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敛牧献鳛楦黜椊ㄖ幕A(chǔ)，其智能化的研究和開發(fā)自然成為人們關(guān)注的熱點。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繼出現(xiàn)為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅實的基礎(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60年代，當時蘇聯(lián)學者首先采用碳黑為導電組分嘗試制備了水泥基導電復(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)合部分導電相可使混凝土具備本征自感應(yīng)功能。目前常用的導電組分可分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700，遠遠高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗中還發(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行監(jiān)測。通過標定這種自感應(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。當碳纖維摻量達到一臨界值時，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現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化的實時監(jiān)控。

   將短切碳纖維加到混凝土中的額外費用將提高大約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、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)除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風、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，同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗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到減振的目的。有些建筑物對其室內(nèi)的濕度有嚴格的要求，如各類展覽館、博物館及美術(shù)館等。為實現(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用都較高。日本學者研制的自動調(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。通過對沸石種類進行選擇(天然的沸石有40多種)，可以制備符合實際應(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: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及無機物質(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)相似的無機有機相結(jié)合的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的強度及延性等性能。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)的需要進行排列，以實現(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。

   當前較為典型的研究熱點是自診斷、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，對損傷處進行自修補。如果當混凝土結(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。

   同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗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)合材料的研究可實現(xiàn)對混凝土材料的能動診斷、實時監(jiān)測和及時修復(fù)，以超前意識確保混凝土結(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)代材料科學的基礎(chǔ)上，進一步融入了信息科學的內(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時動態(tài)響應(yīng)、提供學習和決策功能，而且能夠?qū)Νh(huán)境變化進行適應(yīng)性調(diào)控，從而達到適應(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)提供學習和決策能力。

   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)變的實量監(jiān)測、損傷的無損評估、及時修復(fù)以及減輕臺風、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。