智能混凝土的開發與利用

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用的情況，并且根據智能型混凝土目前的發展狀況展望了智能型混凝土未來的發展前景。

智能混凝土；自我感應；自我調節；自我修復；智能化

1 前言

新時期，建筑材料和建筑技術的迅猛發展迫使建筑向智能化方向發展。作為使用量最大的建筑材料，混凝土柱間實現了由傳統的只具備承載作用的結構材料到多功能、高性能、智能化結構材料的轉變。新興的智能型混凝土材料作為建筑智能化的發展基礎，在面臨突發事故（例如地震等自然災害）時，能夠主動的進行結構的自我診斷、自我調節及自我修復，從而降低了災害的損失，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上添加了復合的智能型成分，使混凝土材料具備自我感知、自我調節、自我修復等功能的結構材料。通常情況下，一種復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合智能型成分，但是這種做法會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階段，現有的科學技術水平不能制造出同時具備多種功能的混凝土。

3 智能混凝土的智能性及其應用

3.1 智能混凝土的自我感應能力

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

碳類通常指碳纖維，它的導電性能優良且具備很高的彈性及強度。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良特性，這使得它本身就是一個傳感器裝置。碳纖維混凝土具備自我感應能力的理論基礎是：其壓應力與電阻率之間存在對應關系，通過檢測器電阻率的變化就能大致上判斷出混凝土內部應力、應變的改變情況，由此感知到混凝土內部的損傷部位。

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。當混凝土結構受到壓力或溫度發生一定變化時，混凝土發生形變或出現裂縫，混凝土內部的光纖維也會隨之發生形變，這時，通過觀測光纖維的光強和波長等性質就能推測出結構的變化和裂縫的寬度。

3.2 智能混凝土的自我調節能力

混凝土材料是無生命的，其本身并不具有自我調節的能力，為使其能夠自我調節，需向其中添加有驅動功能的復合型材料（例如電流變體及形狀記憶合金等），現有的自我調節型混凝土主要負責建筑承載力及環境溫濕度的調節。

電流變體其實是一種懸膠液，通過外電場的作用，其彈性、黏性等流變性能得以改變，電流變體會在一瞬間組合成鏈狀或是網狀的固凝膠，當電場作用消失后，固凝膠恢復流變狀態。它的這種特性使得建筑結構在受到異常荷載時能夠調節自身阻尼特性，在結構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形狀的能力。添加形狀記憶合金的智能型混凝土結構在收到異常荷載時，記憶合金的形狀發生改變，調整混凝土結構的內力分布并使結構具備一定得預應力，從而使得結構的承載力得到提高。

3.3 智能混凝土的自修復能力

大多數建筑的結構之中存在裂縫，空氣中的水和二氧化碳等物質透過裂縫與結構中暴露的鋼筋發生化學反應，造成鋼筋腐蝕，并且侵入混凝土內部，碳化混凝土本身，最終瓦解整個建筑結構。由于以上問題的嚴重性，越來越多的科研人員投入到混凝土裂縫自我修復的研究之中。

目前，國內外學者在混凝土自我修復功能的研究上都采用了混入特殊修復材料的方法。美國學者的做法是：將縮酯高分子溶液注入到中空的玻璃纖維中，當建筑結構中出現裂縫時，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，從而達到自我修復的效果。日本學者的做法是：在混凝土中混入包含粘接劑的微膠囊，當建筑結構中出現裂縫時，微膠囊破裂，粘接劑流出愈合裂縫，恢復建筑承載力。這些智能型混凝土的自我修復功能對于使用年限過長的建筑無能無力，相關研究仍在進行。

4 智能混凝土的發展現狀及運用問題

現階段，我國仍處于社會主義建設的初級階段，基礎性設施的建設正在如火如荼的開展之中。新時期，我國每年用于橋梁、公路、鐵路、港口及房屋等基礎設施建設的混凝土總量高達40億立方米，混凝土的生產、應用、研究已經取得了明顯的進步，但在智能型混凝土的研究應用方面仍需不斷努力。現在，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揮智能型混凝土的優勢，例如，碳纖維混凝土能夠自我感知出結構內部受損部位，但不具備自我修復能力，建筑結構的修復工作仍需人工進行，這并不是真正實現了智能化，另外，人工修復建筑結構損傷往往不及時且修復難度過大。

目前，用于制造智能型混凝土的復合材料還十分有限，不過隨著科技的進步，將不斷有新的、性能優良的智能型復合材料應用到智能型混凝土的制造之中，現有的復合材料將是多功能智能型混凝土研發的基礎和助推器。

智能型混凝土應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持高不下。開發商在建筑中使用智能型混凝土必然導致房價上升，民眾的購房能力下降，房屋銷售情況惡化，開發商不愿意看到這樣的情況發生，所以，并不愿意在建筑中使用高價的智能型混凝土。

5 結語

綜上所述，智能型混凝土的研究還停留在初級階段，其自我感應、自我調節以及自我修復性能尚不能同時具備，而功能單一的混凝土材料不能滿足現代智能型建筑的需要。智能型混凝土的基礎是智能型的工程材料，所以應當加大智能型工程材料開發利用的力度，以便于實現智能型混凝土的全面優化。隨著各國學者研究的深入，智能型混凝土將不斷改進，作為智能性建筑的基礎材料，智能型混凝土的應用前景十分廣闊。

[1]邊旭峰.淺談智能混凝土研究現狀及發展趨勢[J].科技風,2011(10).

[2]何歡.當前智能混凝土發展初探[J].中國新技術新產品,2010(16).

[3]鄧艷鋒,夏正兵.智能混凝土的研究現狀[J].黑龍江科技信息,2010(32).