簡析智能材料在土木工程中的應(yīng)用

彭紅建

摘 要：文章通過對光釬、壓電材料、壓磁材料和形狀記憶合金在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，來分析智能材料應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出未來該領(lǐng)域研究的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能材料；土木工程；光導(dǎo)纖維；壓電材料

引言

世界范圍內(nèi)，第一次智能材料的研發(fā)成功始于上世紀(jì)七十年代的美國，到八十年代，復(fù)合智能材料的應(yīng)用風(fēng)靡全球，美國首先提出了智能材料結(jié)構(gòu)的概念。智能材料的智能主要體現(xiàn)在，其具備感知內(nèi)外部環(huán)境變化的能力，并通過分析判斷來調(diào)正自身以適度符合環(huán)境。目前，隨著光釬、壓磁、壓電和形狀記憶合金等材料的發(fā)展，智能材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木工程的各個領(lǐng)域。最基本的智能材料一般被稱為感知材料，其可以感知內(nèi)外部刺激的材料。通過感知內(nèi)外部條件變化，并做出適應(yīng)環(huán)境調(diào)整的材料被稱作驅(qū)動材料[1]。現(xiàn)在的智能材料，一般需要多種材料復(fù)合組裝來實(shí)現(xiàn)環(huán)境變化情況下材料結(jié)構(gòu)的診斷、修復(fù)、調(diào)整[2]。

1 智能材料在土木工程中的應(yīng)用

1.1 光導(dǎo)纖維在混泥土材料的監(jiān)控

光導(dǎo)纖維材料，是一種光通信介質(zhì)，其最大優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快、信號衰減低和并行處理能力較強(qiáng)，經(jīng)常被用于高要求的通信傳輸中。光導(dǎo)纖維和光纖傳感器在土木工程中，主要用于對混泥土固化的監(jiān)控。混泥土結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度弱、內(nèi)部鋼筋容易被腐蝕等，在大面積澆筑過程中由于混泥土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部溫度差異而導(dǎo)致混泥土塊體出現(xiàn)裂縫。這種情況下，將光纖作為傳感元件埋入混泥土結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、溫度、變形、裂縫、振動等可能引起混泥土結(jié)構(gòu)損傷的危險(xiǎn)因素進(jìn)行檢測、診斷、預(yù)報(bào)。更進(jìn)一步，如果控制元件能接入信息處理系統(tǒng)，并引入形狀記憶類金屬等智能材料，形成完整的控制系統(tǒng)，將能實(shí)現(xiàn)混泥土材料的自適應(yīng)功能——這正是目前智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程中應(yīng)用的前沿課題。

1.2 壓電材料

壓電材料一般是指在收到壓力后，材料兩端會出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電材料在土木工程中的應(yīng)用主要包括對于結(jié)構(gòu)的靜變形控制、噪聲控制和抗震抗風(fēng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的壓電材料使用方法是通過壓電傳感元件對結(jié)構(gòu)的震動進(jìn)行感知，利用傳感器輸出結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對于震動的感知和預(yù)警。在此基礎(chǔ)上，采取合適的控制算法對壓電體的輸入進(jìn)行控制和定量，從而實(shí)現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)震動的控制，這是目前壓電類智能材料的研究前沿。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，壓電類的智能結(jié)構(gòu)土木工程中的應(yīng)該越來越廣泛。

1.3 壓磁材料

壓磁材料在土木工程中的應(yīng)用主要包括磁流變材料和磁致伸縮材料。基于磁流變材料的原理，當(dāng)磁場的強(qiáng)度高于臨界強(qiáng)度時，磁流變在極短時間內(nèi)從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化。在介于固液體之間可根據(jù)磁流變液特點(diǎn)具有的快速、可控及可逆性質(zhì)，控制流體特性實(shí)施時需要較低的能量，因此在智能結(jié)構(gòu)中通常將磁流變液作為動器件的主要材料。基于這點(diǎn)，磁流變材料可用于高層建筑的結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)對地震的半主動控制。因?yàn)闈撛趹?yīng)用前景的廣闊，使得磁致伸縮材料近年來得到很大關(guān)注。磁致伸縮材料具有強(qiáng)烈的磁致伸縮效應(yīng)，這種材料可以在電磁和機(jī)械之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換，這種特性使其可以用于大功率超聲器件、聲納系統(tǒng)、精密定位控制等很多領(lǐng)域。

1.4 形狀記憶合金

形狀記憶合金是一種具有形狀記憶效應(yīng)的智能材料。形狀記憶合金的形狀被改變后，在一定條件下能激發(fā)其形狀記憶效應(yīng)，這一過程中，材料產(chǎn)生高于700兆帕的回復(fù)應(yīng)力及8%左右的回復(fù)應(yīng)變，同時具有較強(qiáng)的能量傳輸儲存能力。基于這一特性，形狀記憶合金在土木工程中最大的用處是用于各種結(jié)構(gòu)中來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自我診斷、增加材料的韌性和強(qiáng)度等、增強(qiáng)材料的適應(yīng)控制。形狀記憶合金還可以被研制成智能驅(qū)動器，用于對結(jié)構(gòu)變形、裂縫和振動方面的控制。形狀記憶合金具有較高相變回復(fù)力，結(jié)合該特性能夠研制開展形狀記憶合金被動耗能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相變偽彈性性能，可在土木工程結(jié)構(gòu)中用于耗能抗震的被動控制。目前的土木工程實(shí)踐中，通常在結(jié)構(gòu)層間或底部等受地震作用較大的位置安置形狀記憶合金被動耗能控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)耗能系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的層間變形的感知，進(jìn)而起到消耗地震能量的作用。

2 智能材料的優(yōu)點(diǎn)局限性

土木工程中應(yīng)用的智能材料具有反饋信息、自我診斷、自我修復(fù)、自適應(yīng)能能力，實(shí)踐也表明，智能材料在實(shí)際土木工程中的應(yīng)用使得工程結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和耐久性等特點(diǎn)，同時能智能化地執(zhí)行指令，能較好的適應(yīng)外部環(huán)境的變化。但上述的光纖、形狀記憶合金、壓電和壓磁等材料，本質(zhì)上屬于高智能復(fù)合材料，其最大的局限性在于使用成本很高，造價(jià)太貴。這一缺點(diǎn)，使得目前對于智能材料的應(yīng)用智能局限于檔次較高、標(biāo)準(zhǔn)較高的建筑工程，智能材料在普通民居建筑中的應(yīng)用還遙遙無期。另外，智能材料的應(yīng)用需要相應(yīng)的技術(shù)和配套材料設(shè)備的配合支撐，在施工中對于施工技術(shù)和工藝的要求較高。因此，但就目前看，對智能材料的應(yīng)用還不可能實(shí)現(xiàn)全方位的廣泛普及，但是，智能材料可能是未來土木工程材料的研究和發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

綜上所述，智能材料在土木工程中的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)適應(yīng)環(huán)境能力弱的缺點(diǎn)，將建筑結(jié)構(gòu)需要人為檢測轉(zhuǎn)向建筑結(jié)構(gòu)帶自我檢測、調(diào)整和適應(yīng)功能。目前智能材料的應(yīng)用還局限在少部分高要求和高標(biāo)準(zhǔn)的建筑項(xiàng)目，科學(xué)界對于智能材料以及相關(guān)技術(shù)和配套設(shè)備的研究，是未來智能材料能廣泛應(yīng)用與土木工程結(jié)構(gòu)的前提和基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]周劍霞，劉冬梅.智能材料在土木工程中的應(yīng)用淺析[J].科技與企業(yè)，2014（7）：216.

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[3]鄒北驥.大數(shù)據(jù)分析及其在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（7）：24-29.