智能混凝土的研究和发展

1、.精品资料网cnshu25万份精华管理资料，2万多集管理视频讲座：.；精品资料网cnshu 专业提供企管培训资料智能混凝土的研讨和开展摘要： 智能混凝土是现代建筑资料与现代科技相结合的产物，是传统混凝土资料开展的高级阶段。回想了智能混凝土的开展历史和研讨现状，展望了智能混凝土的开展趋势和运用前景，论述了研讨中应留意的问题。随着现代资料科学的不断提高，作为最主要的建筑资料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化开展。用它建造的混凝土构造也趋于大型化和复杂化。然而混凝土构造在运用过程中由于受环境荷载作用。疲劳效应、腐蚀效应和资料老化等不利要素的影响，构造将不可防止地产生损伤积累、抗力衰减，

2、甚至导致突发事故。为了有效地防止突发事故的发生，延伸构造的运用寿命，必需对此类构造进展实时的“安康监测，并及时进展修复。现有的无损检测方法，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处置，更主要的是不能实现实时监测。因此对构造内部形状的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不能够的。传统的混凝土构造的维修方式主要是在损伤部位进展外部的加固，而对损伤的原构造进展维修比较困难，尤其是对构造内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的开展，这种停留在被动和方案方式的检测与修复方式已不能顺应现代多功能和智能建筑对混凝土资料提出的要求。因此，研讨和开发具有自动、自动地对构造进展自诊断、

3、自调理、自修复、恢复的智能混凝土已成为构造一功能智能一体化的开展趋势11 智能混凝土的定义和开展历史智能资料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动的资料。它能模拟生命系统，同时具有感知和鼓励双重功能，能对外界环境变化要素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的呼应，并具有自我诊断、自我调理、自我修复和预告寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分根底上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自顺应，自修复特性的多功能资料。根据这些特性可以有效地预告混凝土资料内部的损伤，满足构造自我平安检测需求，防止混凝土构造潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进展修复，显著提高混凝土构造的平安性和耐久性。正如上面所

4、述，智能混凝士是自感知和记忆、自顺应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技程度制备完善的智能混凝土资料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调理混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研讨打下了坚实的根底。1.1 损伤自诊断混凝土自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土资料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它资料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的资料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要引见2种当前研讨比较抢手的损伤自诊断混凝土。1.1.1碳纤维智能混凝土碳纤维是一种高

5、强度、高弹性且导电性能良好的资料。在水泥基资料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的方式反映本身受力情况和内部的损伤程度。将一定外形、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土资料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。经过观测，发现水泥基复合资料的电阻变化与其内部构造变化是相对应的。碳纤维水泥基资料在构造构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性添加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基资料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率猛烈增大，反映了混凝土内部的应

6、力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，经过测试碳纤维混凝土所处的任务形状，可以实现对构造任务形状的在线监测2。在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进展监测。实验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于普通的电阻应变片。在疲劳实验中还发现，无论在拉伸或是紧缩形状下，碳纤维混凝土资料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以运用这一景象对混凝土资料的疲劳损伤进展监测。经过标定这种自感应混凝土，研讨人员决议阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑

7、的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供资料根底。碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化温阻性及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性Seebeck效应。实验阐明，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。当碳纤维掺量到达一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种资料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土构造中。碳纤维混凝土除自感应功能外，还可运用于工业防静电构造

8、。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土构造中的钢筋阴极维护。住宅及养殖场的电热构造等。1.1.2 光纤传感智能混凝土光纤传感智能混凝土3，即在混凝土构造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展实时监测。光在光纤的传输过程中易遭到外界环境要素的影响，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，假设能丈量出光波量的变化，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，国内外进展了将光纤传感器用于钢筋混

9、凝土构造和建筑检测这一领域的研讨，开展了混凝土构造应力、应变及裂痕发生与开展等内部形状的光纤传感器技术的研讨，这包括在混凝土的硬化过程中进展监测和构造的长期监测。光纤在传感器中的运用，提供了对土建构造智能及内部形状进展实时、在线无损检测手段，有利于构造的平安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建立的一座名为Beddington Tail的一双跨公路桥内部应变形状监测；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平安评价系统等。1.2 自调明智能混凝土自调明智能混凝土具有

10、电力效应和电热效应等性能。混凝土构造除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾祸期间，可以调整承载才干和减缓构造振动，但因混凝土本身是惰性资料，要到达自调理的目的，必需复合具有驱动功能的组件资料，如：外形记忆合金SMA和电流变体ER等。外形记忆合金具有外形记忆效应SME，假设在室温下给以超越弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超越相变温度，即可使原先出现的剩余变形消逝，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入外形记忆合金，利用外形记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应外形的功能，在混凝土构造遭到异常荷载于扰时，经过记忆合金外形的变化，使混凝土构造内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高

11、混凝土构造的承载力。电流变体ER是一种可经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构造的固凝胶，其初度随电场添加而变调到完全固化，当外界电场撤除时，仍可恢复其流变形状。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土构造遭到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改动构造的自振频率、阻尼特性以到达减缓构造振动的目的。有些建筑物对其室内的湿度有严厉的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需求许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其本钱和运用维持的费用都较高。日本学者研制的自

12、动调理环境温度的混凝土资料本身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需求对其进展调控。这种混凝土资料带动调理环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有39X1010m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0 x和 S0 x气体选择性的吸附。经过对沸石种类进展选择，可以制备符合实践运用需求的自动调理环境湿度的混凝土复合资料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。1.3 自修复智能混凝土混凝土构造在运用过程中，大多数构造是带缝任务的。混凝土产生裂痕，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易经过裂痕侵人

13、混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下构造物或盛有危险品的处置设备尤为不利，一旦混凝土发生裂痕，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需求而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只需接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土4就是模拟生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊在混凝土内部构成智能型仿生自愈合神经网络系统，模拟动物的这种骨组织构造和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结资料和基材相复合的方法，使资料损伤

14、破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高资料性能的新型复合资料。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资料中，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痕。粘结液可使混凝土裂痕重新愈合。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。在此根底上Carolyn Dry还根据动物骨骼的构造和构成机理，尝试制备仿生混凝土资料，其根本原理是采用磷酸钙水泥含有单聚物为基体资料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化

15、和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反响引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反响留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的外表构成大量有机与无机物，它们相互交叉粘结，最终构成的复合资料是与动物骨骼构造类似的无机与有机相结合的资料，具有优良的强度及延性等性能。而且在资料运用过程中，假设发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。2 智能混凝规究现状和应留意的问题前面所述的自诊断、自调理和自修复混凝土是智能混凝土研讨的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一根本特征，是一种智能混凝土的简化方式。因此有人也称之为机警混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发扬智能混凝土作用，目前人们正努力于将2种以上功能进展组

16、装的所谓智能组装混凝土资料的研讨。智能组装混凝土资料是将具有自感应、自凋节和自修复组件资料等与混凝土基材复合并按照构造的需求进展陈列，以实现混凝土构造的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。智能混凝土具有宽广的运用前景，但作为一种新型的功能资料，假设投入实践工程，还有很多问题需求进一步地研讨：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。处理上述一系列问题将对智能混凝土今后的开展产生深远的影响。为促进智能混凝土研讨任务的顺利开展有必要就以下几点构成共识：1开发应有针对

17、性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和构造发生破坏等景象，思索不同的智能方法，如针对这些景象，想象开发出一种能应对一切这些情况的手段是很困难的，因此，减少智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最顺应的方法是必要的。2实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进展，因此作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为根底开发相应的较为简单的方法。选用的资料应具有化学稳定性，要有利于平安运用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量运用而且本钱较低。3设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高资料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于运用了某种资料虽然能对某种恶化景象进展控制和改善，但能否会对强度等其它性能有所影响