智能混凝土在城市橋梁工程中的應用前景研究

尹 超，王澤榮

（酒泉職業技術學院,甘肅 酒泉 735000）

科技研究

智能混凝土在城市橋梁工程中的應用前景研究

尹 超，王澤榮

（酒泉職業技術學院,甘肅 酒泉 735000）

智能混凝土是通過在普通混凝土中復合特殊材料而形成特殊功能的新型混凝土，能顯著提高混凝土工程的性能。相比于普通混凝土智能混凝土具有自感知、自修復、自調節、高阻尼能特性。結合城市橋梁工程的結構特點，綜合智能混凝土自身特征探討智能混凝土在城市橋梁工程中的發展前景。

智能；混凝土；應用；前景

0 引言

隨著我國現代化進程的迅猛推進，城市規模的不斷擴張，城市交通狀況日益擁堵嚴重。許多城市為了改善道路交通狀況，修建了大量的城市橋梁。由于國內交通環境復雜，車輛超限超載現象非常嚴重，載超限車輛的運行對現役城市橋梁工程安全造成嚴重威脅。曾經發生過2012年8月24日哈爾濱陽明灘大橋引橋坍塌事故，2011年7月19日北京懷柔區白河大橋坍塌等嚴重事故，危害人民生命財產安全。目前，我國在橋梁工程中注重設計及施工過程中的安全防護手段，對于現役橋梁工程使用階段的檢測還沒有得到重視。當前使用的一些檢測手段主要從日常外觀巡查，靜載實驗、動載實驗、無損檢測等方面進行。這些方法要么實時檢測發現橋梁的損害或者存在檢測實驗復雜、費用高、影響交通等方面的問題。現役橋梁工程逐年的增加，如何保證橋梁安全使用，對橋梁管理部門提出巨大的挑戰。所以急需采用一種技術手段解決橋梁工程的日常檢修，保證橋梁工程的安全性及耐久性有著重要的工程意義，所以智能混凝土的應用就有著重大的社會效益。

1 智能混凝土簡介

從19世紀混凝土發明以來，建筑結構形式經歷了從普通混凝土、復合材料混凝土、智能混凝土的發展歷程。由于傳統混凝土存在抗裂性能差、自重大、難修復等問題，人們逐漸開發了新型混凝土如透水混凝土、清水混凝土、生態混凝土、泡沫混凝土等種類。但對于混凝土的智能化研究還在初級階段，目前，信息化、大數據、云平臺等智能技術的迅猛發展，混凝土作為現階段土木工程的主要材料。如何使其具備智能化的研究和開發，也成為混凝土研究者關注的熱點的。智能混凝土作為混凝土材料發展的高級階段，混凝土采用最新技術的研究也日益優化，利用現階段最新技術使混凝土智能化也是科技進步的體現。智能混凝土是指在原有組分基礎上復合智能型組分,使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應、自修復特性的多功能材料。根據這些特性可以有效的預報混凝土材料使用過程中的內部損傷，滿足結構自我安全檢測及修復功能，能顯著提高混凝土的結構耐久性及安全性。根據所復合的智能型組分的不同,智能混凝土主要分為碳纖維混凝土、光纖維混凝土、形狀記憶合金混凝土及其它一些有特殊功能的混凝土。

2 智能混凝土的種類及性能[1-9]

2.1 損傷自診斷混凝土

普通混凝土沒有自感知能力，混凝土受損后不能及時發現，必須通過定期檢測或嚴重破壞時才能被發現。目前研究應用較多損傷自診斷混凝土主要分為兩大類，根據復合材料的不同主要分為碳纖維和光纖維智能混凝土。碳纖維智能混凝土是在普通混凝土基材中復合短切碳纖維制備而成，見圖1、圖2。碳纖維可以顯著提高混凝土的強度和韌性，并能增大混凝土的導電性能。根據研究，碳纖維混凝土在結構受外力作用階段，混凝土的電阻率的變化和內應力變化呈現線性狀態。普通混凝土的導電性能和受力狀態則沒有線性相關性，當構件達到極限狀態時，電阻率是突然增大的。根據碳纖維混凝土的電阻率和內應力變化的線性特性，通過實時測試碳纖維混凝土所處的受力狀態，可以動態對結構工作狀態進行監測。光纖混凝土是把光纖維傳感器陣列直接埋入普通混凝土中而得到的智能混凝土。光在光纖中傳導過程易受到外界因素的影響，如溫度、壓力等外界因素對光的強度、相位、頻率等光波量產生影響。根據監測系統實時收集的光的變化信息，可以監測混凝土結構內部應力及裂縫的變化程度，實現和混凝土的自診斷能力。目前國內外對于損傷自診斷混凝土都有應用案例，如加拿大的BeddingtonTrai雙跨度公路橋結構受力狀態監測，蕪湖長江大橋長期監測與安全評估系統等都采用了自診斷智能混凝土技術。

圖1 短切碳纖維

圖2 碳纖維智能混凝土

2.2 自調節混凝土

自調節混凝土具有電力效應和電熱效應等性能。混凝土結構能和普通混凝土一樣正常負荷外，他還能在結構受到超限負荷時，能夠減緩結構損害和調整承載能力。通過在普通混凝土中埋入形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloys,簡稱SMA），使混凝土具有形狀記憶及超彈性能力。在混凝土受到突然異常荷載時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土內部應力重分布并產生預壓應力，從而提高混凝土結構的承載能力及耐久性能。現階段形狀記憶合金混凝土主要用來研究試驗減去地震災害。自調節混凝土的另外一種形式主要是改變環境狀態，通常是在混凝土配制過程中加入沸石粉，具有可以自動調節環境濕度的功能。通過選擇不同類型的沸石粉，可以制成符合實際應用需要的自動調節環境濕度的智能混凝土，目前主要在民用建筑中應用較多。

2.3 自修復混凝土

自修復混凝土主要是結構受到損害后，通過自修復和再生恢復混凝土性能的新型混凝土，主要類型分為主動式修復和被動式修復兩大類。主動式修復在混凝土中預埋裂紋感知系統和修復體（形狀記憶合金、空芯光纖修復技術等），當混凝土在外部荷載或其他因素的影響下損壞時，傳感器能及時感應并確定受損部位，同時把收集的信息傳送到控制中心，控制系統發出修復指令，釋放混凝土修復劑對受損部位進行修復。被動式修復是在混凝土中加入一些含有液態修復劑的特殊材料（液芯式纖維、修復微膠囊等），當混凝土受到損傷時，結構變形將預埋于內部的修復材料拉裂釋放修復劑進行自我修復。

2.4 高阻尼混凝土

在普通混凝土中復合高阻尼材料，提高混凝土的阻尼比，從而能有效提高混凝土結構的抗震性能。材料阻尼比的提高，能在結構受振動過程中消散能量。材料自身的阻尼比是消散能量的主要原因，提高材料的阻尼比，可以提高結構的抗震性能，從而避免外加裝置的使用與維修問題。

3 智能混凝土在城市橋梁中的應用前景

目前智能混凝土主要在大型土木水利工程、大跨度橋梁結構、核電站及機場等工程中應用，在城市橋梁中還沒有推廣使用。但現階段城市橋梁工程主要存在以下問題：（1）城市橋梁工程區別于普通的土木建筑工程，承受動荷載、沖擊荷載等外力作用，結構損害難以通過傳統檢測方法實時監測，傳統方法工作量較大。（2）城市橋梁結構處于露天環境，橋梁結構所遭受的惡劣的等外界環境因素，如化學腐蝕、風雨腐蝕等。（3）由于城市橋梁的特殊使用功能，現階段大中城市交通狀態日益擁堵嚴重，傳統橋梁日常檢測維護都必須封閉交通，導致交通擁堵。（4）橋梁工程結構安全要求較高，要在遭受自然災害時要能有足夠的抵抗能力，保證交通的暢通。（5）橋梁結構受損后修復難度大，通過外部補強措施施工難度大效果不好。智能混凝土具有自損監測、自我修復、高阻尼等特性，能有效解決目前城市橋梁中存在的問題，應用前景廣泛。

4 結語

智能混凝土可單獨或與傳統混凝土構成智能結構系統，在橋梁過程中有著很廣的應用前景。但目前研究還處于初級階段，大規模的推廣應用還存在一些問題：（1）目前智能混凝土的應用還處于單一功能階段，集自修復、自診斷、自調節一體的智能混凝土還有待研究開發。（2）智能混凝土施工工藝復雜，后期使用過程中需要特設設備。（3）智能混凝土的投入較普通混凝土高出很多，大范圍使用有一定困難。如果能解決以上存在的問題，智能混凝土一點能在橋梁工程中大放光彩。

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TB381,U444

：A

：1009-7716（2017）02-0138-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.042

2016-11-13

尹超（1983-），男，甘肅徽縣人，講師，從事土木工程施工方面研究工作。