曾有人幻想，如果鋼筋混凝橋梁在剛剛出現(xiàn)裂紋還沒有斷裂之前，自己能大呼“哎呦!救命呀!”向人們報警，提醒管理人員趕緊搶救，也許就有可能避免一次惡性事故；或者，橋梁更“主動”一點，出現(xiàn)裂紋后自己能立即自動修補并加固如初，那也有可能避免橋毀人亡的慘劇。也許有人會說，無生命的橋梁會自己喊“救命”，能自己修補裂紋，豈不是“天方夜譚”嗎?

其實，幻想往往是“發(fā)明之母”，美國一些橋梁專家還真的在研究能喊“救命”和自動修補裂紋的橋梁。美國伊利諾伊大學(xué)的建筑學(xué)家從上世紀(jì)90年代初開始了這項研究工作。他們的思路是：在混凝土中埋入大量空心纖維，空心纖維中事先裝有裂紋修補劑。當(dāng)混凝土開裂時，空心纖維也會開裂，并流出修補裂紋的粘結(jié)劑，防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大。這種智能材料稱為被動式智能材料。美國的另一些橋梁專家則在研究一種主動式智能材料。他們的方法是在混凝土中埋入光導(dǎo)纖維或微型電子芯片和傳感器，在橋梁出現(xiàn)問題時，能使橋梁自動加固。

埋在混凝土中的傳感器得到某部分出現(xiàn)裂紋的信號后，計算機(jī)就會發(fā)出指令，使事先埋入橋梁中的微小液滴變成固體而自動加固，或使形狀記憶合金發(fā)生相變增加橋梁強(qiáng)度。

能伸能曲的混凝土

至今為止，不管是什么混凝土都有些寧折不彎的“硬漢”品格。這種品格對于人來說是可貴的，但對于用作建筑材料的混凝土就未必是好事。比如在發(fā)生大地震時，寧折不彎的后果就是房倒屋塌。而如果建筑高樓大廈的混凝土能像大風(fēng)中的樹木一樣彎曲，就有可能躲過災(zāi)難。一些科學(xué)家終于尋找到了這種新型建筑材料。

研究人員們首先分析了混凝土“寧折不彎”的原因。原來，在顯微鏡下，表面上看似完好的混凝土內(nèi)部卻到處是比頭發(fā)絲還細(xì)得多的小孔洞。真是千瘡百孔，難怪一彎就斷!于是他們提出了一個治療小孔洞的“藥方”。即在水泥中加入10％～15％的聚丙烯長纖維以及鐵粉、玻璃粉，然后充分?jǐn)嚢?，最后擠壓成混凝土。另一位研究員也提出了一個治療混凝土怕拉怕彎的“藥方”。他先用水泥抹在纖維上，然后將這些纖維和混凝土從一個漏斗形的裝置中擠過去，盡量消除其中的小孔洞。然后再放在真空室內(nèi)抽出殘余氣體，并再次加壓進(jìn)一步消除其中的氣泡。

兩位科學(xué)家制出的混凝土樣品經(jīng)過試驗，果然能伸能曲。比如，有的樣品就比普通混凝土的抗彎性能高100倍，強(qiáng)度高4倍。抗拉性能也大大增加，100厘米長的樣品拉到101厘米也沒有斷裂。這在普通混凝土中是不可想象的。抗彎強(qiáng)度也大大提高，用這種新方法制成的混凝土板只需1．27厘米厚就有相當(dāng)15厘米厚的普通混凝土板的強(qiáng)度。這是什么道理呢?其中的關(guān)鍵是加入的那些纖維起的作用，它們在混凝土中可以防止裂縫的擴(kuò)大，還可以把己出現(xiàn)的裂縫牽拉彌合在一起，即把裂縫“拴住”，不讓它們由小變大。在制造過程中消除內(nèi)部氣體的各種技術(shù)也能錦上添花，使混凝土的抗拉抗彎性能“更上一層樓”。

現(xiàn)在能曲能伸的混凝土已經(jīng)問世，用它作樓房的預(yù)制板可大大減輕重量，可以抗大地震。它的大量應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。

會調(diào)節(jié)空氣溫度的混凝土

用天然材料，如木材、紙制品等建造的居住空間或收藏室，在通風(fēng)良好的情況下，可形成良好調(diào)濕性的室內(nèi)環(huán)境。與這些天然材料相比，用混凝土等建造的近代建筑物雖然有優(yōu)良的耐久性和隔熱性，但缺乏吸濕和放濕能力。對于混凝土建筑，由于工期的縮短，混凝土未經(jīng)干燥早期水分就投入使用，工廠或住宅的內(nèi)裝修受到破壞后，混凝土墻壁會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

北方地區(qū)冬季于燥，特別是室內(nèi)通暖氣后，由于建筑物調(diào)節(jié)濕度能力差，濕度更小，出現(xiàn)衣服、電器很容易產(chǎn)生靜電，人的皮膚干燥，家具干裂的現(xiàn)象，所以，很多家庭使用空氣加濕器調(diào)節(jié)空氣濕度。夏季南方梅雨季節(jié)，在濕度大、人口稠密的居住地區(qū)，由于房屋內(nèi)材料腐朽導(dǎo)致霉菌的大量繁殖，使得建筑物強(qiáng)度嚴(yán)重受損。此外，在真菌繁殖的同時，往往伴隨著過敏反應(yīng)、流行病籌發(fā)生。為解決此類問題，必須使用空氣調(diào)節(jié)器，用于除濕和通風(fēng)，消耗更多的電能。另外，美術(shù)館中的美術(shù)作品要求室內(nèi)穩(wěn)定的溫度和濕度，給建筑環(huán)境提出了新課題。

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日本研究開發(fā)了根據(jù)不同濕度條件下的水蒸氣吸附、脫附規(guī)律的自律型調(diào)濕混凝土材料(會呼吸的智能調(diào)濕材料)。呼吸性調(diào)節(jié)濕度的材料現(xiàn)在主要用于對濕度變化敏感的美術(shù)作品收藏室、對溫度和濕度變化敏感的食品倉庫。今后，在醫(yī)院等康復(fù)性場所以及有節(jié)能要求的建筑也可能大量應(yīng)用。

研究發(fā)現(xiàn)，把沸石粉作為調(diào)濕性組分加入混凝土材料當(dāng)中就可制成滿足上述要求的調(diào)濕性混凝土?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，調(diào)濕性組分一般都是選用天然沸石。采用加入天然沸石的方法制成的調(diào)濕性混凝土具有以下特點：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度有關(guān)，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。日本對這方面的材料進(jìn)行了大量的研究，并已應(yīng)用于實際的工程當(dāng)中。

有安全保障的智能混凝土

將碳纖維和玻璃纖維束用樹脂固化形成一種復(fù)合材料，用于混凝土，可以在混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)形成監(jiān)測系統(tǒng)，能對結(jié)構(gòu)物引起的何種傷害進(jìn)行調(diào)查檢測。纖維束中的碳纖維是一種導(dǎo)電材料，其極限伸長量比玻璃纖維小。在繼續(xù)拉伸中首先是少數(shù)碳纖維開始破斷。利用這種特性，如將這種復(fù)合材料用于金庫的混凝土墻、樓板和頂板，即可構(gòu)成金庫的安全保護(hù)系統(tǒng)。其電阻值是可以測定的，隨著變形的加大，電阻值隨之增加，在碳纖維完全破斷時，電阻值達(dá)到無限大。這時，報警中心的警鈴即發(fā)出響聲，從而傳出報警的信息。

混凝土技術(shù)與其工藝表明，通過降低混凝土水灰比，并摻入硅灰一類粉狀摻和料，使混凝土的微組織更加致密，從而獲得了高強(qiáng)混凝土。但是這種混凝土一旦遭受火災(zāi)時，混凝土內(nèi)的水分即快速蒸發(fā)，壓力隨之增高，而蒸汽卻無法泄出，結(jié)果即引起混凝土爆裂。

為防止這種情況發(fā)生，有一種方案是在混凝土內(nèi)摻入1％(體積比)的聚丙烯短纖維。由于摻量極為有限，因此對混凝土的強(qiáng)度和剛度的影響極小，一般可以忽略不計。但摻有聚丙烯短纖維的混凝土，在遭受火災(zāi)時，隨著溫度的升高，聚丙烯短纖維卻開始熔化，并在混凝土內(nèi)形成相當(dāng)多的空隙，混凝土內(nèi)的蒸汽即向外泄出，避免了高強(qiáng)混凝土因火災(zāi)而發(fā)生爆裂的事故。這種防火災(zāi)爆裂高強(qiáng)混凝土，實際上也是一種智能混凝土。

美妙的應(yīng)用前景

智能混凝土具有廣泛的應(yīng)用前景，既可以用于土木工程結(jié)構(gòu)的實時和長期監(jiān)控以及損傷評價，還可以用來監(jiān)測車重和車速。智能混凝土不僅是結(jié)構(gòu)材料，同時也是功能材料，可制成新型的傳感器、電磁屏蔽材料以及電熱元件。

智能混凝土對土木建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等參數(shù)進(jìn)行實時、在線監(jiān)控，對損傷進(jìn)行及時修復(fù)，并可減輕臺風(fēng)、地震對混凝土結(jié)構(gòu)的沖擊。這對確?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全性和延長其使用壽命是非常重要的。

發(fā)展智能混凝土材料是智能化時代的要求，我們所期待的未來的智能混凝土材料既是一種具有高性能的建筑結(jié)構(gòu)材料，同時又是一種具有優(yōu)異智能特性的智能材料。智能混凝土材料作為對傳統(tǒng)混凝土材料的一種突破，其發(fā)展必將使混凝土材料的應(yīng)用具有更廣闊的前景和產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

[責(zé)任編輯] 龐云