智能混凝土的研究現(xiàn)狀

摘要:智能混凝土是現(xiàn)代建筑材料與現(xiàn)代科技相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)混凝土材料發(fā)展的高級階段?；仡欀悄芑炷恋陌l(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，并展望智能混凝土的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

   關(guān)鍵詞:智能混凝土；自感應(yīng)混凝土；自調(diào)節(jié)混凝土；自修復(fù)混凝土

   混凝土作為最主要的建筑材料，經(jīng)歷了漫長的從普通的結(jié)構(gòu)材料———復(fù)合材料———功能材料的發(fā)展過程，而每一個發(fā)展階段都凝聚了時代科技進(jìn)步的成果，并順應(yīng)了人們物質(zhì)和精神生活的需要。目前，隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)和材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，促使社會及其各個組成部分，如交通系統(tǒng)、辦公場所、居住社區(qū)等等向智能化方向發(fā)展?；炷敛牧献鳛楦黜?xiàng)建筑的基礎(chǔ)，其智能化的研究和開發(fā)自然成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。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(jī)敏混凝土的相繼出現(xiàn)為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。作為混凝土材料發(fā)展的高級階段，智能混凝土的研究和開發(fā)方興未艾，本文系統(tǒng)總結(jié)了近10年來智能混凝土的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，并對其今后的發(fā)展趨勢提出若干看法和設(shè)想。

   1智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

   智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料。智能混凝土是智能材料的一個研究分支，其起源可追溯到本世紀(jì)60年代，當(dāng)時蘇聯(lián)學(xué)者首先采用碳黑為導(dǎo)電組分嘗試制備了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。80年代末，日本土木工程界的研究人員設(shè)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。

   1993年在國家自然科學(xué)基金資助下，美國開辦了與土木建筑有關(guān)的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。然而，正如上面所述，智能混凝土材料是自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)等多種功能的綜合，缺一不可，以目前的科技水平，制備完善的智能混摘要:智能混凝土是現(xiàn)代建筑材料與現(xiàn)代科技相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)混凝土材料發(fā)展的高級階段?；仡欀悄芑炷恋陌l(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，并展望智能混凝土的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

   1.1自感應(yīng)混凝土

   混凝土材料本身并不具備自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分導(dǎo)電相可使混凝土具備本征自感應(yīng)功能。目前常用的導(dǎo)電組分可分3類:聚合物類、碳類和金屬類，其中最常用的是碳類和金屬類。碳類導(dǎo)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。如美國的D.D.L.Chung等在1989年首先發(fā)現(xiàn)將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入混凝土材料中，可以使材料具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。通過對材料的宏觀行為和微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對應(yīng)的，如電阻率的可逆變化對應(yīng)于可逆的彈性變形，而電阻率的不可逆變化對應(yīng)于非彈性變形和斷裂。而且這種復(fù)合材料可以敏感有效地監(jiān)測拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動態(tài)荷載作用下材料的內(nèi)部情況。當(dāng)在水泥凈漿中摻加0.5%(體積)的碳纖維時，它作為應(yīng)變傳感器的靈敏度可達(dá)700，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，無論是在拉伸或是壓縮狀態(tài)下，碳纖維混凝土材料的體積電導(dǎo)率會隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應(yīng)用這一現(xiàn)象對混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測。通過標(biāo)定這種自感應(yīng)混凝土，研究人員能決定阻抗和載重之間的關(guān)系，由此可確定以自感應(yīng)混凝土做的公路上車輛的方位、重量和速度等參數(shù)，為交通管理的智能化提供了材料基礎(chǔ)。

   含有碳纖維的混凝土還會產(chǎn)生熱電效應(yīng)(Seebeck效應(yīng))。在最高溫度為70℃、最大溫差為15℃的范圍內(nèi)，溫差電動勢E與溫差△t之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到一臨界值時，其溫差電動勢率有極大值，且敏感性較高。因此可以利用這種材料實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化的實(shí)時監(jiān)控。

   將短切碳纖維加到混凝土中的額外費(fèi)用將提高大約30%，但與粘貼或埋入傳感器的做法相比仍然非常便宜，而且除了自感應(yīng)功能外，這種混凝土材料還可應(yīng)用于工業(yè)防靜電結(jié)構(gòu)、公路路面、機(jī)場跑道等處化雪除冰、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的陰極保護(hù)、住宅及養(yǎng)殖場的電熱結(jié)構(gòu)等。此外，采用高鋁水泥和石墨、碳纖維等耐高溫導(dǎo)電組分可以制備出耐高溫的混凝土材料，用作新型發(fā)熱源。

   1.2自調(diào)節(jié)混凝土

   混凝土結(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外，人們還希望它在受臺風(fēng)、地震等自然災(zāi)害期間，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動。混凝土本身是惰性材料，要達(dá)到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動功能的組件材料。90年代初，日本建設(shè)省建筑研究所曾與美國國家科學(xué)基金會合作研制了具有調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)承載能力的自調(diào)節(jié)混凝土材料。其基本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(fù)相應(yīng)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，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。近年來，同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也曾嘗試在混凝土中復(fù)合電粘性流體(一種在外界電場作用下可產(chǎn)生粘性、塑性和彈性等流變性能雙向變化的懸膠液)來研制自調(diào)節(jié)混凝土材料。利用電粘性流體的電—流變效應(yīng)，在混凝土結(jié)構(gòu)受地震或臺風(fēng)襲擊時調(diào)整其內(nèi)部的流變特性，改變結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼特性以達(dá)到減振的目的。有些建筑物對其室內(nèi)的濕度有嚴(yán)格的要求，如各類展覽館、博物館及美術(shù)館等。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的濕度控制，往往需要許多濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復(fù)雜的布線等，其成本和使用維持的費(fèi)用都較高。日本學(xué)者研制的自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土材料自身即可完成對室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需求對其進(jìn)行調(diào)控。這種為混凝土材料帶來自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。其機(jī)理為:沸石中的硅鈣酸鹽含有3×10-10～9×10-10m的孔隙，這些孔隙可以對水分、NOx和SOx氣體選擇性吸附。通過對沸石種類進(jìn)行選擇(天然的沸石有40多種)，可以制備符合實(shí)際應(yīng)用需要的自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合材料，它具有如下特點(diǎn):優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓低的地方，其吸濕容量大；吸放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。這種材料已成功用于多家美術(shù)館的室內(nèi)墻壁，取得非常好的效果。

   1.3自修復(fù)混凝土

   自修復(fù)混凝土是模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采用粘接材料和基材相復(fù)合的方法，對材料損傷破壞具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。日本學(xué)者將內(nèi)含粘接劑的空心膠囊摻入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下發(fā)生開裂，空心膠囊就會破裂而釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑流向開裂處，使之重新粘結(jié)起來，起到愈傷的效果。美國伊利諾伊斯大學(xué)的Caro1ynDry在1994年采用類似的方法，所不同的是以玻璃空心纖維替代空心膠囊，其內(nèi)注入縮醛高分子溶液作為粘接劑。在此基礎(chǔ)上，Caro1ynDry還根據(jù)動物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，嘗試制備仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥(含有單聚物)為基體材料，其中加入多孔的編織纖維網(wǎng)，在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。因此，在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)，它們互相穿插粘結(jié)，最終形成的復(fù)合材料是與動物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機(jī)有機(jī)相結(jié)合的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度及延性等性能。而且，在材料使用過程中，如果發(fā)生損傷，多孔有機(jī)纖維會釋放高聚物，愈合損傷。

   2智能混凝土的研究現(xiàn)狀

   前面所述的自感應(yīng)混凝土、自調(diào)節(jié)混凝土和自修復(fù)混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只是具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡化形式，因此有人也稱之為機(jī)敏混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發(fā)揮智能的作用，目前人們正致力于將2種或2種以上功能進(jìn)行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。智能組裝混凝土材料是將具有自感應(yīng)、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)組件材料等與混凝土基材復(fù)合，并按照結(jié)構(gòu)的需要進(jìn)行排列，以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化。

   當(dāng)前較為典型的研究熱點(diǎn)是自診斷、自愈合智能混凝土材料。該材料是混凝土中埋入形狀記憶合金(SMA)絲和液芯光纖，從而在混凝土中形成密集分布的自診斷、自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)。激光管發(fā)出的光通過耦合器進(jìn)入液芯光纖，光纖的出射光由光敏管接收，通過數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)顯示出混凝土內(nèi)部損傷的位置、類型及程度，并且驅(qū)動控制電路工作，激勵局部SMA絲，產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出，對損傷處進(jìn)行自修補(bǔ)。如果當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生開裂、分層、脫膠等損傷時，激勵損傷處的SMA絲將產(chǎn)生壓應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)原有形狀，這將有利于提高對混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)質(zhì)量。而且，當(dāng)液芯光纖內(nèi)所含的粘接劑流到損傷處后，SMA激勵時所產(chǎn)生的熱量，將大大提高固化的質(zhì)量，使自修復(fù)完成得更好。

   同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在研究的仿生自診斷和自修復(fù)智能混凝土是模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對創(chuàng)傷的感知和生物組織對創(chuàng)傷部位愈合的機(jī)能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)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(luò)系統(tǒng)。當(dāng)混凝土材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷時，仿生傳感器可以及時預(yù)警；當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋時，部分液芯纖維破裂，粘接劑流出深入裂縫，使混凝土裂縫重新愈合，恢復(fù)并提高混凝土材料的性能。該智能復(fù)合材料的研究可實(shí)現(xiàn)對混凝土材料的能動診斷、實(shí)時監(jiān)測和及時修復(fù)，以超前意識確?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全性，延長混凝土構(gòu)筑物的使用壽命。

   3智能混凝土的發(fā)展趨勢

   智能混凝土材料的研究經(jīng)歷了初級階段和智能組裝過渡階段的探索后，正向著最終的智能階段發(fā)展，綜觀國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究趨勢可歸納為以下幾個方面:

3.1混凝土中智能組件的集成化和小型化

   智能混凝土是在現(xiàn)代材料科學(xué)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步融入了信息科學(xué)的內(nèi)容，如感知、辨識、尋優(yōu)和控制驅(qū)動等。因此，智能混凝土在傳統(tǒng)材料中必須引入傳感元件、執(zhí)行元件、信息處理元件等。而智能組件的集成化和小型化無疑將有利于與混凝土基材的更好復(fù)合。

   3.2開發(fā)智能控制材料

   控制材料是智能組件集成化的關(guān)鍵，神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)控制材料不但為智能混凝土材料獲得實(shí)時動態(tài)響應(yīng)、提供學(xué)習(xí)和決策功能，而且能夠?qū)Νh(huán)境變化進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)控，從而達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、調(diào)節(jié)環(huán)境、材料和結(jié)構(gòu)健康狀況的自診斷和自修復(fù)等目的。因此，必須花大力氣探索和開發(fā)神經(jīng)中樞網(wǎng)絡(luò)控制材料的模型，挖掘新的研究方法和新的制造工藝。

   3.3實(shí)現(xiàn)混凝土材料結(jié)構(gòu)—智能一體化

   未來的智能混凝土材料既是高性能的建筑結(jié)構(gòu)材料，同時又具有優(yōu)異的智能特征，真正達(dá)到了混凝土材料結(jié)構(gòu)—智能一體化的境界。并且具有多種完善的仿生功能，包括類似骨骼系統(tǒng)(基材)以提供承載能力，神經(jīng)系統(tǒng)(內(nèi)埋傳感網(wǎng)絡(luò))提供監(jiān)測、感知能力，肌肉系統(tǒng)(驅(qū)動元件)提供調(diào)整適應(yīng)響應(yīng)，免疫系統(tǒng)(修復(fù)元件)提供康復(fù)能力，神經(jīng)中樞系統(tǒng)(控制元件)提供學(xué)習(xí)和決策能力。

   4結(jié)語

   智能混凝土是智能化時代的產(chǎn)物，它在對重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)變的實(shí)量監(jiān)測、損傷的無損評估、及時修復(fù)以及減輕臺風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全和長期的耐久性都極具重要性。而且在現(xiàn)代建筑向智能化發(fā)展的背景下，對傳統(tǒng)的建筑材料研究、制造、缺陷預(yù)防和修復(fù)等都提出了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。智能混凝土材料作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，為傳統(tǒng)建材的未來發(fā)展注入了新的內(nèi)容和活力，也提供了全新的機(jī)遇。通過對其基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用技術(shù)深入研究將使傳統(tǒng)的混凝土材料發(fā)展步入科技創(chuàng)新軌道，使傳統(tǒng)混凝土工業(yè)獲得新的、突破性的飛躍。