智能混凝土的研究和发展

【摘要】：智能混凝土作为一种新型建筑材料，是现代建筑材料与现代科技有机结合的产物,它使得传统混凝土迎来了一次技术上的革新。文章介绍了智能混凝土的发展历史和研究现状,指出了其应用过程中的常见问题，并展望了智能混凝土的发展趋势和应用前景。

【关键词】：智能混凝土;研发;应用

【 abstract 】 : intelligent concrete as a kind of new type building material, is the modern building materials and modern science and technology of the organic combination of product, it makes the traditional concrete ushered in a technical innovation. This paper introduces the development of intelligent concrete history and status, and points out the application process of the common problems and prospects the development trend of intelligent concrete and application in the future.

【 keywords 】 : intelligent concrete; Research and development; application

中图分类号：TU522.3+1 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

随着我国建筑水平的不断提高，建筑材料的制造技术也在不断进步，以混凝土制造为例，目前已经出现了高性能、高强度、多功能化甚至是智能混凝土，极大地推动了建筑技术的发展，然而也对混凝土的检测与修复方式提出了新的要求，传统的被动与计划模式已经不能满足现代化建筑对混凝土材料的要求。因此，为适应当前建筑行业结构与功能（智能）一体化的发展趋势，开发研究能够主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自恢复的智能混凝土是非常有必要的。

二、智能混凝土的历史简介

智能材料是近年来重点研究的一种材料，其定义为能感知环境条件并作出相应反应的材料。它模拟生命系统，具备感知和激励双重功能，当受到外界环境刺激时，它能够及时进行感知，就像生命系统一样，并作出相应回应，如自我诊断、自我调节修复，此外，还能够预测自己的使用寿命。智能混凝土以混凝土作为基础，并在其上复合智能组分，从而使其成为一种智能材料，这样混凝土就成为了具备自我感知、自我诊断、自我调节修复功能的多功能材料。智能混凝土能够自我检测预报混凝土内部的损伤，并根据检测结果进行自我修复，防止混凝土内部的损伤发展成为脆性破坏，这就提高了混凝土的使用寿命，也增加了混凝土的使用安全性，可见，推广使用具备特殊功能的智能混凝土，是建筑业发展的潜在要求。近年来，随着一些列智能混凝土的出现，如温度自调节混凝土、损伤自诊断混凝土、仿生自愈合混凝土等，为智能混凝土的进一步推广使用打下了坚实基础。

2.1自调节智能混凝土

随着近年来地震、台风等自然灾害的频发，人们希望研究出一种能够有效抵抗这些自然灾害的混凝土材料，具体来说，就是希望混凝土在提供正常负荷时，还能够调节承载能力和减缓结构振动，然而混凝土属于惰性材料，本身并不具备这些功能，但是如果复合具有驱动功能的组合材料，则可以实现自调节功能。目前比较常用的方法是在混凝土里面加入形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER），形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），简称记忆合金，对温度变化很敏感，它可以在加热升温后完全消除其在较低温度下发生的变形，恢复到其原来形态。混凝土中埋入形状记忆合金后，当有外界异常荷载作用时，形状记忆合金会发生相应的形状变化，从而引起混凝土内部的应力重新进行分布，产生一定预应力，使自身承载力增加。

博物馆、展览馆、美术馆等建筑对室内湿度的变化比较敏感。因此，这些地方需要严格控制湿度，传统的做法就是在室内安装大量的湿度传感器及其控制系统，既增加了布线的难度，也增加了成本维修费用。针对这个问题，日本研究人员研制出了一种可以自动调节环境湿度的智能混凝土材料，他们将沸石粉加入到混凝土里面，从而使得混凝土具备自动探测调节环境湿度的功能。其作用机理如下：沸石粉中含有大量孔隙为（3－9）X10-10 m的硅酸钙，可以选择性地吸附空气中的水分、N0x和S0x气体。根据实际应用需要，可以有选择性的在混凝土中加入相应种类的沸石。沸石混凝土特点如下：优先吸附水分；水蒸汽压力低的地方，吸湿能力更强；温度下降时，倾向于吸收湿度，而温度上升时，倾向于释放湿度。

2.2损伤自诊断混凝土

温敏性和压敏性是自诊断混凝土具备的两大功能，也就是说，该种智能混凝土自身能够感应外界温度和压力的变化，普通混凝土是不具备这两种功能的，以普通混凝土作为基材，加入特殊材料即可以成为损伤自诊断混凝土，这类材料如下：碳类、聚合物类、金属类、光纤。当前应用比较广泛的有光纤传感智能混凝土和碳纤维智能混凝土。

2.3自修复智能混凝土

混凝土施工时，经常会产生裂缝，使得混凝土强度下降，且空气中的各种腐蚀性气体如CO2、N0x、S0x会沿着裂缝进入到混凝土内部，腐蚀混凝土内的钢筋，加速混凝土的碳化，破坏混凝土结构，因此，及时检查和维修裂缝是很有必要的，然而对于用于危险品处理的混凝土设施和作为地下结构物的混凝土结构，难度很大。针对这个问题，研究人员开发了自修复混凝土，较好地解决了这个问题。自修复混凝土能够模仿生物组织的自修复功能，它能够像生物组织一样分泌一种特殊物质，自动修复混凝土受创部位。自修复混凝土以普通混凝土作为基材，加入特性组分，从而在内部形成智能型仿生自愈合神经系统，能够像生物组织一样，在出现损伤后，自动感知修复，恢复原样。常用的方法是将粘性材料加入到混凝土基材中，这样出现破损后，混凝土能够自动进行修复，不会影响材料的使用性能。

三、智能混凝土的应用现状

以上介绍的三种混凝土只是智能混凝土的初级应用形态，也叫机敏混凝土，它们是单一的智能混凝土，只具备某一种特殊功能，由于功能单一，实际应用时难以满足使用要求。为了全面发挥智能混凝土的优势，研究人员致力于开发研究具备两种以上特殊功能的智能组装混凝土。也就是说，以混凝土作为基材，根据实际需要有选择性地加入具备自调节、自感应、自修复功能的材料，并进行有序排列，从而使得混凝土能够同时具备两种以上的特殊功能，全面体现智能混凝土的优势。

智能混凝土作为一种新型功能材料，应用前景十分广泛，由于研究历史不长，其应用过程中仍然存在一系列亟待解决的问题。例如光纤混凝土最佳的光纤传感阵列排布方式，碳纤维混凝土的电极布置方式、电阻率稳定性以及耐久性，自愈合混凝土修复粘接剂的选用。以上问题如果能够很好地解决，则会对智能混凝土的推广应用产生深远影响，有鉴于此，特提出以下建议：

(1)有针对性地进行研发。研究人员应该事先调研混凝土性能和结构恶化破坏的成因、类别，然后有针对性地提出智能方法，彻底解决这些问题会比较困难，但是可以针对某一些最突出的问题，研发相适应的智能混凝土，这样，虽然智能混凝土智能化范围缩小了，但是仍然较好地解决了问题。

(2)提高智能混凝土应用可行性。混凝土的浇筑多在施工现场进行，智能混凝土投入现场使用后，要考虑到相应施工条件，为此其工艺技术要求不能偏高，最好是在原有工艺的基础上进行适当的修改，这样智能混凝土的施工工艺也不会过于复杂。此外，材料的选用应考虑使用的安全性，不能选用含有有害物质或者有刺激性气味的材料。

(3)研发应具有综合性。智能混凝土很难全面彻底解决混凝土出现的质量问题，一般混凝土中复合了某种特殊材料后，能够改善或者控制某种质量问题，但是也可能会因为新材料的加入而影响强度和耐久性等性能。因此，研发时，研究人员应该全面考虑这些问题，进行综合性权衡分析。

四．结语

智能混凝土作为新型建筑材料，为智能化建筑的发展提供了契机，随着智能混凝土技术的不断完善，混凝土材料的应用也必将更加广泛。

参考文献：

【1】刘光焰;秦荣;王晓峰，智能混凝土板的研究与应用，混凝土，2008-07

【2】李彦军;商建;尚伯忠，智能混凝土的研究，山西建筑，2009-02

【3】隋莉莉;刘铁军;娄鹏，混凝土技术的新进展——多功能智能混凝土，水利水电技术，2006-12

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。