土木道桥建设工程中智能材料的应用研究

许文宇

摘 要：在土木道桥建设工程施工过程中，通过对智能材料进行应用，可以有效保证工程施工质量。智能材料的应用，是我国在计算机科学、材料科学以及自动化控制技术发展过程中的一项重要突破。因此，相关施工企业需要对智能材料的应用加以重视，以此来全面提升土木道桥工程的整体建设水平。本研究针对土木道桥建设工程中智能材料的应用进行分析，介绍了智能材料的概念，并提出具体的应用对策，以便为相关工作人员提供一些参考和借鉴。

关键词：土木道桥工程;智能材料;应用对策

中图分类号：U414     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0083-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.020

Research on Application of Intelligent Materials in Civil Road and Bridge Construction

XU Wenyu

（Nanjing University of Science and Technology ZiJin College ，Nanjing 210023，China）

Abstract： During the construction of civil roads and bridges， the application of smart materials can effectively ensure the quality of the construction. The application of smart materials is an important breakthrough in the development of computer science， material science and automation control technology in China. Therefore， relevant construction companies need to pay more attention to the application of smart materials in order to comprehensively improve the overall construction level of civil road and bridge projects. This article analyzes the application of smart materials in civil road and bridge construction projects， introduces the concept of smart materials， and proposes specific application countermeasures， so asto provide some reference and reference for related staff.

Keywords： civil road and bridge engineering; smart materials; application countermeasures

0 引言

对比普通材料，智能材料对内部和外部环境具有的感知力要相对较强，可以通过对自身参数进行调整，从而与内外部环境相适应。与此同时，智能材料还可以结合内外部环境进行变化，这也是其具有的一项最基础的性能。现如今，智能材料主要为复合型材料，通过将其在土木道桥建设工程中进行应用，可以使土木工程使用性能得到有效提高，从而全面提升工程建设质量。

1 智能材料概述

1970年，美国建筑行业最先提出智能材料的想法，并在此基础上进行了大量试验研究工作，对智能材料的基本要素进行确定。现如今，随着我国城市现代化建设水平的不断提升，以及建设步伐的不断加快，土木道桥工程的建设数量也在不断增加，相关技术也得到了进一步改进和更新，许多新型材料出现，这也使工程的整体建设水平得到了有效提升。

1.1 智能材料的内涵

在我国建筑领域当中，针对智能材料定義还未得到统一。具体来说，在土木道桥工程中所采用的智能材料，通常是指可以对内外部环境进行感知，并能够准确分析与调整的相关建筑材料，其具有良好的自适性，可以有效提升工程施工质量。该类材料是在人工材料、天然材料以及高分材料后研发出的一种全新材料，可以在实际施工中进行有效应用，并能够为工程施工提供良好的物质保障[1]。

1.2 智能材料划分种类

智能材料可以具体划分为两种类型。第一类材料可以有效感知外界或者内部的刺激强度，具体包括辐射、化学、电、磁、热以及光等，因此将其称之为感知材料。对于此类材料主要包括压电材料、光导纤维、传感材料以及形状记忆合金等。第二类材料可以在外界环境条件或者内部状态出现变化时快速响应，并做出具体驱动，因此将其称之为驱动材料，具体包括压电材料、电流变体、功能凝胶、磁流变体等[2]。

1.3 智能材料的特点

针对土木道桥工程当中所采用的智能材料进行分析，其特点具体表现为反馈性、感知性、自适应性、自诊断性、信息积累性、自我修复性以及识别性等，而智能材料的优势则包括以下四个方面。首先，智能材料可以对外部环境进行自我感知，并能够感知到环境当中存在的问题以及相关参数，如负荷力、光能、热能、化学能以及应力变化。其次，智能材料具有相应的驱动效能，可以对外界环境变化有效适应。再次，在使用智能材料时，可以结合预先设计的相关功能，有效控制材料，并结合实际情况对相应的控制方式进行选择。最后，智能材料可以根据外部环境发生的变化快速调整，并可在内外部环境问题消失后，及时恢复相应的初始状态[3]。

2 土木道桥工程中智能材料的应用

2.1 压电材料

在传统土木道桥工程施工过程中，所采用的压电体通常为集成式，其可以通过传感压电元件有效反馈出道桥的振动模式和状态，并可以结合反馈结果对压电体参数进行确定，以此来有效控制结构振动，这也是目前智能结构压电类研究的一项重要技术。一些研究室仍以陶瓷压电体为相应的驱动装置，并深入探讨了压电层结构当中的主动和被动控制。近年来，随着我国科学技术的快速发展，压电材料也在不断更新，并对许多新型压电类材料进行了有效研发，这使其在土木道桥工程当中也得到了广泛应用。压电材料在土木道桥工程中，主要应用于健康监测、噪声控制、静变形能以及安全评价等工作，可以发挥出良好的应用效果[4]。

2.2 形状记忆合金

在土木道桥工程施工过程当中，相关合金材料可以自动恢复形状，即形状记忆合金。该种合金为智能材料，具有记忆恢复功能，针对此种材料的优势进行分析，当材料发生形变时，会有8%的应变恢复产生，同时其应力恢复可以达到700 MPa，因此传输与储蓄能力相对较强。在建筑工程施工中，通过应用形状记忆合金，可以自我控制和修复建筑。与此同时，在建筑驱动器方面，该类材料也具有良好的应用效果，特别在结构裂缝、振动以及形变等问题处理上具有重要意义。在加卸载负荷的试验过程当中可以得出形状记忆合金的应变和应力曲线为环状，这说明在对负荷进行加卸载时，此材料可以重新吸收掉消耗的能量。通常情况下，形状记忆合金的恢复应力可以达到400 MPa，而结合其特征还可深入分析此材料在被动耗能控制过程当中的应用，并使其研发结构具有相应的自我恢复能力。所以，可以将此类材料在土木道桥工程建设过程中进行应用，从而起到良好的抗震效果。相关施工人员通常在土木道桥工程的底部或层间，对被动耗能控制系统进行加装，这样可对建筑结构形变进行有效感应，并能充分控制建筑振动。根据相关研究可以发现，形成记忆合金结构可对建筑结构约2/3的振动耗能进行吸收，避免结构出现位移和形变的问题[5]。

2.3 压磁材料

在受到磁场影响后，磁流悬浮变液体系将会导致各种流质物体有明显的可逆变化产生。一旦磁场的临界值大于外界场强，该体系的存在可以使液体向着固体进行快速转变，并可通过显微镜进行观察，同时液体当中的分散颗粒还会沿着磁场方向逐渐得到连接。对于固體和液体间的物质，可以结合自身的可控性、可逆性以及迅速性等特点，有效控制物质特性，而此时所需要的能量相对较小。因此，相关施工企业在建设土木道桥工程时，通常会对磁流变液装置进行应用。与此同时，大跨度桥梁所采用的压磁材料可以对结构振动进行有效防控。通过相关研究可以发现，压磁材料还具有伸缩效果，可以完成机械能和电磁能间的可逆性转化，因此在精确定位、超声大功率元件以及声呐系统中得到了广泛应用。

2.4 光导纤维

光导纤维主要由外包层和内芯构成，属于纤维状光通信介质材料，此材料应用在先进的信息传输技术上，最初主要运用在通信传输系统中，并以此为信息载体的光子，其在容量、速度等方面要高于电子，所以得到了快速发展。由于光子具有高并行处理能力和高信息率，因此可以充分发挥出其在信息容量和处理速度方面的优势。光纤材料如今在信息远距离传输、传感以及监测等方面得到了有效应用，通过将光纤作为传感元件，埋入传统混凝土结构中，可以自动监测、控制、诊断、评价以及预报各项指标，而且在埋入形状记忆合金等驱动元件之后，可以对信息处理系统和控制元件进行有机结合，使混凝土结构具有相应的智能性，能够自我诊断和修复混凝土结构。在控制地震响应和诊断土木工程结构时，应用光纤材料，能够有效完成相关的检测和评定工作[6]。

2.5 碳纤维混凝土材料

混凝土在工程施工中具有十分广泛的作用，因此需要合理改善混凝土材料，以此来进一步保证混凝土施工质量。具体来说，在此领域的发展过程中，碳纤维混凝土是一项重要参数，通过在混凝土中添加一定比例的碳纤维，可以使混凝土材料具有相应的本征自感应以及驱动功能。碳纤维作为大导电性材料，具有较高的强度和弹性，可以使混凝土强度和韧性等得到改善，而且碳纤维间还会有导电网络形成，在材料当中可以起到良好的阻隔导电作用。但同时需要注意，该类混凝土材料的温度、电导率和应力也会出现变化，进而表现出明显的规律性响应。除此之外，碳纤维混凝土在温度上会有相应的温度变化产生，进而使得电阻发生改变，材料内部温差还会有热电效应衍生出来。因此，在受到电场作用后，碳纤维混凝土会有热变效应产生。

3 智能材料的工程应用分析

3.1 工程应用分析

对智能材料进行分析，具体分为驱动和感知两类材料，而结合其功能特性，则可将智能材料划分为系统集合、控制器、驱动器以及传感器等技术材料系统。

首先，对于智能材料系统，可在桥梁检测、根基检测、损坏评估以及结构安全检测当中进行应用，并能取得显著效果。而且在土木结构工程中的实践应用，可以表现出明显的优越性。在国内外智能材料系统的研究工作中，大型混凝结构安全检测是一项十分重要的内容。相关研究人员可在混凝土中放置光导纤维，且光导纤维可在力度监测以及通信等过程中，对传统导线进行有效替代，以此来促进办公室建筑的自动化运行。

其次，全新的智能传感器还可以对电力以及电动闸门等进行有效控制，同时还能对温度以及空调等进行有效控制，并检测压力。相关检测人员可将光纤传感器在土木结构工程地基中进行放置，以此来判断根基是否有破坏。检测人员还可在水泥溶浆当中放置碳纤维材料，并合理调节设备工艺与纤维剂量。因为电阻具有变硬特性，所以会随着外界压力的改变而出现变化，表现出回应力敏感现象。这样一来，在内部结构与破坏区或损坏区接近时可自动报警。

再次，碳纤维材料在混凝土结构中还具有相应的自我诊断性能，通过对此特性进行利用，可以在工程结构的伤害评估与在线检测当中进行有效运用。在土木道桥工程当中，桥梁是承载负荷的主要结构，所以需要对其负荷和强度进行充分研究，并结合检测结果来为维修工作提供指导，减少定时方面的诊断、维修以及维护等费用。在检测桥梁的承受负荷力度时，相关检测人员可在弓臂和桥面间放置多个光纤传感器，并在两边分别放置相应的光敏管与发光管。当桥梁承受力度出现变化时，光纤输出的光强也会有所改变，进而使光明管发生明显变化。相关检测人员可以通过光明管的变化信息，对桥梁承受力度的相关数据进行获取。

最后，由于受环境和材料老化等相关因素的影响，土木道桥工程的结构也会受到损坏挤压，降低了其自身对损坏的抵抗力，严重情况下甚至引发相关安全事故。因此，相关检测人员需要对智能材料进行有效运用，不仅可以降低维护和检测等费用，而且还能够帮助检测人员对结构安全使用状况进行掌握，从而使工程结构的安全性能得到有效提升。

3.2 智能材料工程应用的局限性

虽然通过具体的实践研究表明，智能材料具有良好的耐久性和强度，并能够对操作命令进行智能化执行，对外部环境变化也具有较好的适应能力，但由于其本质为高智能复合型材料，因此应用成本相对较高，具有较大的经济负担。对此，从经济角度进行分析，此种材料主要应用在高档次、高标准、资金投入较大的建筑工程中，并未普及到普通居民建筑。因此，相关施工企业需要对自身的施工工艺加以完善，并对智能材料加大研究力度，使其能够得到进一步的推广和应用。

4 智能材料的未来发展

4.1 智能材料性能的发展

智能材料具有独特且优越的性能，其发展前景十分广阔，但由于此领域为多学科交叉的研究内容，因此也存在一些问题需要解决。

首先，在发现形状记忆合金后，可以使许多传统理念得到改变，而且由于其具有相应的智能功能，因此采用传统力学研究方法无法对其内在机理加以解释，需要相关研究人员另辟蹊径，从宏观和微观角度对这种新材料原理进行充分探究。由于目前形状记忆合金的应用还不够完善，不仅耗能相对较高，而且功能也比较单一，进而降低了其实用途。因此，在未来需要对低能耗、多功能以及實用的控制器进行有效研究和开发。

其次，在工程结构力学测量过程中，压电材料将成为首选感测元件，但同时也存在驱动力小的问题。虽然相关研究人员已采用一些技术对这一缺陷进行弥补，但在大规模土木工程结构的测量工作当中，该材料还无法得到直接使用。在压电材料未来发展过程中，理论分析复杂、集成技术研发难度大、压电驱动器开发和设计难度大等都是相关研究人员需要突破的内容。

最后，长期放置压磁材料后，会有固体颗粒沉降现象发生，这需要相关研究人员深入分析这种沉降对材料稳定性带来的影响。与此同时，压磁材料的温度适应范围相对较小，需要对其温度作用范围进行合理拓展，从而进一步促进压磁材料的快速发展。

4.2 智能材料研究难题

对智能材料在未来发展过程中可能遇到的问题进行分析，具体包括：土木道桥工程健康监测和保养，形状应与材料和结构自适应，结构减震、抗风、抗震以及降噪等的自适应控制等。通过充分研究这些问题，可以有效提升工程质量，并使相关灾害性事故的发生概率得到降低，全面提升工程施工的安全性和可靠性，促进我国土木工程领域的快速发展。

5 结语

综上所述，通过在土木道桥工程施工中应用智能材料，可以使传统土木工程建设格局得到有效改变。现如今，随着我国经济的快速发展，人们对于建筑工程也提出了更高的标准和要求。对此，相关施工企业需要在工程施工期间对智能材料进行合理运用，使其能够对外部环境变化有效适应，合理调整土木工程结构，确保满足新时代背景下对工程质量提出的相关要求。但结合我国目前智能材料的应用技术来看，相关技术还不够完善，需要进一步加大研究力度，使智能材料能够在土木道桥工程当中得到有效运用，发挥出智能材料应有的重要作用，从而全面提升土木道桥工程建设水平，推动我国工程行业的健康发展。

参考文献：

[1]张竣淇.土木道桥建设工程中智能材料的应用分析[J].科学与财富，2020（25）：298.

[2]陈冰川.土木道桥建设工程中智能材料的应用策略分析[J].新材料新装饰，2019（4）：14.

[3]张竣淇.土木道桥建设工程中智能材料的作用分析[J].科学与财富，2021（23）：182-183.

[4]郭锐.土木工程道桥施工技术的相关管理措施[J].四川建材，2021（6）：207-208.

[5]王宝财.土木工程道桥施工技术的管理措施分析[J].砖瓦世界，2021（8）：212.