工程材料进展课程论文

1、智能混凝土的研究及进展综述摘要：智能混凝土是随着人类科技发展而形成的一种智能化产物，是智能材料在工程领域应用的具体体现。本文阐述了智能混凝土的发展历史及研究现状，并展望了智能混凝土的发展方向。关键词:智能混凝土；研究现状；展望Abstract：Intelligent concrete is a intelligent product which formed with the development of the humans technology, and it is the concrete reflection with the use of intelligent materials

2、in the engineering. This paper elaborates the development history and the research status of the intelligent concrete, and prospects of development of intelligent concrete.Key words: Intelligent concrete；Research status; Prospect1、前言混凝土作为最主要的建筑材料已有近200年的历史，由于其具有抗压强度高、弹性模量大、耐久性和耐高温性能好、易改性、可塑性好、可以任意规模

3、浇注等特点，得到了越来越广泛的应用。但随着现代航空、航天、电子、机械等高科技领域的飞速发展,人们对材料提出了越来越高的要求，传统的结构材料混凝土，已经不能满足这些技术的要求，混凝土的发展由传统的单一的仅具有承载能力的结构材料，向多功能化、智能化的结构材料方向发展。而智能混凝土作为一种新型的智能材料，是混凝土发展方向中最突出的一个发展领域。 2、智能混凝土的发展及研究现状所谓智能混凝土是指在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修复等特性的多工程材料1-2。智能混凝土是智能材料的一个分支，是智能材料在土木工程中应用的具体体现。20世纪60年代，当时苏联学者

4、首先采用碳黑导电组分尝试制备了水泥基复合导电材料，但当时并没有引起重视。直到20世纪80年代末，日本土木工程界的研究人员设想并着手研究高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”的智能材料及1993年美国科学基金会资助了土木工程智能材料与智能结构的研究。在上述两项重大研究计划的推动下，90年代初期，Dry和Chung3分别提出了自修复混凝土和自感知混凝土，并展开了相关研究，展示了智能混凝土与传统混凝土迥然不同的功能特性。自此之后，智能混凝土的研究才得到各国的重视和关怀。目前,根据智能混凝土所具有功能的不同,智能混凝土可简单地分为自诊断混凝土、自调节混凝土、自修复混凝土以及高阻尼混凝土等几大

5、类型。2.1自诊断混凝土自诊断混凝土是在混凝土中加入碳纤维或光纤等具有压敏或温敏特性材料， 使混凝土能在温度或压力改变中进行自我诊断。2.1.1碳纤维智能混凝土自诊断混凝土最早是从美国的 Chung D D L发现碳纤维混凝土电阻与应变的对应关系开始的，试验发现碳纤维混凝土压应力和电阻率之间存着对应关系4。当压应力较小时，由于混凝土内原有裂缝在压应力下闭合，纤维间势垒变窄所致的电阻率随压应力的增加而减小，此时混凝土材料处在正常工作范围内。随着压应力的增大，一方面混凝土开始产生损伤核心的裂纹；另一方面原有裂纹还在闭合之中，它们处在一种动态平衡。因此，此阶段电阻率基本没有变化，但混凝土材料已开始出

6、现损伤。随着压应力的继续增大，混凝土的损伤和新的裂纹加剧，碳纤维的电阻率迅速增加。因此可以通过测试碳纤维混凝土电阻率变化并与计算机连接，直接反映其所在结果部分混凝土所处的状态，实现结构工作状态的再现监测。此项技术可应用于大坝、桥梁及重要的建筑结构。目前,我国的长江三峡工地的围堰上部分地段已经试用此项技术，取得了良好的效果5。除了能够感知压力的变化外，含有碳纤维的混凝土还会产生热电效应（Seebeck效应)。在最高温度为70、最大温差为15的范围内，温差电动势E与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高。因此可以利用这种材料实现对建筑物内

7、部和周围环境温度变化的实时监控。在国外，自诊断碳纤维混凝土也已被应用于机场道路及桥梁路面的自适应融雪和融冰上，并取得了很好的效果6。 在国内，哈尔滨工业大学、武汉理工大学、上海同济大学等相继开展了碳纤维混凝土研究并取得了系统成果。哈尔滨工业大学欧进萍、李惠和韩宝国等系统研究了机敏混凝土信号采集和处理系统，开发了水泥基标准应变传感器，为自z诊断智能混凝土的实际应用开辟了可行之路；近年来，李惠、欧进萍和肖会刚等发现了纳米混凝土的应变自感知性能，并将其成功应用于某桥关键截面应变状态的监测，同时纳米混凝土还具有高延性、高耐磨和高耐久性等优异的综合性能，成为了新的研究热点7-10。2.1.2光纤传感智能

8、混凝土光纤传感智能混凝土，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混

9、凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大caleary建设的一座名为beddington tail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。2.2 自调节混凝土混凝土结构除正常负荷外，人们还希望它有动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境条件不断调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式

10、对环境变化作出响应，比如台风、地震等动荷载调整承载能力或根据环境进行温度湿度调节等。但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金(SMA)和电流变体(er)等。2.2.1形状记忆合金智能混凝土形状记忆合金是一类具有形状记忆效应的智能合金材料，最显著的优点之一就是对温度很敏感，在不同温度下具有恢复相应形状的功能。利用形状记忆合金的这一特性，在混凝土结构受到异常荷载干扰下，通过记忆合金形状的变化，使混凝土内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载能力。形状记忆合金的另一个显著优点是相变伪弹性性能和相变滞后性能，其应力-应变曲线在加卸

11、载过程中形成环状，这说明形状记忆合金在此过程中可吸收和耗散大量的能量。因此，用形状记忆合金研制成的被动耗能器或被动耗能控制系统可以用来消耗大量的地震能量，减轻地震灾害。有关试验表明，安装了形状记忆合金耗能器的结构，60%左右的地震能量都能被耗能器吸收，结构的位移可得到明显的抑制和减小11。2.2.2电流变体智能混凝土电流变体（er）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流

12、变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。2.2.3自律型调湿混凝土此外有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等12。北方地区冬季室内干燥，衣服、电器容易产生静电，而且舒适感较差；南方地区夏季室内潮湿多雨，木质家具易腐朽霉变，而且易发生流行病。为解决此类问题，一般建筑物多采用空气调节器加湿(或除湿)和通风，成本较高。自律型调湿混凝土可以根据需要实现不同湿度条件下的水蒸气吸附、脱附目的，又称之为会呼吸的智能调湿混凝土。把沸石粉作为调湿性组分加入混凝土材料当中就可制成满足上述要求的调湿性混凝土。沸

13、石粉中的硅酸钙含有（39）×10-10m的孔隙，这些孔隙可以对水分、NOX和SOX等进行选择性吸收。通过沸石粉种类进行选择，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境的混凝土复合材料。采用加人天然沸石的方法制成的调湿性混凝土具有以下特点:优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度有关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。日本对自律型调湿混凝土进行了大量的研究,并已应用于对湿度变化敏感的美术作品收藏室、对温度和湿度变化敏感的食品仓库等。今后，对这种会呼吸的混凝土会逐渐从公用设施进人普通居民用房，为居住者提供更舒适的居住环境。2.3 自修复混凝土自修复混凝土就是模仿生物组织对

14、受创伤部位能自动分泌某种物质，从而使受创伤部位愈合的机理，在混凝土中掺人某些特殊的组分，如内含粘结剂的空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤，或形状记忆合金与前三者中的一种复合使混凝土材料在受到损伤时部分空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤破裂，粘结剂流到损伤处，使混凝土裂缝重新愈合。至今为止年有大量专家学者进行了这方面的研究，如：2001年，南京航空航天大学的杨红提出了利用空心光纤来实现智能结构的自诊断、自修复13。该文首创了用于智能结构的空心光纤研究方法，并对其进行了应用基础研究。此外，还设计了埋入空心光纤的复合材料诊断与修复系统用于检测复合材料损伤程度与位置以及对损伤处进行自修复等。在复合材料中，

15、还埋入了形状记忆合金（SMA）丝以提高复合材料的强度、安全和可靠性。研究的对象是纸蜂窝和树脂基两种复合材料，利用空心光纤注胶的方法进行了复合材料自修复的研究。实验表明，修复后的纸蜂窝复合材料完全达到正常材料的使用性能，树脂基复合材料在完全破坏的情况下，经修复后，材料的拉伸和压缩性能得到很大的恢复。 在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩

16、醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能 14。在此基础上Carolyn Dry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。在国内，匡亚川、欧进萍15-16等研究

17、了内含修复胶粘剂纤维管的损伤自修复智能混凝土梁。研究表明，修复胶粘剂可以将裂缝面重新粘结在一起，起到修补裂缝的作用，裂缝修复后的混凝土梁性能得到了恢复，试件再次受力时，应力重新分配到未开裂区域，其开裂荷载有所提高。2.4 高阻尼混凝土 高阻尼混凝土是指在普通混凝土中复合了能够较大地提高混凝土材料本身的阻尼比，从而提高结构抗震能力。阻尼比是结构的动力特性之一，描述的是机构在振动过程中能量耗散的多少，引起结构能量耗散的因素很多，材料本身的阻尼比是能量耗散的主要原因，提高材料本身的阻尼比，可以大大提高提高结构抗震性能。理想的弹性材料只能够存储能量，但不能耗散能量，而黏性液体可以耗散能量，却不能储存能

18、量。只有介于这两种材料之间的黏弹性材料既能存储能量也能耗散能量。高阻尼混凝土是一种黏弹性材料，其在交变应力作用下的应力-应变曲线为一椭圆形的滞回环，该环所包围的面积表示体系振动时黏弹性材料耗散的振动能量。目前，发现具有这些功能的材料有乳胶微料、硅粉、甲基纤维素等。哈尔滨工业大学刘铁军等人从2000年开始17对高阻尼混凝土与结构进行了深入细致的研究, 研制出了具有良好阻尼特性与力学性能的减振混凝土(阻尼比提高50%80%),推出了三点弯曲状态下粘弹性材料的参数关系,确立了材料损耗因子与结构构件阻尼比的关系,建立了高阻尼混凝土的本构方程,在高阻尼混凝土的研制上迈出了坚实的一步。万泽青等在聚合物混凝

19、土的基础上，通过调整聚合物的掺量，添加纤维、硅粉、石墨等填料，研制出了一种高阻尼混凝土材料，不仅改善了混凝土的阻尼性能，而且有效解决了传统混凝土的强度和阻尼性能不兼顾这一矛盾18-19。3.智能混凝土的展望 前面所述的自诊断、自调节、自修复以及高阻尼混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊

20、断、自修复和抗震减振的智能化。 综观国内外该领域的研究趋势，可以将未来智能混凝土的发展方向规划为一下几个方面：3.1混凝土中智能组件的集成化和小型化 智能混凝土是在现代材料科学的基础上，进一步融入了信息科学的内容，如感知、辨识、寻优和控制驱动等。因此，智能混凝土在传统材料中必须引入传感元件、执行元件、信息处理元件等。而智能组件的集成化和小型化无疑将有利于与混凝土基材的更好复合。3.2开发智能控制材料 控制材料是智能组件集成化的关键，神经中枢网络控制材料不但为智能混凝土材料获得实时动态响应、提供学习和决策功能，而且能够对环境变化进行适应性调控，从而达到适应环境、调节环境、材料和结构健康状况的自诊

21、断和自修复等目的。因此，必须花大力气探索和开发神经中枢网络控制材料的模型，挖掘新的研究方法和新的制造工艺。3.3实现混凝土材料结构智能一体化未来的智能混凝土材料既是高性能的建筑结构材料，同时又具有优异的智能特征，真正达到了混凝土材料结构-智能一体化的境界。并且具有多种完善的仿生功能，包括类似骨骼系统(基材)以提供承载能力，神经系统(内埋传感网络)提供监测、感知能力，肌肉系统( 驱动元件)提供调整适应响应，免疫系统(修复元件)提供康复能力，神经中枢系统(控制元件)提供学习和决策能力。4.结语 智能混凝土是智能化时代的产物，它在对重大土木基础设施应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风

22、、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期的耐久性都具有重要性。而且在现代建筑向智能化发展的背景下，对传统的建筑材料的研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。其发展必将使混凝土材料的应用具有更广阔的前景和产生巨大的社会经济效益。参考文献：1蕫利.智能混凝土的发展现状与展望J.科技信息,2012,11:414+380.2李建峰,卜娜蕊.智能混凝土的现状和发展趋势J.河北建筑工程学院学报,2011,01:52-55.3Chen P W,Chung D D L,Impro

23、ving teh bonding between old and new concrete by the addition of carbon fibers to the new concreteJ. Cement Concrete Research,1995,5(3):491-496.4Wen S,Chung D D L,carbon fibers-reinforcement cement as a themistorJ. Cement Concrete Research,1999,29(6):961-965.5姚武,吴科如.智能混凝土的研究现状及其发展趋势J.新型建筑材料,2000,10:

24、22-24.6杨大智,智能材料与智能系统M.天津:天津大学出版社,2000.7Li Hui, Xiao Huigang, Yuan Jie, Ou Jinping. Microstructure of cement mortar with nano-particles J.Composites Part B: Engineering, 2004, 35: 185189.8Li Hui, Xiao Huigang, Ou Jinping. A study on mechanical and pressure-sensitive properties of cement mortar with n

25、anophase materials J. Cement and Concrete Research, 2004, 34: 435438.9Li Hui, Xiao Huigang, Ou Jinping. Effect of compressive strain on electrical resistivity of carbon black-filled cement-based composites J. Cement and Concrete Composites, 2006, 28: 824828.10Xiao Huigang, Li Hui. A study on the application of CB