对探测桥进行分析。将微量短碳纤维加入混凝土，外加应力发生变化后，电阻也会发生变化。在桥梁建设过程中加入这种混凝土，桥梁可以充当应力探测器的功能，建成后的桥梁先进性更强。（3）对炭纤维加固桥进行分析。技术人员在开展桥梁施工过程中，传统钢板可以用碳纤维代替，这样可以使钢筋混凝土桥梁的修复和加固更加方便和快捷，相对于传统桥梁是一种进步，因此在技术人员可以利用新型材料建设炭纤维加固桥。

3总结

综上所述，在我国桥梁建设过程中，新型材料的应用是一种必然，可以使桥梁建设水平提高，桥梁质量提高，并且具有绿色，环保和无污染的特点。文章首先从“新型复合材料的应用，纤维增强聚合物的应用、智能材料的应用、智能混凝土材料的应用、无源智能材料的应用、形状记忆合金的应用、超高强预应力钢绞线的应用”等方面分析应用于桥梁的新型建筑材料类别，再从“自愈桥，探测桥和炭纤维加固桥”等方面分析新型建筑材料建构的桥梁类型。希望通过本文的研究对新型建筑材料在桥梁建设中应用水平的提高有所帮助。

作者:李小菊 单位:四川公路桥梁建设集团有限公司公路三分公司

参考文献:

[1]尤平若.新型建筑材料在桥梁建设中的应用[J].山东交通科技,2011,04:58-60.

[2]尤平若.新型建筑材料在桥梁建设中的应用[J].山西建筑,2012,01:112-113.

[3]闫恒,韩美言,李世民.浅谈新型建筑材料的发展和应用[J].四川水泥,2015,02:302.

智能混凝土范文篇10

关键词：智能建筑；地基结构；设要要点；注意事项

近年来，在社会经济发展的带动下，我国建筑业也得到了较大的发展空间，同时，人们对建筑工程结构设计要求也越来越高，因此，要不断提高智能建筑工程结构设计水平，尤其是地基结构设计。在设计过程中要对建筑材料的性质和地基土的变化情况进行详细分析，合理选择智能建筑基础形式和建筑材料，杜绝安全隐患，从而保障建筑工程结构安全、稳定。为此，本文从地基结构设计的重要作用和设计要点入手，并进一步分析地基基础类型影响因素及注意事项，希望能够为相关设计人员提供参考。

1智能建筑结构设计中地基设计的重要作用

智能建筑地基结构承担整个建筑结构全部荷载，保证建筑工程的安全、稳定，此外，还能延长建筑工程的使用年限，使智能建筑充分发挥自身的经济使用性。合理的地基基础结构设计对智能建筑整体质量的提升具有重要意义，因此，要把握设计要点，科学合理进行设计。

2智能建筑地基结构设计要点分析

2.1桩基深度设计。在桩基础深度设计过程中，其持力层要选择坚硬的岩石，当桩端部插入到持力层中，要以桩基直径为标准严格控制其深度。如果持力层是风化软质岩或砂土，其插入深度要大于1.5倍桩直径；如果持力层是强风化硬质岩和碎石土，其插入深度要大于1倍桩直径，同时要插入深度要大于0.5m；如果持力层是未风化的硬质岩或灰岩时，可以根据工程的实际情况，缩小插入深度，但也要控制在0.2m以上；如果持力层是粘性土，其插入深度要大于2倍桩直径[1]。2.2桩基础设计。智能建筑工程地基结构设计中，如果为不满足承载力要求和变形要求的天然地基或人工加固地基，要采用桩基础。桩基础平面布置规则如下：①同一结构个体不能同时采用桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力承受的桩和桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，或可忽略不计的桩；②直径较大的桩应采用一个柱子一个桩的形式布置，筒体采用群桩时，在符合桩与桩之间最小距离前提下，尽量在筒体以内或不超出简体外缘一倍板厚范围之内布置；③伸缩缝或防震缝处布置可以采用将两个柱子设在一个承台上的布桩形式；④在剪力墙下布置桩，要综合考虑剪力墙两侧应力的影响，在剪力墙中性轴周围可以按照受力情况均匀布置；⑤在纵横墙交叉位置布置桩时，横墙较多的多层建筑在横墙两侧的纵墙上布桩，门洞口下面不宜布桩；⑥在布置过程中，各个桩基础顶部受力要均匀，上部结构荷载重心要和桩重心相重合。2.3后浇带设计。随着时间的推移，地基会发生不均匀沉降，因此，在设计过程中，要合理设计后浇带的宽度，通常控制在800～100mm之间，另外，后浇带要尽量设置在各层相同位置处。在后浇带设计中，混凝土等级要比原建筑结构高一等级，当基础施工完成后，应将后浇带梁板支撑好，待后浇带浇筑完成后，且混凝土强度等级达到拆模要求后，方可拆除。在建筑结构设计中，后浇带的设置能够有效解决混凝土施工期间出现因收缩造成的裂缝问题，在混凝土浇筑过程中，受温度因素的影响，结构应力集中效果较低，混凝土出现收缩现象，严重时造成裂缝。为了避免裂缝产生，在后浇带部位要断开浇筑混凝土。但是，在某些特殊情况下是不允许设置后浇带的，这时需要在结构设计时，明确后浇带断面形式，如果地下水位较高，可在基础后浇带的下方设置一层防水板。

3智能建筑结构设计中地基基础类型的影响因素及注意事项

3.1智能建筑地基基础类型的影响因素。3.1.1建筑材料性质的影响。由于建筑材料受热膨胀系数的影响较大，在智能建筑地基设计中，要将温度考虑在内。建筑中最常用的建筑材料是混凝土，同时其受环境的影响较大，混凝土这一建筑材料单位温度变化长度较大，随温度和气候的变化较为突出，温度较低的情况下，混凝土内部应力变化较大，导致混凝土表面出现裂缝；当遇到暴雨天气时，由于混凝土孔隙较多，吸水后容易出现膨胀现象。因此，在设计中，要综合考虑混凝土性能和特点，在设计中仔细计算环境、温度与气候变化对于建筑结构的影响，同时采取科学、合理的应对措施，防止混凝土裂缝和膨胀问题出现，例如根据工程情况，合理设置伸缩缝，切割大面积浇筑的混凝土，降低混凝土分布的连续性。3.1.2地基土变化的影响。在高层建筑结构设计中，要综合考虑风力对建筑物造成变形的影响，例如在四级风力作用下，部分高层建筑在100m及以上位置会感受到非常小的震动，因此，设计人员要综合考虑钢筋弹性系数，在保证建筑物形状的前提下，提高高层建筑物的稳定性。而地基承担着智能建筑物全部的荷载，作为建筑物受力的最底层，其受力情况还会受到地基土的影响，例如地基土刚性、软硬程度和分布情况。如果在基础设计中，地基为未完全风化的基岩，基础结构整体稳定性较好，建筑的上部结构也不会产生次应力。但是，大部分建筑地基土都具有一定的可塑性，且很难通过人工方式对其进行加固处理，必然影响基础弯曲所需要力的分布情况。虽然土壤的摩擦力会受到限制而保持在抗剪强度内，但是在土壤摩擦力系数会受到多种因素的影响，例如土壤内部水的密度。3.2智能建筑结构设计中地基基础设计注意事项。3.2.1建筑物地基基础结构类型设计。当建筑物为砌体结构时，要优先采用刚性条形基础，例如混凝土条形基础、灰土条形基础、毛石混凝土条形基础等，当基础宽度大于2.5m时，可以采用柔性基础；框架结构建筑，在上部荷载较大、没有地下储物空间、地基稳定性较差的情况下，需要采用十字交叉梁条形基础，以减少不均匀沉降现象发生，增强整体稳定性；而框架结构，没有地下储物空间、地基稳定性较好、上部荷载较小的情况下，可以选用独立柱基础，在抗震设防区可以按照相关规范要求设置与承台或独立柱子相连接的梁；框架钢筋混凝土墙板承重结构，在无地下储物空间、地基稳定性较好，同时荷载较为均匀时，可以采用框架柱、独立柱基础形式，在抗震设防区，要特殊对待；地基情况较好的钢筋混凝土墙板承重结构，可以采用交叉的条形基础，如果地基基础强度达不到设计强度要求，可以采用筏板基础[2]。3.2.2箱筏基础底板挑板设计。由于整个基础面积中突出位置面积所占的比重较小，因此，在建筑结构地基基础设计中，将箱筏基础底板和挑板设计成直角或斜角，同时，避免增加底板通常钢筋的长度，大大节约了建筑成本，提高了经济效益。此外，在箱筏基础底板设计时增加挑板，还可以降低基础底部的附加应力，降低沉降量，矫正沉降差和整体倾斜度。当基础结构位于天然地基和人工地基交界处时，增设的挑板就可以将人工地基上部分承载力转移到天然地基上，提高建筑结构的安全性，降低建筑工程成本，同时还能够减少安全隐患，例如，地下水位较高时，避免地下水影响地基基础稳定性。

4结束语

总之，在建筑工程结构设计中，地基基础设计对整个建筑物安全和稳定具有重要意义，同时也是影响建筑物整体质量的关键因素，因此，在地基基础结构设计中，把握设计要点，合理设计桩基埋深和后浇带设计，同时，综合考虑地基土变化情况、地基基础的材料和类型，从而保证智能建筑物整体质量。

参考文献

[1]安禹霏.分析建筑工程中的地基结构设计[J].建材与装饰，2017（15）：78~79.