智能混凝土相关技术发展研究

张伟刚

摘 要：随着现代材料的不断进步，混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。停留在被动和计划模式的混凝土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--功能（智能）一体化的发展趋势。本文主要介绍了智能混凝土的产生、发展和现状，展望了智能混凝土的发展趋势和前景，并对该类型建筑在研究中应当注意的问题进行了较为系统的阐述。

关键词：智能；混凝土；研究；发展

0.引言

混凝土作为主要的建筑材料经过了一个漫长的发展过程，它的发展凝聚着时代的最新科技成果，顺应着人类的物质和精神需求。现在混凝土智能化的研究和开发成了人们关注的热点。本文简述智能混凝土的发展历程，并对智能混凝土的现状和发展趋势进行研究，在此基础上展望智能混凝土的应用前景。

1.智能混凝土的定义和发展历史

通常情况下，我们把"能感知环境条件，做出相应行动"的材料称为智能材料。与普通材料不同的是虽然它不具有现实意义上的的生命形式，但是它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。换句话来说它能模仿生命系统，具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能，它保留了混凝土原有组分同时复合了智能型组分。

智能混凝土优点很多，诸如：有效地预报混凝土材料内部的损伤；自我检测结构的安全性，防止混凝土结构潜在脆性破坏；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，智能混凝土集自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能于一身，缺一不可。但是以当前科技发展水平，设计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

普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但如果在混凝土基材中加入了其它材料，就使混凝土本身具备了本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中碳类、金属类和光纤比较常用。现在社会上主要有2种研究比较热门的损伤自诊断混凝土：碳纤维智能混凝土、光纤传感智能混凝土。损伤自诊断混凝土的自感应功能包括压敏性和温敏性等。

1.2自调节智能混凝土

混凝土常常承受的偶然荷载包括：台风、地震等。人们往往希望混凝土在承受这些荷载时，能够调整承载能力和减缓结构振动。但是混凝土本身是惰性材料，无法实现这一功能。自调节智能混凝土应运而生，它同时具有电力效应和电热效应等性能。所谓的自调节智能混凝土是在它内部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。这种材料具有形状记忆效应，举例来说，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。因此当在混凝土中埋入形状记忆合金时，可以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。

1.3自修复智能混凝土

当混凝土承受荷载时，就回变形甚至出现裂缝。带缝工作的混凝土，强度会降低。如果空气中的CO2、酸雨和氯化物等通过裂缝侵人混凝土内部，将会使混凝土发生碳化，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，同时要想检查和维修混凝土的裂缝是很困难的。像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，断骨就会自动愈合一样，自愈合混凝土就模仿了这一生物组织。当遭受创伤时，可以自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能。能够在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经系统的组分是混凝土组分中的具有复合特性的材料，它促使混凝土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。

日本的东北大学三桥博三教授为首的日本学者的研究成果中，把内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，如果在外力作用下，混凝土发生了开裂，粘结液流出并深人裂缝。具有刚强度粘结力的粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。

2智能混凝土研究现状和应注意的问题

不管是自诊断、自调节复混凝土还是自修复混凝土，都处在智能混凝土的初级阶段，还远远没有达到智能混凝土的全部要求。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，可以称之为机敏混凝土。它们的功能单一，并不囊括智能混凝土的各种功能。随着对建筑材料的不断认识，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。这种混凝土将集合自感应、自凋节和自修复组件材料等，并把原始混凝土作为基材，各材料之间依据结构需要排列，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。

从长远来看，智能混凝土发展前景良好，但是依旧有很长的路要走。很多细节上的问题亟待解决。例如：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；封入的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。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）有针对性的开发。在设计中，考虑的范围越大，目标越多，开发出能应对所有这些情况的手段是很困难的。因此要缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法。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。

（2）具有可操作性。设计当与当前施工技术水平相一致，否则在施工中没有办法达到要求。一般来说，选用的材料应具有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。另外，施工方法对其技术与工艺要求不能过高。

3.结语

智能混凝土是仿生学的产物，模仿生物的感知能力，可以实时地自我检测，评估损伤，及时修复。进入二十一世纪以来，台风、地震等灾难频频发生，这就加剧了人们对智能建筑的需求。它的的发展势头良好，但依旧需要人们不断的探索，不断的完善智能混凝土的功能，确保建筑物的安全和长期的耐久性。

参考文献

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