简析智能材料在土木工程中的应用

彭红建

摘 要：文章通过对光钎、压电材料、压磁材料和形状记忆合金在土木工程结构中的应用，来分析智能材料应用于土木工程结构的优缺点，并指出未来该领域研究的发展方向。

关键词：智能材料；土木工程；光导纤维；压电材料

引言

世界范围内，第一次智能材料的研发成功始于上世纪七十年代的美国，到八十年代，复合智能材料的应用风靡全球，美国首先提出了智能材料结构的概念。智能材料的智能主要体现在，其具备感知内外部环境变化的能力，并通过分析判断来调正自身以适度符合环境。目前，随着光钎、压磁、压电和形状记忆合金等材料的发展，智能材料已经被广泛应用于土木工程的各个领域。最基本的智能材料一般被称为感知材料，其可以感知内外部刺激的材料。通过感知内外部条件变化，并做出适应环境调整的材料被称作驱动材料[1]。现在的智能材料，一般需要多种材料复合组装来实现环境变化情况下材料结构的诊断、修复、调整[2]。

1 智能材料在土木工程中的应用

1.1 光导纤维在混泥土材料的监控

光导纤维材料，是一种光通信介质，其最大优点是传输速度快、信号衰减低和并行处理能力较强，经常被用于高要求的通信传输中。光导纤维和光纤传感器在土木工程中，主要用于对混泥土固化的监控。混泥土结构最大的缺点是抗拉强度弱、内部钢筋容易被腐蚀等，在大面积浇筑过程中由于混泥土结构内部和外部温度差异而导致混泥土块体出现裂缝。这种情况下，将光纤作为传感元件埋入混泥土结构中，对结构的强度、温度、变形、裂缝、振动等可能引起混泥土结构损伤的危险因素进行检测、诊断、预报。更进一步，如果控制元件能接入信息处理系统，并引入形状记忆类金属等智能材料，形成完整的控制系统，将能实现混泥土材料的自适应功能——这正是目前智能材料结构系统在土木工程中应用的前沿课题。

1.2 压电材料

压电材料一般是指在收到压力后，材料两端会出现电压的晶体材料。压电材料在土木工程中的应用主要包括对于结构的静变形控制、噪声控制和抗震抗风等领域。传统的压电材料使用方法是通过压电传感元件对结构的震动进行感知，利用传感器输出结果，从而实现对于震动的感知和预警。在此基础上，采取合适的控制算法对压电体的输入进行控制和定量，从而实现对于结构震动的控制，这是目前压电类智能材料的研究前沿。随着研究的深入和技术的进步，压电类的智能结构土木工程中的应该越来越广泛。

1.3 压磁材料

压磁材料在土木工程中的应用主要包括磁流变材料和磁致伸缩材料。基于磁流变材料的原理，当磁场的强度高于临界强度时，磁流变在极短时间内从液态向固态转化。在介于固液体之间可根据磁流变液特点具有的快速、可控及可逆性质，控制流体特性实施时需要较低的能量，因此在智能结构中通常将磁流变液作为动器件的主要材料。基于这点，磁流变材料可用于高层建筑的结构中，实现对地震的半主动控制。因为潜在应用前景的广阔，使得磁致伸缩材料近年来得到很大关注。磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩效应，这种材料可以在电磁和机械之间进行可逆转换，这种特性使其可以用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等很多领域。

1.4 形状记忆合金

形狀记忆合金是一种具有形状记忆效应的智能材料。形状记忆合金的形状被改变后，在一定条件下能激发其形状记忆效应，这一过程中，材料产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变，同时具有较强的能量传输储存能力。基于这一特性，形状记忆合金在土木工程中最大的用处是用于各种结构中来实现结构的自我诊断、增加材料的韧性和强度等、增强材料的适应控制。形状记忆合金还可以被研制成智能驱动器，用于对结构变形、裂缝和振动方面的控制。形状记忆合金具有较高相变回复力，结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统，该系统可实现相变伪弹性性能，可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制。目前的土木工程实践中，通常在结构层间或底部等受地震作用较大的位置安置形状记忆合金被动耗能控制系统，用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知，进而起到消耗地震能量的作用。

2 智能材料的优点局限性

土木工程中应用的智能材料具有反馈信息、自我诊断、自我修复、自适应能能力，实践也表明，智能材料在实际土木工程中的应用使得工程结构具有高强度和耐久性等特点，同时能智能化地执行指令，能较好的适应外部环境的变化。但上述的光纤、形状记忆合金、压电和压磁等材料，本质上属于高智能复合材料，其最大的局限性在于使用成本很高，造价太贵。这一缺点，使得目前对于智能材料的应用智能局限于档次较高、标准较高的建筑工程，智能材料在普通民居建筑中的应用还遥遥无期。另外，智能材料的应用需要相应的技术和配套材料设备的配合支撑，在施工中对于施工技术和工艺的要求较高。因此，但就目前看，对智能材料的应用还不可能实现全方位的广泛普及，但是，智能材料可能是未来土木工程材料的研究和发展方向。

3 结束语

综上所述，智能材料在土木工程中的应用弥补了传统建筑结构适应环境能力弱的缺点，将建筑结构需要人为检测转向建筑结构带自我检测、调整和适应功能。目前智能材料的应用还局限在少部分高要求和高标准的建筑项目，科学界对于智能材料以及相关技术和配套设备的研究，是未来智能材料能广泛应用与土木工程结构的前提和基础。

参考文献

[1]周剑霞，刘冬梅.智能材料在土木工程中的应用浅析[J].科技与企业，2014（7）：216.

[2]涂远.智能材料在土木工程中的应用[J].福建建筑，2014（2）：26-28.

[3]邹北骥.大数据分析及其在医疗领域中的应用[J].计算机教育，2014（7）：24-29.