吳宏江

東莞市全鑫混凝土攪拌有限公司

智能混凝土的開發(fā)與利用

吳宏江

東莞市全鑫混凝土攪拌有限公司

本文簡要介紹了智能混凝土的智慧之處以及其應(yīng)用的情況，并且根據(jù)智能型混凝土目前的發(fā)展?fàn)顩r展望了智能型混凝土未來的發(fā)展前景。

智能混凝土；自我感應(yīng)；自我調(diào)節(jié)；自我修復(fù)；智能化

1 前言

新時(shí)期，建筑材料和建筑技術(shù)的迅猛發(fā)展迫使建筑向智能化方向發(fā)展。作為使用量最大的建筑材料，混凝土柱間實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的只具備承載作用的結(jié)構(gòu)材料到多功能、高性能、智能化結(jié)構(gòu)材料的轉(zhuǎn)變。新興的智能型混凝土材料作為建筑智能化的發(fā)展基礎(chǔ)，在面臨突發(fā)事故（例如地震等自然災(zāi)害）時(shí)，能夠主動(dòng)的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自我診斷、自我調(diào)節(jié)及自我修復(fù)，從而降低了災(zāi)害的損失，而且能夠延長建筑的使用年限。

2 智能混凝土的定義及基本概況

智能型混凝土是在一般混凝土原有成分基礎(chǔ)上添加了復(fù)合的智能型成分，使混凝土材料具備自我感知、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)等功能的結(jié)構(gòu)材料。通常情況下，一種復(fù)合智能成分的添加只能使混凝土具備一種特殊功能，想要混凝土材料具備多種功能需要添加多種復(fù)合智能型成分，但是這種做法會(huì)使混凝土的基本性能（即承載能力）大打折扣。目前，智能型混凝土還處于研發(fā)階段，現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平不能制造出同時(shí)具備多種功能的混凝土。

3 智能混凝土的智能性及其應(yīng)用

3.1 智能混凝土的自我感應(yīng)能力

一般情況下，混凝土沒有自我感應(yīng)能力，但在混凝土成分中增添導(dǎo)電成分就能使其具有自我感應(yīng)的能力，現(xiàn)在常用的導(dǎo)電成分包括碳類、金屬類以及聚合物類。

碳類通常指碳纖維，它的導(dǎo)電性能優(yōu)良且具備很高的彈性及強(qiáng)度。把一定尺寸、形狀、滲量的短切碳纖維加入普通混凝土中就得到了碳纖維混凝土，其具備溫敏性、壓敏性及磁敏性等優(yōu)良特性，這使得它本身就是一個(gè)傳感器裝置。碳纖維混凝土具備自我感應(yīng)能力的理論基礎(chǔ)是：其壓應(yīng)力與電阻率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過檢測器電阻率的變化就能大致上判斷出混凝土內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的改變情況，由此感知到混凝土內(nèi)部的損傷部位。

光纖維混凝土是在普通混凝土中加入光纖維傳感器陣列得到的。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到壓力或溫度發(fā)生一定變化時(shí)，混凝土發(fā)生形變或出現(xiàn)裂縫，混凝土內(nèi)部的光纖維也會(huì)隨之發(fā)生形變，這時(shí)，通過觀測光纖維的光強(qiáng)和波長等性質(zhì)就能推測出結(jié)構(gòu)的變化和裂縫的寬度。

3.2 智能混凝土的自我調(diào)節(jié)能力

混凝土材料是無生命的，其本身并不具有自我調(diào)節(jié)的能力，為使其能夠自我調(diào)節(jié)，需向其中添加有驅(qū)動(dòng)功能的復(fù)合型材料（例如電流變體及形狀記憶合金等），現(xiàn)有的自我調(diào)節(jié)型混凝土主要負(fù)責(zé)建筑承載力及環(huán)境溫濕度的調(diào)節(jié)。

電流變體其實(shí)是一種懸膠液，通過外電場的作用，其彈性、黏性等流變性能得以改變，電流變體會(huì)在一瞬間組合成鏈狀或是網(wǎng)狀的固凝膠，當(dāng)電場作用消失后，固凝膠恢復(fù)流變狀態(tài)。它的這種特性使得建筑結(jié)構(gòu)在受到異常荷載時(shí)能夠調(diào)節(jié)自身阻尼特性，在結(jié)構(gòu)變形的過程中吸收大量能量，從而消弱異常荷載的沖擊。

形狀記憶合金屬于新型金屬功能材料，具備特殊的形狀記憶能力、溫敏性以及不同溫度下恢復(fù)形狀的能力。添加形狀記憶合金的智能型混凝土結(jié)構(gòu)在收到異常荷載時(shí)，記憶合金的形狀發(fā)生改變，調(diào)整混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布并使結(jié)構(gòu)具備一定得預(yù)應(yīng)力，從而使得結(jié)構(gòu)的承載力得到提高。

3.3 智能混凝土的自修復(fù)能力

大多數(shù)建筑的結(jié)構(gòu)之中存在裂縫，空氣中的水和二氧化碳等物質(zhì)透過裂縫與結(jié)構(gòu)中暴露的鋼筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成鋼筋腐蝕，并且侵入混凝土內(nèi)部，碳化混凝土本身，最終瓦解整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)。由于以上問題的嚴(yán)重性，越來越多的科研人員投入到混凝土裂縫自我修復(fù)的研究之中。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在混凝土自我修復(fù)功能的研究上都采用了混入特殊修復(fù)材料的方法。美國學(xué)者的做法是：將縮酯高分子溶液注入到中空的玻璃纖維中，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫時(shí)，中空的玻璃纖維破裂，縮酯高分子溶液從中流出使裂縫愈合，從而達(dá)到自我修復(fù)的效果。日本學(xué)者的做法是：在混凝土中混入包含粘接劑的微膠囊，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫時(shí)，微膠囊破裂，粘接劑流出愈合裂縫，恢復(fù)建筑承載力。這些智能型混凝土的自我修復(fù)功能對(duì)于使用年限過長的建筑無能無力，相關(guān)研究仍在進(jìn)行。

4 智能混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀及運(yùn)用問題

現(xiàn)階段，我國仍處于社會(huì)主義建設(shè)的初級(jí)階段，基礎(chǔ)性設(shè)施的建設(shè)正在如火如荼的開展之中。新時(shí)期，我國每年用于橋梁、公路、鐵路、港口及房屋等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的混凝土總量高達(dá)40億立方米，混凝土的生產(chǎn)、應(yīng)用、研究已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)步，但在智能型混凝土的研究應(yīng)用方面仍需不斷努力?，F(xiàn)在，極大一部分智能型混凝土的功能單一，已有的智能型混凝土不能充分發(fā)揮智能型混凝土的優(yōu)勢，例如，碳纖維混凝土能夠自我感知出結(jié)構(gòu)內(nèi)部受損部位，但不具備自我修復(fù)能力，建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)工作仍需人工進(jìn)行，這并不是真正實(shí)現(xiàn)了智能化，另外，人工修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)損傷往往不及時(shí)且修復(fù)難度過大。

目前，用于制造智能型混凝土的復(fù)合材料還十分有限，不過隨著科技的進(jìn)步，將不斷有新的、性能優(yōu)良的智能型復(fù)合材料應(yīng)用到智能型混凝土的制造之中，現(xiàn)有的復(fù)合材料將是多功能智能型混凝土研發(fā)的基礎(chǔ)和助推器。

智能型混凝土應(yīng)用的一大瓶頸是科技水平的限制使得智能型混凝土的造價(jià)持高不下。開發(fā)商在建筑中使用智能型混凝土必然導(dǎo)致房價(jià)上升，民眾的購房能力下降，房屋銷售情況惡化，開發(fā)商不愿意看到這樣的情況發(fā)生，所以，并不愿意在建筑中使用高價(jià)的智能型混凝土。

5 結(jié)語

綜上所述，智能型混凝土的研究還停留在初級(jí)階段，其自我感應(yīng)、自我調(diào)節(jié)以及自我修復(fù)性能尚不能同時(shí)具備，而功能單一的混凝土材料不能滿足現(xiàn)代智能型建筑的需要。智能型混凝土的基礎(chǔ)是智能型的工程材料，所以應(yīng)當(dāng)加大智能型工程材料開發(fā)利用的力度，以便于實(shí)現(xiàn)智能型混凝土的全面優(yōu)化。隨著各國學(xué)者研究的深入，智能型混凝土將不斷改進(jìn)，作為智能性建筑的基礎(chǔ)材料，智能型混凝土的應(yīng)用前景十分廣闊。

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