機(jī)敏混凝土

[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(shù)含量低、耐久性差的特點(diǎn)嚴(yán)重制約了混凝土材料的發(fā)展,因此在混凝土材料中復(fù)合一些特殊材料,使之具有某些特殊功能,機(jī)敏混凝土就是這樣一種具有感知和修復(fù)性能的智能混凝土,是在混凝土原有的組成基礎(chǔ)上摻加復(fù)合智能型組分,使其具有一定的自感知、自適應(yīng)和損傷自修復(fù)等智能特性的多功能材料。

[關(guān)鍵詞] 　機(jī)敏混凝土;自感知;自適應(yīng);自修復(fù)

1 　引言

    機(jī)敏混凝土是一種具有感知和修復(fù)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(chǔ)上摻加復(fù)合智能型組分, 使混凝土材料具有一定的自感知、自適應(yīng)和損傷自修復(fù)等智能特性的多功能材料,根據(jù)這些特性可以有效的預(yù)報(bào)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(jī)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 　機(jī)敏混凝土的發(fā)展概況

    智能混凝土是智能材料的一個(gè)研究分支,20 世紀(jì)60 年代,前蘇聯(lián)學(xué)者開始研究混凝土的復(fù)合功能,采用碳黑為導(dǎo)電組分制備了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。20 世紀(jì)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。20 世紀(jì)90 年代初,日本建設(shè)省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(xué)者H. Hiarshi 采用在水泥基材內(nèi)復(fù)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(fù)智能混凝土。美國伊利諾伊斯大學(xué)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(fù)智能混凝土。1993 年美國開辦了與土本建筑有關(guān)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(yīng)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(jìn)展。

    同濟(jì)大學(xué)等國內(nèi)高等院校曾在混凝土材料中復(fù)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(fù)智能混凝土的思路是綜合了自然愈合、基體增強(qiáng)和有機(jī)物釋放等機(jī)制,在混凝土材料組分中復(fù)合活性無機(jī)摻和料、微細(xì)低彈模纖維和有機(jī)化合物,從而在混凝土內(nèi)部形成自增強(qiáng)、自愈合網(wǎng)絡(luò),使混凝土裂縫重新愈合,恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能;調(diào)整有機(jī)物的摻量,可實(shí)現(xiàn)對混凝土材料微裂縫的自行多次愈合。

      同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究實(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(shí),仿生傳感器可以及時(shí)預(yù)警;當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋時(shí),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(fù)并提高混凝土材料的性能, 可實(shí)現(xiàn)對混凝土材料的自動診斷實(shí)時(shí)檢測和及時(shí)修復(fù),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(jī)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(fù)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(yīng)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(yīng)功能,但在混凝土基材中摻入部分導(dǎo)電相組分制成的復(fù)合混凝土可具備自感應(yīng)性能。目前常用的導(dǎo)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(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。

3. 1. 1 　自診斷智能混凝土的壓敏性

      碳纖維是一種高強(qiáng)度、高彈性且導(dǎo)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(qiáng)度和韌性,而且其物理性能,尤其是電學(xué)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(yīng)力線形增加,當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時(shí),電阻率逐漸增大,預(yù)示構(gòu)件即將破壞;而基準(zhǔn)水泥基材料的導(dǎo)電性能幾乎無變化,直到臨近破壞時(shí),電阻變化率劇烈增大,反應(yīng)了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)在水泥基材料中摻入碳纖維混凝土復(fù)合材料在受力時(shí)的電阻變化與所受荷載呈現(xiàn)的這種線性關(guān)系,可以掌握其內(nèi)部的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系,該機(jī)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(yīng)) 。不同纖維摻量的混凝土的溫阻試驗(yàn)表明,在初始階段,隨溫度的升高,均出現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)NTC(negative temperature coefficient) 效應(yīng),即電阻率隨溫度的提高而下降;當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界溫度時(shí),不含碳纖維的混凝土其電阻率出現(xiàn)一個(gè)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(yīng),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(shí)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(bào)警器等,可望應(yīng)用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。

3. 2 　自調(diào)節(jié)機(jī)敏混凝土

      自調(diào)節(jié)機(jī)敏混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)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(yīng)。F. H. Wittmann 在做水泥凈漿小梁彎曲時(shí),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(yīng)———電力效應(yīng)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)梁產(chǎn)生彎曲變形,改變電壓的方向時(shí),彎曲的方向也發(fā)生相應(yīng)的變化。

      20 世紀(jì)90 年代初,日本建設(shè)省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(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,使混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng),因此結(jié)構(gòu)可對自身進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),可針對由于溫度所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形進(jìn)行調(diào)節(jié),對自身的變形在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。國內(nèi)研究表明,碳纖維混凝土具有良好的導(dǎo)電性,且通電后其發(fā)熱功率十分穩(wěn)定?？捎闷潆姛嵝?yīng)來對混凝土路面橋面和機(jī)場跑道等結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yīng)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(jìn)展。

      機(jī)敏混凝土的力電效應(yīng)、電力效應(yīng)是基于電化學(xué)理論的可逆效應(yīng),因此將電力效應(yīng)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的傳感和驅(qū)動時(shí),可以在一定范圍內(nèi)對它們實(shí)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(jī)敏混凝土的電熱和電力自調(diào)節(jié)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)由于溫度自重所引起的蠕變;機(jī)敏混凝土的熱電效應(yīng)使其可以方便的實(shí)時(shí)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(yīng)在冬季控制建筑物內(nèi)部環(huán)境的溫度,可極大的促進(jìn)智能化建筑的發(fā)展。

3. 3 　自修復(fù)機(jī)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(dāng)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(xì)有機(jī)纖維的混凝土破壞后其抗拉強(qiáng)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(fù)材料,使混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生損傷時(shí),修復(fù)材料(粘結(jié)劑) 進(jìn)行恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。

      美國伊利諾伊斯大學(xué)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(fù)智能混凝土。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生損傷時(shí),空心玻璃纖維中的粘結(jié)劑流出愈合損傷,恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。日本學(xué)者H. Hiarshi 采用在水泥基材內(nèi)復(fù)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(fù)智能混凝土。一旦混凝土材料出現(xiàn)損傷裂紋時(shí),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(dá)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(fù)材料的時(shí)效和多次愈合的可行性等一系列問題。

4 　結(jié)語

      機(jī)敏混凝土是智能化時(shí)代的產(chǎn)物,將先進(jìn)的機(jī)敏混凝土材料融入到土木基礎(chǔ)設(shè)施的安全系統(tǒng),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(yùn)行和維修費(fèi)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。

參考文獻(xiàn)

1 　Nevile A M. Properties of Concrete ,London ,1973.

2 　D. D.L. Chung. Carbon fiber reinforced concrete for smart structures capable of nondestructive flow detection. Smart Material and Structure ,2 , 1993

3 　D. D. L. Chung. Carbon fiber reinforced concrete as an instrinsically smart concrete for damage assessment during dynamic loading ,Journal of Ceramics society ,78(3) ,1995

4 　Hiraishi H. Smart structure system,Concrete Journal ,36(1) ,1998

5 　Fu X,Chung D DL. Effect of curing age on the self2monitoring bethavior of carbon fiber reinforced mortar. Cement and Concrete Research , 27 (9) ,1997

6 　姚武,吳科如. 水泥基材料自愈合的理論與方法,2000 年科學(xué)與工程新進(jìn)展. 北京:冶金工業(yè)出版社,2001

7 　姚武,李杰,周鐘鳴. 聚丙烯纖維對混凝土抗拉強(qiáng)度的影響. 混凝土,2001 , (10)