智能混凝土相關技術發展研究

張偉剛

摘 要：隨著現代材料的不斷進步，混凝土已逐漸向高強、高性能、多功能和智能化發展。停留在被動和計劃模式的混凝土檢測與修復方式已不能適應現代多功能和智能建筑對混凝土材料提出的要求。因此，研究和開發具有主動、自動地對結構進行自診斷、自調節、自修復、恢復的智能混凝土已成為結構--功能（智能）一體化的發展趨勢。本文主要介紹了智能混凝土的產生、發展和現狀，展望了智能混凝土的發展趨勢和前景，并對該類型建筑在研究中應當注意的問題進行了較為系統的闡述。

關鍵詞：智能；混凝土；研究；發展

0.引言

混凝土作為主要的建筑材料經過了一個漫長的發展過程，它的發展凝聚著時代的最新科技成果，順應著人類的物質和精神需求?，F在混凝土智能化的研究和開發成了人們關注的熱點。本文簡述智能混凝土的發展歷程，并對智能混凝土的現狀和發展趨勢進行研究，在此基礎上展望智能混凝土的應用前景。

1.智能混凝土的定義和發展歷史

通常情況下，我們把"能感知環境條件，做出相應行動"的材料稱為智能材料。與普通材料不同的是雖然它不具有現實意義上的的生命形式，但是它具有感知和激勵雙重功能，能對外界環境變化因素產生感知，自動作出適時、靈敏和恰當的響應，并具有自我診斷、自我調節、自我修復和預報壽命等功能。換句話來說它能模仿生命系統，具有自感知和記憶，自適應，自修復特性的多功能，它保留了混凝土原有組分同時復合了智能型組分。

智能混凝土優點很多，諸如：有效地預報混凝土材料內部的損傷；自我檢測結構的安全性，防止混凝土結構潛在脆性破壞；自動進行修復，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝土集自感知和記憶、自適應、自修復等多種功能于一身，缺一不可。但是以當前科技發展水平，設計完善的智能混凝土材料還相當困難。但近年來損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現，為智能混凝土的研究打下了堅實的基礎。

1.1損傷自診斷混凝土

普通的混凝土材料本身不具有自感應功能，但如果在混凝土基材中加入了其它材料，就使混凝土本身具備了本征自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中碳類、金屬類和光纖比較常用。現在社會上主要有2種研究比較熱門的損傷自診斷混凝土：碳纖維智能混凝土、光纖傳感智能混凝土。損傷自診斷混凝土的自感應功能包括壓敏性和溫敏性等。

1.2自調節智能混凝土

混凝土常常承受的偶然荷載包括：臺風、地震等。人們往往希望混凝土在承受這些荷載時，能夠調整承載能力和減緩結構振動。但是混凝土本身是惰性材料，無法實現這一功能。自調節智能混凝土應運而生，它同時具有電力效應和電熱效應等性能。所謂的自調節智能混凝土是在它內部復合具有驅動功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。這種材料具有形狀記憶效應，舉例來說，若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。因此當在混凝土中埋入形狀記憶合金時，可以利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復相應形狀的功能，在混凝土結構受到異常荷載于擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結構內部應力重分布并產生一定的預應力，從而提高混凝土結構的承載力。

1.3自修復智能混凝土

當混凝土承受荷載時，就回變形甚至出現裂縫。帶縫工作的混凝土，強度會降低。如果空氣中的CO2、酸雨和氯化物等通過裂縫侵人混凝土內部，將會使混凝土發生碳化，腐蝕混凝土內的鋼筋，這對地下結構物或盛有危險品的處理設施尤為不利，同時要想檢查和維修混凝土的裂縫是很困難的。像現實生活中可以見到人的皮膚劃破后，經一段時間皮膚會自然長好，而且修補得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合一樣，自愈合混凝土就模仿了這一生物組織。當遭受創傷時，可以自動分泌某種物質，而使創傷部位得到愈合的機能。能夠在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經系統的組分是混凝土組分中的具有復合特性的材料，它促使混凝土模仿動物的這種骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理。采用粘結材料和基材相復合的，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高材料性能的新型復合材料。

日本的東北大學三橋博三教授為首的日本學者的研究成果中，把內含粘結劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，如果在外力作用下，混凝土發生了開裂，粘結液流出并深人裂縫。具有剛強度粘結力的粘結液可使混凝土裂縫重新愈合。

2智能混凝土研究現狀和應注意的問題

不管是自診斷、自調節復混凝土還是自修復混凝土，都處在智能混凝土的初級階段，還遠遠沒有達到智能混凝土的全部要求。它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡化形式，可以稱之為機敏混凝土。它們的功能單一，并不囊括智能混凝土的各種功能。隨著對建筑材料的不斷認識，人們正致力于將2種以上功能進行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。這種混凝土將集合自感應、自凋節和自修復組件材料等，并把原始混凝土作為基材，各材料之間依據結構需要排列，以實現混凝土結構的內部損傷自診斷、自修復和抗震減振的智能化。

從長遠來看，智能混凝土發展前景良好，但是依舊有很長的路要走。很多細節上的問題亟待解決。例如：如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電極布置方式、耐久性等；封入的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。為促進智能混凝土研究工作的順利開展有必要就以下幾點形成共識：

（1）有針對性的開發。在設計中，考慮的范圍越大，目標越多，開發出能應對所有這些情況的手段是很困難的。因此要縮小智能化范圍，以某種功能為對象，從而開發出相對最適應的方法。針對混凝土性能發生惡化和結構發生破壞等現象，考慮不同的智能方法。

（2）具有可操作性。設計當與當前施工技術水平相一致，否則在施工中沒有辦法達到要求。一般來說，選用的材料應具有選用的材料應具有化學穩定性，要有利于安全使用，不揮發任何有刺激的氣味和其它有害物質，并能大量應用而且成本較低。另外，施工方法對其技術與工藝要求不能過高。

3.結語

智能混凝土是仿生學的產物，模仿生物的感知能力，可以實時地自我檢測，評估損傷，及時修復。進入二十一世紀以來，臺風、地震等災難頻頻發生，這就加劇了人們對智能建筑的需求。它的的發展勢頭良好，但依舊需要人們不斷的探索，不斷的完善智能混凝土的功能，確保建筑物的安全和長期的耐久性。

參考文獻

[1]姚忠偉. 智能混凝土的研究及其發展[J]. 新型建筑材料，2015，02：6-9.

[2]趙文娟. 淺談智能混凝土的研究和發展[J]. 科技經濟市場，2012，02：29-30.

[3]卞建偉，朱光. 智能混凝土的研究和發展[J]. 黑龍江交通科技，2013，06：39-40.