智能混凝土在地下空間工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀*

孟 錚 李亦堯 李艷南 李景云 田云鵬 吳金花

（1.河北水利電力學(xué)院 土木工程系，河北 滄州 061000；2.河北省巖土工程安全與變形控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北水利電力學(xué)院)，河北 滄州 061000；3.滄州市巖土及地下工程安全與變形控制技術(shù)創(chuàng)新中心（河北水利電力學(xué)院），河北 滄州 061000）

混凝土是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一，傳統(tǒng)混凝土經(jīng)歷了普通結(jié)構(gòu)建材轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料，再發(fā)展革新為功能材料，這一階段性成果，滿足了人類物質(zhì)文明和現(xiàn)代建筑發(fā)展的需要。現(xiàn)如今，新興科技與新型材料的日益發(fā)展，使得現(xiàn)代社會(huì)的交通、社區(qū)、工廠等各個(gè)組分向著更加智能化、便捷化發(fā)展。混凝土材料智能化在土木工程中的應(yīng)用需求日趨顯著。在土木工程領(lǐng)域，把現(xiàn)代技術(shù)融入混凝土，以達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，這是現(xiàn)代混凝土的研究趨勢。地下空間工程作為土木工程中重要的組成部分，其特殊地位使得其對智能混凝土的需求也日益凸顯，基于地下空間工程的特點(diǎn)，論述了智能混凝土的特點(diǎn)及應(yīng)用，介紹了智能混凝土在地下空間工程中的應(yīng)用優(yōu)勢，展望了其發(fā)展趨勢。

1 智能混凝土概述

智能材料是一種可以感應(yīng)外界環(huán)境并做出相應(yīng)響應(yīng)的材料，可對周圍環(huán)境變化產(chǎn)生感知，并具有自我預(yù)警、自我診療、自我調(diào)控和自我修復(fù)等功能。智能混凝土是在普通混凝土原本的成分中添加新的組成材料，使其具備更多優(yōu)良性能。它可以模仿生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)使普通混凝土具有自我適應(yīng)和自我調(diào)整、自我修復(fù)等多種功能[1]。智能混凝土材料通過添加智能組分、外加劑等成分來調(diào)整常規(guī)混凝土材料中的不佳特性，更好發(fā)揮混凝土的性能優(yōu)勢[2]。

智能混凝土屬于智能材料的重要組成部分，其興起發(fā)展可溯源到20 世紀(jì)60 年代，蘇聯(lián)科學(xué)家初次試驗(yàn)以碳黑為導(dǎo)電組分，制成了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料[3]。1993年，在美國開設(shè)了關(guān)于新型智能材料研究與智能結(jié)構(gòu)的工廠[4]。新型混凝土的發(fā)展是當(dāng)代科技與建筑材料的相互a 融合，是傳統(tǒng)混凝土所無法比擬的，現(xiàn)有智能混凝土有損傷自診斷混凝土和自修復(fù)混凝土等。

損傷自診斷混凝土具有壓敏型和溫敏性等多種自感應(yīng)功能，并能根據(jù)特定的感知做出相應(yīng)的修復(fù)。普通的混凝土材料并無自我感知響應(yīng)的功能。現(xiàn)今建筑物中用的復(fù)合材料有陶瓷、碳、金屬和光纖等[5]。其中纖維狀碳化合物之一的碳纖維是通過有機(jī)纖維在惰性氣氛中高溫碳化而產(chǎn)出，其優(yōu)點(diǎn)有質(zhì)量低、強(qiáng)度高、抗疲勞性好、耐高溫性好、耐腐蝕性好及導(dǎo)電性好等。正因如此，溫阻性和壓敏性是碳纖維混凝土的兩個(gè)主要性質(zhì)，其中溫阻性是混凝土內(nèi)部溫差產(chǎn)生熱電性效應(yīng)的原因，電阻隨著溫度的變化而變化。利用溫阻性這一性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)對大體積混凝土溫度自監(jiān)控，在未來可能應(yīng)用于對溫度有高要求的建筑物，如預(yù)防火災(zāi)的混凝土結(jié)構(gòu)中[6]。光纖混凝土在其結(jié)構(gòu)中添加限位傳感器用來監(jiān)測混凝土的碳化程度，并監(jiān)測混凝土內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變趨勢，對損傷混凝土進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[7]。

混凝土結(jié)構(gòu)除承受上部恒荷載之外，還承受臺(tái)風(fēng)地震等可變荷載的負(fù)荷。在承受自然災(zāi)害等不可預(yù)料的荷載時(shí)，希望混凝土通過自我調(diào)節(jié)的功能來增大承載力，減緩混凝土結(jié)構(gòu)的開裂與震動(dòng)，自修復(fù)混凝土應(yīng)運(yùn)而生，它是一種具有自我調(diào)控和自我修復(fù)的新型混凝土。自修復(fù)混凝土是由水泥、水和粗細(xì)骨料等惰性材料按一定比例配合攪拌，經(jīng)一定時(shí)間硬化而成，電流變體(ER)和形狀記憶合金(SMA智能元件)等[8]的添加組分使其具備自我驅(qū)動(dòng)性能。自修復(fù)混凝土采用有修膠黏劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，是模仿自然生物受到創(chuàng)傷后自我愈合的機(jī)理，以達(dá)到自修復(fù)功能。如美國伊利諾伊斯大學(xué)的CarolynDry[9]在20 世紀(jì)90年代通過修膠黏劑和混凝土材料相復(fù)合的方法，粘結(jié)劑使用縮醛高分子溶液，注入空心玻璃纖維中，隨后置入普通混凝土中使其具備復(fù)生、自恢復(fù)能力。

微膠囊自修復(fù)混凝土是一種新型的自修復(fù)材料，由于微膠囊是一種球形的載體，它可以在任意位置與潛在損傷接觸，并在外界環(huán)境刺激下將其中的膠凝材料釋放出來，可以提高修復(fù)的準(zhǔn)確率，把修復(fù)材料存放在微膠囊中，對普通混凝土起到一定修補(bǔ)。膠囊的尺寸可以根據(jù)工程需要進(jìn)行調(diào)整，把修復(fù)劑放入微膠囊中無疑是對膠凝材料得最好保護(hù)。但是，修復(fù)材料應(yīng)當(dāng)完好無損地包裹進(jìn)膠囊里是關(guān)鍵。天津的圣工科技[10]發(fā)展有限公司利用微膠囊包裹瀝青再生劑及各種油料等，將其與瀝青成比例混合制備，以增強(qiáng)瀝青的自修復(fù)能力，達(dá)到延長瀝青老化和保護(hù)環(huán)境的效果。微膠囊自修復(fù)材料研發(fā)的新型瀝青產(chǎn)品可廣泛地應(yīng)用于各類防水瀝青及公路橋梁瀝青、核電設(shè)備、軍事基地設(shè)施等特殊領(lǐng)域中。徐晶等[11]將細(xì)菌與含乳酸鈣和谷氨酸鈣的營養(yǎng)物質(zhì)按照一定的配合比摻入普通砂漿試塊來達(dá)到自修復(fù)的目的。

2 智能混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀

自我調(diào)節(jié)和仿生是智能混凝土兩個(gè)非常重要的特點(diǎn)。智能混凝土可對建筑物的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行預(yù)先檢測，研究人員可根據(jù)檢測結(jié)果出具一系列報(bào)告，利用報(bào)告中的數(shù)據(jù)可以達(dá)到減少維護(hù)結(jié)構(gòu)所需要的費(fèi)用的目的。同時(shí)，智能混凝土還可防止因結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生的嚴(yán)重危害。普通混凝土中常添加的組分有水泥、水、砂、石和化學(xué)外加劑，而智能混凝土中加入了新的組分，改善了混凝土的一些使用性能，同時(shí)加入了一些功能型、智能型的添加物，提供了現(xiàn)在倡導(dǎo)的節(jié)能、綠色生態(tài)等功能。因此，智能混凝土在建筑中有著非常實(shí)用的作用。

電堿屏蔽混凝土可以改善混凝土的使用性能，延長建筑物的使用壽命；調(diào)濕混凝土是在普通混凝土的基本組成條件下加入了納米組分的天然沸石粉，由于傳統(tǒng)的方法是采用溫度、濕度感應(yīng)器調(diào)控室內(nèi)溫度，因此，采用調(diào)濕混凝土能顯著降低建筑造價(jià)；透水混凝土具有良好的透水性，此外較大的透氣面積可以較好地控制環(huán)境的溫度和濕度，降低了城市熱島效應(yīng)發(fā)生的頻率，為植物生長提供了良好的環(huán)境，地下水位有了較為持久的穩(wěn)定[12]；抗菌混凝土是在普通混凝土原有組分的基礎(chǔ)上添加防止產(chǎn)生霉菌的納米組分材料，這樣即使在較為潮濕的環(huán)境條件下混凝土的功能也能得到很好的發(fā)揮[13]；凈水生態(tài)混凝土可以凈化水質(zhì)，并提供生物棲息地，保證了凈化淡水資源和海水資源的同時(shí)也可以提供一定的景觀效果[14]；凈化空氣混凝土是在普通混凝土基本組分的基礎(chǔ)上加入二氧化鈦，這樣在有陽光照射和雨水沖刷時(shí)，危害空氣的物質(zhì)將被分解，它的作用機(jī)理是形成光催化混凝土；再生混凝土是回收再利用廢棄的混凝土替代天然骨料，配制出新型混凝土，這種混凝土的出現(xiàn)大大減少了城市垃圾；溫度自監(jiān)控混凝土可以對建筑內(nèi)部和周圍進(jìn)行溫度測量，大體積的混凝土尤其會(huì)因?yàn)闇囟鹊募眲∽兓a(chǎn)生溫度裂縫，因此對大體積混凝土實(shí)施溫度監(jiān)測是至關(guān)重要的。

3 智能混凝土在地下空間工程中的應(yīng)用

當(dāng)今，隨著我國越來越向城市化進(jìn)程邁進(jìn)，造成了土地資源緊缺，尤其是制約了城市的發(fā)展。于是，為有效緩解交通擁堵問題，人們將目光轉(zhuǎn)向了地下，尋求可以提高城市防災(zāi)能力和改善地面環(huán)境的途徑。在未來，我們應(yīng)學(xué)會(huì)科學(xué)利用地下空間，探求地下空間的新發(fā)展。受地質(zhì)、水文等因素影響，地下工程施工環(huán)境十分復(fù)雜，較大的工程施工難度，較高的投資成本，對將來城區(qū)地下工程的施工提出了新的挑戰(zhàn)。相比于地上空間，地下空間有著其獨(dú)特之處：溫度恒定，絕熱和蓄熱功能良好；對于地震的沖擊、核輻射、放射性污染有較高的防護(hù)性；封閉功能容易得到滿足，具有良好的遮蔽性和隔音性；相對隔離的地下環(huán)境使地下空間溫度相對穩(wěn)定。

舉世矚目的港珠澳大橋，作為一座跨海橋梁，施工難度大，高溫、高濕、多鹽的水下條件對混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、耐腐蝕性提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的混凝土材料抗拉能力弱，易裂縫，為解決此問題，利用納米材料在納米尺度上做了改進(jìn)，有機(jī)聚合物的加入可以促進(jìn)硅酸鹽凝膠成網(wǎng)，這樣混凝土的抗拉強(qiáng)度也有了明顯的提高。在水凝膠單體中加入水泥基材料，大大提高了抗拉強(qiáng)度。有機(jī)與無機(jī)交混的納米復(fù)合材料可有效調(diào)節(jié)混凝土水化時(shí)釋放的熱量，有效改善混凝土使用中出現(xiàn)裂縫的情況，進(jìn)而提高混凝土的持久性，延長混凝土的使用壽命。

北盤江特大橋應(yīng)用了能自己流動(dòng)均勻的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土，相比于傳統(tǒng)的滾筒工具振蕩混凝土，這種智能混凝土保證了施工質(zhì)量，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行更為高效，避免了橋梁空洞的問題。伊朗研制出一種在砂子和水泥的基礎(chǔ)上混合石英砂和各種纖維的超高性能混凝土，它不僅能抵抗較大的壓迫，而且更柔韌、耐用。

白鶴灘水電站右側(cè)地下洞室群體存在片幫、巖爆、崩塌、巖化、泥化、風(fēng)化等問題，該工程采用了低熱硅酸鹽水泥混凝土，由于其具有放熱速率慢、強(qiáng)度增進(jìn)速率慢等特點(diǎn)，可以減少開裂現(xiàn)象。此外，壩體澆筑的混凝土中還埋設(shè)了溫度傳感器和循環(huán)冷卻水管，冷卻水直接供應(yīng)到溫度升高的地方，進(jìn)行無死角地降溫處理。

4 總結(jié)與展望

相比于普通混凝土，智能混凝土具有更多優(yōu)勢，智能混凝土可以對臺(tái)風(fēng)、地震等做出監(jiān)測和評(píng)估，并在建筑構(gòu)件出現(xiàn)裂縫之后，可自行調(diào)節(jié)與修復(fù)，不僅提高建筑物的安全性，還大大增加了其耐久性。智能混凝土研究還處于初級(jí)階段，缺少在工程中的應(yīng)用，尤其表現(xiàn)在智能元件與混凝土的連接性，修復(fù)混凝土的可靠性等，這為今后研究指明了方向。深入研究使智能混凝土更能適應(yīng)當(dāng)代需求，更能滿足工程需要，使建筑材料煥發(fā)出新的活力，將為國家節(jié)省大量建設(shè)成本，為建筑領(lǐng)域做出了卓越的貢獻(xiàn)。