土木工程建設中智能材料的應用

胡云峰

（河南加寶置業有限公司，河南開封 475000）

土木工程建設中智能材料的應用

胡云峰

（河南加寶置業有限公司，河南開封 475000）

近年來，隨著國民經濟的不斷提高，土木工程建設也獲得了極大的發展。基于此，對土木工程建設中智能材料的應用進行深入的研究，分析智能材料的概念及特點，從而對其具體的應用作詳細的闡述。

土木工程；建設施工；智能材料；應用

1 智能材料概述

20世紀70年代，在建筑項目領域中使用智能材料的想法及理念，率先由美國提出，且在經過大量的測試和試驗之后，得出了智能材料所具備的基本特征。而隨著各部門對土木工程建設重視度的不斷提高，以及相關技術的不斷創新和改進，在土木工程建設領域還逐漸發展出了自適應建筑結構的材料、機敏材料及智能材料等。

1.1 智能材料的概念

目前，在土木工程建設領域中，對于智能材料的定義還缺乏一定的標準和統一性。總體而言，在土木工程建設領域中，一般智能材料主要是指能夠感知內部環境及外界環境的，并能夠準確地判定及處理分析建筑，同時還具有相應的適度性的建筑材料。智能材料是繼天然材料、人工合成材料、高分子材料等之后，逐漸在建筑領域內發展出來的一種新型施工材料，其能夠在日后的土木工程建設中發揮出更大的作用。

1.2 智能材料的特征

在土木工程建筑建設中，其所使用到的智能材料，一般具備以下幾個基本特征：自適應功能、自我修復建筑結構的功能、識別和積累信息的功能、相應功能、自診斷功能、傳感功能和反饋功能等。而目前在土木工程建設的過程中，所使用的智能材料主要具有以下特征：①智能材料能夠準確地感知外界環境，還能對環境中存在的刺激及其強度進行精準的檢測，如應變量、化學能、核輻射、熱能、光能及應力等；②智能材料還具備驅動功能，能夠適應外界的相應變化；③智能材料還能根據預先設計的方式，對自身進行相應的控制，并能夠對具體的方式進行相應的選擇；④智能材料還能快速地對外界的刺激進行反應，且這一反映非常恰當；⑤智能材料能夠在外界的刺激消失之后，以最短的時間、最快的速度恢復到最初的狀態。

2 土木工程建設中智能材料的應用

2.1 壓電材料

在傳統的建筑結構中，一般應用的壓電體為集成式，其主要是通過傳感壓電的原件對建筑結構的振動模式和狀態加以感知，并根據其輸出的感知結果，來確定控制算法應輸入的壓電體，以實現結構振動的主動控制，這也是智能結構中展開壓電類研究與應用的前沿領域［1］。目前，一些研究人員主要利用陶瓷壓電體作為加速驅動與傳感器，對控制主動振動及主被動阻尼在壓電層合結構中的問題進行相應的研究。近年來，隨著堆技術與壓電材料的不斷發展，促使智能材料中的壓電類材料的研究與應用也變得更加廣泛。目前，土木工程建設中應用的壓電材料，一般更注重健康監測、安全評定、控制靜變形能及主動控制噪聲等方面，并且取得了非常好的效果。

2.2 形狀記憶合金

在土木工程建設中，一種具有記憶形狀效應的合金智能材料，即為形狀記憶合金。其是一種具有新型功能的智能材料，優勢主要是：在發揮材料的記憶形狀效應時，其能夠產生8%左右的應變回復，以及大于700MPa的應力回復，并且具備的傳輸與儲存能量的功能非常強［2］。在該智能材料的應用過程中，這一優勢促使其能夠在各種建筑結構中都能靈活應用，并且還能實現建筑結構的適應控制、增強、增韌及自我診斷等方面的研究和應用。同時，該智能材料還能夠用于智能驅動器的研制，并且在結構振動、裂縫、損傷及變形等方面都能展開相應的研究和應用。而形狀記憶合金這類智能材料的另一個優勢是，具有一定的相變滯后及相變偽彈等性能。在加卸載過程中，其應變-應力曲線能夠形成環狀，這就意味著該智能材料在此過程中能夠將較多耗散的能量重新吸收回來。形狀記憶合金材料的相變回復應力高達400MPa，根據其特性還能對控制被動耗能的系統進行研究和開發，且研制出來的系統還能夠獲得一定的相變偽彈功能，因而能夠用于土木工程建設中的被動控制耗能抗震。一般在建筑結構的底部或者層間安裝一個控制被動耗能的系統，就能夠對建筑結構的層間變形進行相應的感知，并且能夠對地震能量進行適當的消耗。經有關研究表明，形狀記憶合金耗能器安裝之后，大約可以吸收的地震能量在2/3左右，且對結構的位移具有顯著的抑制作用。

2.3 壓磁材料

在外界加磁場的影響下，磁留懸浮變液體系所具備的各種流變性質均能產生非常顯著的可逆變化。當臨界值低于外加場強時，這一變液就會從液體狀態快速轉變成固體狀態，同時利用顯微鏡進行觀察，可以看到：在磁場的作用下，這一變液的相分散顆粒能夠順著磁場的方向逐漸形成連狀結構。處于固體與液體之間的變液，其能夠結合自身的特點，即可逆性質、可控性質及快速性等，對流體的特性實時控制，但此時需要的能量較低，因而在土木工程建設的智能結構中，一般動器件所用的材料主要為磁流變液。同時，在土木工程建設領域，大跨度的橋梁、高層建筑及電視塔等結構，其所使用的壓磁材料，主要是用于半主動控制地震。另外，在壓磁材料的相關研究中，磁致伸縮的材料也獲得了社會的廣泛關注。這種智能材料的磁致伸縮功能非常強，機械能及電磁能之間能夠實現有效的逆轉換，因而在土木工程建設中具有十分廣闊的應用前景，這一智能材料主要適用于控制精密定位、聲吶系統、超聲大功率器件等各個建筑領域。

2.4 光導纖維

在土木工程建設中，光導纖維主要由兩部分構成，即內芯與外包層，其是一種光通信的纖維狀介質材料，主要是在通信傳輸系統中，最初使用先進的傳輸信息技術，其在容量與速度上，信息載體的光子要大于電子這一載體，因而其發展速度非常快。光子主要具備一定的高信息率及高并行的信息處理能力，其能充分發揮出信息處理速度與容量中存在的潛力。光導纖維在遠距離信息傳輸、傳感及監測等各個方面，都能獲得廣泛的應用。在傳統的土木工程建設的混凝土結構中，使用光導纖維作為傳感的原件，能夠實現對各項結構指標的實時診斷、控制、檢測、評價及預報等功能，并且在買入驅動元件如形狀記憶合金之后，就能將信息控制元件及處理系統有機結合起來，促使土木工程建設的混凝土結構能夠獲得一定的智能功能，從而達到自動修復及診斷混凝土結構的目的。另外，在混凝土結構中，對于地震響應的主動控制及診斷等，設計的傳感器中使用的材料比較理想的就是光導纖維材料。

3 智能材料未來發展趨勢

在土木工程建設中，智能材料未來的發展趨勢主要表現如下：首先，對結構狀態進行實時檢測和監控，在土木工程建筑結構中，驅動元件及集成傳感的原件，能夠利用網絡對結構狀態進行實時監控，從而確保土木工程的基礎結構和設施的可靠性與安全性；其次，能夠對土木工程建設的結構形狀與材料進行自適應，這樣土木工程結構就能對運動進行承載和傳遞，同時還能對結構的特性進行檢測與改變；最后，能夠對抗震、降噪、抗風及減振等進行自適應控制。

4 結語

在土木工程建設過程中，智能材料的應用非常廣泛，同時使用的各種元件也逐漸趨向于高功率化、多功能化及小型化。在土木工程建筑結構中，連接元件、耦合原件、驅動系統、傳感系統和復核控制系統等的應用，促使土木工程建筑逐漸朝著智能化、主動式的結構方向發展，因而能夠為人們的日常生活和工作提供更加安全舒適的環境。

［1］黃浦時.關于智能材料在土木工程建設中的研究［J］.數字化用戶，2013（11）：27.

［2］寧學前.智能材料在土木工程結構振動控制中的應用［J］.科技資訊，2011（2）：38.

Application of Intelligent Materials in Civil Engineering Construction

Hu Yunfeng
（Henan Jia Bao Properties Limited，Kaifeng Henan 475000）

In recent years,with the continuous improvement of the national economy,civil engineering construction has also been a great development.Based on this,the application of intelligent materials in civil engineering construction was studied,the concept and characteristics of intelligent materials were analyzed,and the concrete application of intelligent materials were described in detail.

civil engineering；construction；intelligent material；application

TU59

A

1003-5168（2016）11-0100-02

2016-10-13

胡云峰（1968-），男，本科，工程師，研究方向：建筑技術。