智能混凝土

文章编号：１００９—９４４．１【２００２）Ｏｌ一０００８—０３　智能混凝土　口口李化建。，盖国胜　，黄佳木　．陈贤树　（１．清华大学材料系粉体研究室，北京２．重庆大学材料学院，重庆摘１０００８４　４０００４５）　复（ｓｅｌｆ—ｒｅｃｏｖｅｒ，）和自修复（ｓｅｌｆ—ｒｅｐａｉｒｉｎｇ）等　根　据加入混凝土中的机敏材料的不同，智能馄凝土可　分为碳纤维混凝土、光纤维混凝土、记忆合金混凝土　文献标识码：Ａ　要：论述了目前智能混凝土的种类、鲁能机理　理智能　方法　＝阐述了誓能　芭凝土　宴际毒义．丽测了智能混凝土　直用前景　关键词：智能混凝土；土本工程；碳纤维；电流变体；乏　乏喜垒　中国分类号：Ｔｕ　３１７；ｌ＇ｕ　５２８叭　以及电流变体混凝土　以下分别描述各类混凝土的　智能机理以及智能方法。　引言　土木工程结构和桥梁结构在使用过程中，由于　出现疲劳、损坏或遭遇突然的灾害，会造成财产损　１　碳纤维混凝土　碳纤维混凝土（ＣＦＲＣ）是在普通混凝土中分散　均匀地加入碳纤维而构成的．具有压敏性和温敏性　１．１　碳纤维混凝土的智能机理　失、危及人的生命安令，近几年国内外这类报道比比　皆是一对这种不安全隐患是否可以预测．引起了各　国科学家的思考。如果这些建筑材料能够像人一　洋．当疲劳的时候发出疲劳信号，并且会自动地进行　“体能恢复”．那样人们不仅不必为建筑物的安全所　颐虑，而且可以延长建筑Ｉ　程的使用寿命。２０世纪　从接触导电理论和碳纤维的特性对其进行智能　机理的分析　由于碳纤维是导电的，因而由碳纤维　之间的未水化的水泥颗粒、水化产物、裂纹等所形成　的势垒，构成一定的导电网络　在混凝土中掺入碳　纤维，可使混凝土的导电性能大大改善　掺入的碳　纤维在混凝土基质中出现相互关联的带电粒子通　８０年代中期，智能材料的概念提出后．有些科学家　就将这种智能思想引用到建筑材料中，当然作为建　筑物的大宗材料——混凝土更是科学家研究的热　点，于是就有了智能水泥混凝土的诞生　道，通过电极施加电场时，电子沿通道运动而具有导　电性。另外，随着压应力的变化，碳纤维本身的电阻　智能材料（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）是指模仿生命　系统、能感知环境变化，并能及时地改变自身的一种　或多种性能参数，做出所期望的、能与变化后的环境　相适应的复合材料或材料的复合　而智能混凝　是　率随之变化　因此，碳纤维混凝土的电阻率也会随　着压力的变化而变化。这就是碳纤维混凝土的压敏　性　图１是碳纤维混凝土压应力与电阻率的关系曲　线，此曲线可分为３个阶段当压力较４，Ｎ，ＡＢ段　电阻率随压应力的减小而增大．这是由于混凝土中　原有的裂纹在压应力下闭合、纤维间势垒变窄所致．　这是混凝土的正常工作范围．．在ＢＣ段处于一种动　将机敏材料融合到混凝土中．可使混凝土构件具有　智能材料的“Ｓ特性”．即自诊断（ｓｅｌｆ—ｄｉａｇｎｏｓｉｓ１、　自调整（ｓｅｌｆ—ｔｕｎｉｎｇ）、白适应（ｓｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅ）、Ｅ】恢　ＳＨＩ　Ｙｏｎｇ—ｙｉｎｇ　ａｎＭｙｓｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ．　Ｓｈａｎｘｉ　Ｆｉｎａｎｃｅ　ａｎｄ　（Ｅｃｏｎｏｍｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｏｌｌｅｇｅ．　Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ　Ｕｎｉｖｅ￣，＇ｓｉｔｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｓｈ；ｍｘｉ．０３００３　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎ￣ｔｕｒａｔｅｄ　ｒｅｓｉｎ；ｆｉｌｌｅｒ；ａｉｄ　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉ￣－ｌｃ，ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｔｌｅｒｅｎｔ　ｉｔｌｇｒｅｄｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｒｅｓｉｎ　ｐｕｔｔｙ　ａ　ｅｘｐｌａｉＪｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｉｓ　ｔ，ｆ　ｔｈｅｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｕｔｔｙ§ｐｅｒｌｂｒｍａｎｃｅ　ａｒ，Ｐ　作者简介：石永英（１９６６一），士，山西交城人．讲师，１９８８年　７月毕业于太原理工太学高分子村料专业，现肮事教学工　作　收稿日期：２００１—１１一】８　（编辑盛晋生）　Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　维普资讯 http://www.cqvip.com

态平衡，随着压力的增大，混凝土中开始出现损伤和　新的裂纹，而原有的裂纹还在闭合之中　此阶段电　阻率基本上没有变化，而混凝土材料已开始出现损　伤、随着压力的继续增大，曲线进人ＣＤ段，此阶段　混凝土的损伤和新的裂纹加剧，碳纤维混凝土的电　阻率迅速增大　图２碳纤维混凝土自诊断、自适应试验系统　形，从而导致通过光纤的光在强度、相位、波长及偏　振等方面发生变化。通过在混凝土结构中布设光纤　网络来监测结构各部位的应力和变形，即使是结构　上随机发生的裂缝，只要与光纤网络相交，就可通过　光时域反射仪对光纤中反射光的信息进行分析，从　而对裂缝进行定位。　图１碳纤维混凝土压应力与电阻率的关系　一一　　２　２光纤维混凝土的智能方法　１　２碳纤维混凝土的智能方法　通过电阻率的变化，可以确定碳纤维混凝土处　光纤传感器埋人混凝土结构中的关键是光纤的　埋人技术　将光纤埋入混凝土中时，界面之间应具　有良好的结合，所以、必须解决两个关键问题：一是　光纤埋人混凝土中时，不会因为填充物及机械震动　而受到损伤；二是在高碱度水泥糊剂的环境中，必须　具有化学耐久性　为此，可采用图３所示的光纤埋　人方法。图３（ａ）中，有金属保护管围绕纤维。在埋　于安全、损伤和破坏这三个阶段的哪一段　通过与　碳纤维相连的计算机，可直接反映所在结构部位混　凝土的工作状态，实现结构工作状态的在线监测。　当结构内的应力接近损伤区或破坏区时，可自动报　警。这种结构已经在长江三峡工地的围堰上使用，　并取得了较好的效果　碳纤维混凝土自诊断　自适　应试验系统如图２所示。　人时，先将管子安放到位，再将混凝土浇在上面。一　旦浇灌操作完毕，将金属管子缓慢移动抽出，离开内　部的纤维。这种方法的优点是可使水泥形成光滑界　面　图３（ｂ）中，有两个金属管在光纤两端，光纤可　在这两段金属套管中自由移动，金属封装应该采用　与混凝土膨胀系数相匹配的材料制成，以使残余温　度应力最小。在图３（ｃ）中，则利用绝缘垫片将无壳　纤维固定在钢筋上，而垫片不影响混凝土与纤维之　间的结合。　垫片　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。●。＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一　２光纤维混凝土　光纤维混凝土是将光纤机敏材料直接埋人混凝　土结构中，使混凝土具有白监测、白诊断的功能　２　１　光纤维混凝土的智能机理　｝当光纤维混凝土结构因受力或温度变化产生变　形和裂缝时，就会引起埋在混凝土中的光纤产生变　ｌ鞋　ｌ一　ＸＶＴ．一　冒　纤　混凝土　！二锯舫　　混凝土　图３光纤维的埋＾方法　ｓ形状记忆合金混凝土　将形状记忆合金埋入混凝土中易产生裂缝的部　位或构件，就可以制成以记忆合金为主导材料的自　建材技术与应用１／２００２　断３诊．１　喾　理　形状记忆合金（ＳＭＡ）巾的ＴｉＮｉ合金丝具有两　个特点：一是性能较稳定，电阻率较大，对应变敏感；　维普资讯 http://www.cqvip.com

二是能够产生较大的形状恢复应变　根据ＴｉＮｉ合　金丝的特点，将其放在混凝土构件中易产生裂缝的　部位，当混凝土产生裂缝时，ＴｉＮｉ丝应变加大，从而　导致其电阻的变化　由单片机测出的电阻值来确定　裂缝的张开值，再根据ＴｉＮｉ丝埋人的位置，就可确　定是哪根结构或何处发生裂缝。如果裂缝的张开值　超过预定的限值．单片机就会启动接通电流的装置，　料，可制成新型的传感器、电磁屏蔽材料以及电热元　件　参考文献：　１］张峰．建筑功能材料［Ｍ］北京：中国建筑工业出版社　２０００　１６—２８　［２　冯乃谦高强混凝土技术［Ｍ北京：中国建材工业出版　社，１９９２　６—８　通电对ＴｉＮｉ台金丝加温，至Ａ　温度以上，产生形状　恢复效应　此时，受到限制的ＴｉＮｉ合金丝就会对裂　缝施加压应力，迫使裂缝变小或合拢．实现裂缝的自　动控制。　［３］陶宝琪智能材料结构：Ｍ］北京：国防出版社，１９９７　４１９—４２８．　［４杨大智智能材料与智能系统［Ｍ天津：天津大学出版　社，２０００　４０４—４０９　３．２形状记忆合金混凝土的智能方法　（１）在混凝土易发生裂缝的部位或构件埋人进　［５　Ｊ吴思刚，黄义春．唐光裕，等智能水泥混凝土的实验研　究［Ｊ］．哈尔滨建筑大学学报，２００１，（４）：１２８—１２９　行预拉并保留残余应力的ＴｉＮｉ合金丝；　（２ｊ用单片机莱测定ＴｉＮｉ丝的电阻变化；　（３）根据单片机所测出的电阻值，单片机可以　对ＴｉＮｉ丝通电进行加热．使ＴｉＮｉ丝产生形状变形或　形状恢复。　６：何峰，张正义，汪武祥，等．新型材料一电流变液：Ｊ］功　能材荆，２００１．（Ｉ）：４—６　Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ＬＩ　Ｈｕａ—ｊｉａｎ　，ＧＥ　Ｇｕｏ—ｓｈｅｎｇ　，ＨＵＡＮＧ　Ｊｉａ　４电流变液混凝土　电流变液混凝土是将大量装有裂缝修补剂的空　／１３１１　．ＣＨＥＮ　Ｘｉａｎ—ｓｂｕ。　（１．Ｐｏｗｄｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｒｏｏｍ，Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ．　Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ．　１０００８４，　Ｃｈｉｎａ；　２．Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＣｈｏｎｇｑｉｎｇ，　．心纤维埋人混凝土中，制成自愈合混凝土。　４．１　电流变液混凝土的智能机理　４０００４５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｄｉｓｅｕｓｓｉｏｎ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅｓ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ａｎｄ　ａｌｓｏ　ａｎ　ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ　Ｏｉｌ　ｉｔｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ　ａｎｄ　ａ　ｆ　ｒｅｃａｓｔ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｆｕｔｕｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　电流变液（ＥＲ）在电场的作用下自身颗粒发生　极化，由于极化颗粒问产生静电引力而使颗粒排成　链状或柱状结构；当外电场高于某临界值时，流体状　态由液态变为固态，流体类型由牛顿流体变为宾汉　流体；当电场减弱或消失时，它又可以快速地恢复到　原始状态。将电流变液加入到空心纤维并埋人混凝　土中，当混凝土受到压力开裂时释放出粘结的修补　剂，从而将混凝土牢固地粘结在一起，防止混凝土的　开裂　利用电流变液的这种特性，可实现混凝土的　自愈台。　４．２　电流变液混凝土的智能方法　（１）将电流变液加人到空心纤维中；　（２）将这些空心纤维埋人混凝土中。　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ　ｅｏＪｌｒｃｌ￣ｔｅ；ｃｉｖｉｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｔ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｖａｒｉａｎｔ：ｍｅｍｏｒｙ，ａｌｌｏｙ　作者简介：李佗建ｆ１９７６一），男，安徽阜阳人，硕士研究生，　１９９９年７月半业于安徽建筑ｙ－业学院无机材料专业，现在　清华大学材料系粉体研究室从事湿法精密分级的研究　收稿日期：２００ｌ一０９—２８　（蝙辑●●●●●　●●●●●●●●●●●　●●●盛晋生）　●●●　５智能混凝土的应用前景　智能混凝土具有广泛的应用前景．在民用、桥梁　本刊变更为双月刊　经科学技术部国科财字　２００１］４５号文批准，本　刊自本期起改为双月刊，逢单月２５日出版。国内定　价：每期５元，全年３Ｏ元；国外定价：每期４美元，全　年２４美元。订阅者可直接汇款至杂志社或函索订　单　Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　上的应用研究正在不断地深入之中。相信在不久的　将来，这一新技术会在越来越多的应用场合发挥优　势　智能混凝土既可以用于土木工程结构的实时和　长期监控　及损伤评价．还可以用来监测车重和车　速。智能混凝土不仅是结构材料，同时也是功能材　１０