土木工程建設中的智能材料研究

摘要：智能材料誕生于21世紀，它的設計靈感來源于生物學，是高新材料研究的重點。隨著智能材料在這個領域的應用變廣，我們似乎看到了智能材料的發展前景是如此的寬闊。本文對智能材料做了簡單的介紹，并寫出了智能材料具有的功能特點，經過對材料現狀的分析，預測它的應用前景，目的是為了加大智能材料在土木工程中的應用范圍。

關鍵詞：土木工程；智能材料；探討

最初，建筑的出現是為了保證人類的正常生活，保證人類的安全生存。而我們的祖先在建筑空間是為了遮風擋雨，他們使用的材料都是來自于自然環境中的天然材料。常用的建筑結構都是將構造材料進行提升，為了滿足建筑需求，定期的對工程管理進行維護和評價。傳統的建筑方法阻礙了建筑業的發展，此時的建筑處于一種被動狀態，建筑目標完成后，馬上投入使用，這樣的建筑完全沒有安全性可言，結構是否合理關系著住戶的安危，不合理的設計和理念為建筑埋下了安全隱患，掌握不了建筑的整體結構，人們就無法對建筑的危險指數作出預測，很難避免災難的發生。

1#8195;智能材料的概念

智能材料的雛形出現在20世紀的一次實驗當中，為了將光導纖維融入碳纖維形成具有抵抗斷裂能力和感知應力能力的復合材料，從而就產生了這種新型材料，這種材料系統在當時被稱為，即自適應材料。而在20世紀90年代，智能材料的不斷改進引起了各國研究人員的注意，在這種材料的基礎上，研究者分別提出了機敏材料等名稱，給智能材料相關的事物都下了明確的定義。研究的內容都離不開智能材料的特點。

智能材料是一種能感知外部環境刺激，并且對刺激能夠判斷，采取適當方式處理且本身自帶執行能力的一種新型功能材料，因該材料可智能處理事物，因此，我們稱它為智能材料。智能材料屬于第四代材料，同時它也是材料的一次革命。

2#8195;智能土木結構工程現狀

智能土木結構就是將智能材料和土木工程相結合的一種建筑結構，而土木工程結構最重要的就是強度、安全性、可靠性和耐久性這幾個因素，智能土木結構也不例外，因此，保證智能土木結構的性能是本文研究重點。在建筑前對土木結構的性能進行研究分析，不僅減少了建筑成本，還能降低建筑過程中的風險。但這些檢測方法只是從外部進行檢測，并不能完全檢測到土木結構內部性能的變化情況，一旦土木結構的內部遭受損傷或破壞，檢測技術就無法監測或預測。智能傳感器的出現主要是針對較高的建筑物、承重較大的橋梁、發電蓄水等這些大型的建筑結構，智能傳感器的安裝能敏感的檢測到結構性能的變化，從而有了安全的保障。隨著各種技術的發展，智能傳感器也被研發出來并應于實際建筑中，智能傳感器的作用是檢測建筑物的結構變化，并作出相應的反應，而隨著這項技術的成熟和性能的提高，它的應用范圍被不斷的擴大，因此也就出現了智能大廈這個名詞。特別是在建筑應用的研究上，重點研究智能震動控制技術。

3#8195;智能材料的工程應用分析

根據材料的功能對智能材料系統行進分類，一類是感知材料，還有一類是驅動材料，感知材料的作用是對外界環境刺激的感應，刺激可以是物理方面（聲、光、電、熱、力、磁），也可以是化學方面（各種化學藥品反應）。感知材料的類型也分為多種，比較典型的代表是壓電材料和記憶合金。驅動材料的作用是對環境的刺激做出判斷，并采取適當方式處理而且本身自帶執行能力，最典型的驅動材料是記憶合金和電致伸縮材料。

隨著科技的發展，為了監測混泥土結構的變化，將光導纖維防止在混泥土結構中，光導纖維的用途范圍很廣泛，在電控領域、建筑領域和其他領域都有涉及，在建筑領域中，利用的是光導纖維的監測和通訊兩個功能。把光纖傳感器安置在土木結構中，利用光纖傳感器作為感知根基破壞的敏感元件。碳纖維是一種新型研究材料，它不僅具有碳本身的屬性，還具有纖維的可加工性和柔韌性，把這種材料加入水泥熔漿中，按照一定比例對碳纖維材料的含量進行調節，水泥熔漿會跟隨設備工藝的調節而發生變化，我們將這種變化定義為回應力敏感，光纖傳感器會監測土木結構內部性能的變化情況，一旦出現受損或斷裂情況，傳感器會發出警報聲，同時碳纖維材料在土木工程結構中也將發揮自身的優勢和診斷能力。由于碳纖材料具有診斷能力，因此，它被廣泛的應用于各種水壩、橋梁的監測系統中，及時對建筑結構性能的變化做出預測和分析。橋梁是一種以彎曲變形為主要變形方式的材料，而橋梁所能承受的載荷通常跟它本身所具有的強度成正比，因此，強度和載荷間有著密切的關系，對于橋梁的維修是根據監測結果進行的，檢測器在橋梁中的應用減少了橋梁的維修成本和診斷成本。通過光纖傳感器可檢測橋梁承受載荷的極限，具體操作方法是將傳感器放置在前面和拱璧的中間部位，傳感器兩端分別放置光敏管和發光管，當負載加大或減小時，發光管會跟隨橋梁載荷大小的變化而變化，光敏管會跟隨發光管光強的發射強度而變化，而放置在橋面和拱璧之間的光纖傳感器則監測到光敏管的變化，光敏管的變化數據就是橋梁所受載荷的數據，再通過相關公式的計算轉換，就可得出橋梁所受載荷大小。

4#8195;總結

在土木工程中，智能材料占據的分量越來越重，它在材料科學、自控技術和計算機科學等領域都有所涉及，是在天然材料、人工設計材料和合成高分子材料被研究出來之后的第四種新型材料，它的出現可稱得上是材料革命。在土木工程中，智能材料的應用具有重大的意義，它將影響甚至改變這個領域的發展方向。因此，研究智能材料的各項性能，改變傳統的材料觀念是我們急需做的事情，學習國外制造智能材料的技術，吸收相關經驗，拓展智能材料的應用和領域，設立專業的研究機構對智能材料進行提升。

參考文獻：

[1]閻平.智能材料在土木工程中的應用[J].科技風，2011（11）.

[2]劉勇，魏泳濤.智能材料在土木工程中的應用[J].西南交通大學學報，2002，37（Z1）：105-109.