[摘　要] 　混凝土是現(xiàn)代最主要的建筑材料,但其功能單一、技術含量低、耐久性差的特點嚴重制約了混凝土材料的發(fā)展,因此在混凝土材料中復合一些特殊材料,使之具有某些特殊功能,機敏混凝土就是這樣一種具有感知和修復性能的智能混凝土,是在混凝土原有的組成基礎上摻加復合智能型組分,使其具有一定的自感知、自適應和損傷自修復等智能特性的多功能材料。

[關鍵詞] 　機敏混凝土;自感知;自適應;自修復

1 　引言

    機敏混凝土是一種具有感知和修復性能的混凝土,是智能混凝土的初級階段,是混凝土材料發(fā)展的高級階段。智能混凝土是在混凝土原有的組成基礎上摻加復合智能型組分, 使混凝土材料具有一定的自感知、自適應和損傷自修復等智能特性的多功能材料,根據(jù)這些特性可以有效的預報混凝土材料內(nèi)部的損傷,滿足結(jié)構(gòu)白我安全檢測需要,防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在的脆性破壞,能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。近年來,損傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機敏混凝土的相續(xù)出現(xiàn)為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅實的基礎。

2 　機敏混凝土的發(fā)展概況

    智能混凝土是智能材料的一個研究分支,20 世紀60 年代,前蘇聯(lián)學者開始研究混凝土的復合功能,采用碳黑為導電組分制備了水泥基導電復合材料。20 世紀80 年代末,日本土木工程界的研究人員設想并著手開發(fā)構(gòu)筑高智能結(jié)構(gòu)的所謂“對環(huán)境變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。20 世紀90 年代初,日本建設省研究所曾與美國國家科學基金會合作研制了具有調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)承載力的自調(diào)節(jié)混凝土材料,使混凝土具有某些記憶功能。日本學者H. Hiarshi 采用在水泥基材內(nèi)復合內(nèi)含粘結(jié)劑的微膠囊(稱為液芯膠囊) 制成具有自修復智能混凝土。美國伊利諾伊斯大學的Carolyn Dry 采用在空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑,制成具有自修復智能混凝土。1993 年美國開辦了與土本建筑有關的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。在寒冷地區(qū),基于碳纖維混凝土的道路及橋梁路面的自適應溶雪和融冰系統(tǒng)的智能混凝土研究已經(jīng)在歐美等國家展開,并取得了一定的進展。

    同濟大學等國內(nèi)高等院校曾在混凝土材料中復合壓電陶瓷來研制自調(diào)節(jié)混凝土材料,并且取得了某些成果;在研制自修復智能混凝土的思路是綜合了自然愈合、基體增強和有機物釋放等機制,在混凝土材料組分中復合活性無機摻和料、微細低彈模纖維和有機化合物,從而在混凝土內(nèi)部形成自增強、自愈合網(wǎng)絡,使混凝土裂縫重新愈合,恢復甚至提高混凝土材料的性能;調(diào)整有機物的摻量,可實現(xiàn)對混凝土材料微裂縫的自行多次愈合。

      同濟大學混凝土材料研究實驗室正在研究的仿生自診斷和自修復智能混凝土是模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡對創(chuàng)傷的感知和生物組織對創(chuàng)傷部位愈合的機能,在混凝土傳統(tǒng)組分中復合特殊組分(如仿生傳感器、含粘結(jié)劑的液芯纖維等) ,使混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自診斷、自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。當混凝土材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷時,仿生傳感器可以及時預警;當內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋時,部分液芯纖維破裂,粘結(jié)劑流出深入裂縫,使混凝土裂縫重新愈合,恢復并提高混凝土材料的性能, 可實現(xiàn)對混凝土材料的自動診斷實時檢測和及時修復,確保混凝土結(jié)構(gòu)的安全性,延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 　目前機敏混凝土所具有的智能特性

      目前智能混凝土研究處于初級階段,具有自診斷、自調(diào)節(jié)和損傷自修復等性能,并且這些性能在一種混凝土結(jié)構(gòu)中不能全部體現(xiàn)出來,只是初步具有某一種智能(確切的說是一種反應性能) 特性。

3. 1 　自診斷智能混凝土

      自診斷智能混凝土具有壓敏性和溫敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感應功能,但在混凝土基材中摻入部分導電相組分制成的復合混凝土可具備自感應性能。目前常用的導電組分可分為三類:聚合物類、碳類和金屬類, 而最常用的是碳類和金屬類。碳類導電組分包括石墨、碳纖維及碳黑;金屬類材料則有金屬微粉末、金屬纖維、金屬片、金屬網(wǎng)等。

3. 1. 1 　自診斷智能混凝土的壓敏性

      碳纖維是一種高強度、高彈性且導電性能良好的材料。在水泥基材料中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強度和韌性,而且其物理性能,尤其是電學性能也有明顯的改善,可以作為傳感器并以電信號輸出的形式反映自身受力狀況和內(nèi)部的損傷程度。碳纖維水泥基材料在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力的彈性階段其電阻變化率隨內(nèi)部應力線形增加,當接近構(gòu)件的極限荷載時,電阻率逐漸增大,預示構(gòu)件即將破壞;而基準水泥基材料的導電性能幾乎無變化,直到臨近破壞時,電阻變化率劇烈增大,反應了混凝土內(nèi)部的應力－應變關系。根據(jù)在水泥基材料中摻入碳纖維混凝土復合材料在受力時的電阻變化與所受荷載呈現(xiàn)的這種線性關系,可以掌握其內(nèi)部的應力－應變關系,該機敏性反映了內(nèi)部損傷狀況的豐富信息;據(jù)此可以敏感有效的監(jiān)測拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動態(tài)荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況。

3. 1. 2 　自診斷智能混凝土的溫敏性

      碳纖維混凝土除具有壓敏性外,還具有溫敏性,即溫度變化引起電阻變化(溫阻性) 及碳纖維混凝土內(nèi)部的溫度差會產(chǎn)生電位差的熱電性(Seebeck 效應) 。不同纖維摻量的混凝土的溫阻試驗表明,在初始階段,隨溫度的升高,均出現(xiàn)負溫度系數(shù)NTC(negative temperature coefficient) 效應,即電阻率隨溫度的提高而下降;當溫度達到某一臨界溫度時,不含碳纖維的混凝土其電阻率出現(xiàn)一個平臺,隨溫度無明顯改變, 而含有碳纖維的水泥基材料,則出現(xiàn)正溫度系數(shù)PTC(positive temperature coefficient) 效應,即電阻率隨溫度的升高而逐漸提高。碳纖維混凝土的這種溫阻現(xiàn)象可以實現(xiàn)對大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及熱敏元件和火警報警器等,可望應用于有溫控和火災預警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。

3. 2 　自調(diào)節(jié)機敏混凝土

      自調(diào)節(jié)機敏混凝土具有電力效應和電熱效應等性能。F. H. Wittmann 在1973 年首先研究了力電(由變形產(chǎn)生電) 、電力(由電產(chǎn)生變形) 效應。F. H. Wittmann 在做水泥凈漿小梁彎曲時,通過附著在梁上下表面的電極可檢測到電壓,且對其逆反應———電力效應進行了研究,發(fā)現(xiàn)梁產(chǎn)生彎曲變形,改變電壓的方向時,彎曲的方向也發(fā)生相應的變化。

      20 世紀90 年代初,日本建設省研究所曾與美國國家科學基金會合作研制了具有調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)承載力的自調(diào)節(jié)混凝土材料,該方法是在混凝土中埋入形狀記憶合金,利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復相應形狀的功能,在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載干擾下,通過記憶合金形狀的變化,使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力重分布并產(chǎn)生一定的預應力,從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

      碳纖維混凝土具有電熱(由電產(chǎn)生熱) 、電力(由電產(chǎn)生變形) 等效應,因此結(jié)構(gòu)可對自身進行溫度調(diào)節(jié),可針對由于溫度所產(chǎn)生的應力和變形進行調(diào)節(jié),對自身的變形在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。國內(nèi)研究表明,碳纖維混凝土具有良好的導電性,且通電后其發(fā)熱功率十分穩(wěn)定?？捎闷潆姛嵝獊韺炷谅访鏄蛎婧蜋C場跑道等結(jié)構(gòu)進行融雪化冰等。在寒冷地區(qū),基于碳纖維混凝土的道路及橋梁路面的自適應溶雪和融冰系統(tǒng)的智能混凝土研究已經(jīng)在歐美等國家展開,并取得了一定的進展。

      機敏混凝土的力電效應、電力效應是基于電化學理論的可逆效應,因此將電力效應應用于混凝土結(jié)構(gòu)的傳感和驅(qū)動時,可以在一定范圍內(nèi)對它們實施變形調(diào)節(jié)。例如,對于平整度要求極高的特殊鋼筋混凝土橋梁,可通過機敏混凝土的電熱和電力自調(diào)節(jié)功能進行調(diào)節(jié)由于溫度自重所引起的蠕變;機敏混凝土的熱電效應使其可以方便的實時檢測建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化,并利用電熱效應在冬季控制建筑物內(nèi)部環(huán)境的溫度,可極大的促進智能化建筑的發(fā)展。

3. 3 　自修復機敏混凝土

      混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中,大多數(shù)結(jié)構(gòu)是帶縫工作的。含有微裂紋的混凝土在一定的環(huán)境條件下是能夠自行愈合的,但自然愈合有其自身無法克服的缺陷,受混凝土的齡期、裂紋尺寸、數(shù)量和分布以及特定的環(huán)境影響較大,而且愈合期較長,通常對較晚齡期的混凝土或當混凝土裂縫寬度超過了一定的界限,混凝土的裂縫很難愈合。

      國內(nèi)的研究表明,摻有活性摻和料和微細有機纖維的混凝土破壞后其抗拉強度存在自愈合現(xiàn)象;國外研究混凝土裂縫自愈合的方法是在水泥基材料中摻入特殊的修復材料,使混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生損傷時,修復材料(粘結(jié)劑) 進行恢復甚至提高混凝土材料的性能。

      美國伊利諾伊斯大學的Carolyn Dry 采用在空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑,埋入混凝土中,制成具有自修復智能混凝土。當混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生損傷時,空心玻璃纖維中的粘結(jié)劑流出愈合損傷,恢復甚至提高混凝土材料的性能。日本學者H. Hiarshi 采用在水泥基材內(nèi)復合內(nèi)含粘結(jié)劑的微膠囊(稱為液芯膠囊) 制成具有自修復智能混凝土。一旦混凝土材料出現(xiàn)損傷裂紋時,該裂紋附近的部分由于拉力作用而使部分膠囊破裂,凝結(jié)液流出, 使損傷處重新粘合,達到自愈合的效果。但存在空心纖維或膠囊的制備與混凝土材料共同攪拌而不破碎、修復材料的時效和多次愈合的可行性等一系列問題。

4 　結(jié)語

      機敏混凝土是智能化時代的產(chǎn)物,將先進的機敏混凝土材料融入到土木基礎設施的安全系統(tǒng),實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復和抗震減振的智能化結(jié)構(gòu),提高結(jié)構(gòu)性能,綜合利用有限的建筑空間,減少和節(jié)省運行和維修費用,對延長結(jié)構(gòu)的壽命、提高安全性和耐久性都有重要意義。

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