智能混凝土的研究和發(fā)展

1、.精品資料網(wǎng)cnshu25萬(wàn)份精華管理資料，2萬(wàn)多集管理視頻講座：.；精品資料網(wǎng)cnshu 專業(yè)提供企管培訓(xùn)資料智能混凝土的研討和開(kāi)展摘要： 智能混凝土是現(xiàn)代建筑資料與現(xiàn)代科技相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)混凝土資料開(kāi)展的高級(jí)階段。回想了智能混凝土的開(kāi)展歷史和研討現(xiàn)狀，展望了智能混凝土的開(kāi)展趨勢(shì)和運(yùn)用前景，論述了研討中應(yīng)留意的問(wèn)題。隨著現(xiàn)代資料科學(xué)的不斷提高，作為最主要的建筑資料之一的混凝土已逐漸向高強(qiáng)、高性能、多功能和智能化開(kāi)展。用它建造的混凝土構(gòu)造也趨于大型化和復(fù)雜化。然而混凝土構(gòu)造在運(yùn)用過(guò)程中由于受環(huán)境荷載作用。疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和資料老化等不利要素的影響，構(gòu)造將不可防止地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，

2、甚至導(dǎo)致突發(fā)事故。為了有效地防止突發(fā)事故的發(fā)生，延伸構(gòu)造的運(yùn)用壽命，必需對(duì)此類構(gòu)造進(jìn)展實(shí)時(shí)的“安康監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)展修復(fù)?，F(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法，如聲波檢測(cè)X射線及C掃描等，只能定性檢測(cè)，而不能定量、數(shù)據(jù)化處置，更主要的是不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此對(duì)構(gòu)造內(nèi)部形狀的監(jiān)測(cè)和損傷估計(jì)還比較困難，甚至是不能夠的。傳統(tǒng)的混凝土構(gòu)造的維修方式主要是在損傷部位進(jìn)展外部的加固，而對(duì)損傷的原構(gòu)造進(jìn)展維修比較困難，尤其是對(duì)構(gòu)造內(nèi)部的損傷修復(fù)更是非常困難。隨著現(xiàn)代社會(huì)向智能化的開(kāi)展，這種停留在被動(dòng)和方案方式的檢測(cè)與修復(fù)方式已不能順應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)混凝土資料提出的要求。因此，研討和開(kāi)發(fā)具有自動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)構(gòu)造進(jìn)展自診斷、

3、自調(diào)理、自修復(fù)、恢復(fù)的智能混凝土已成為構(gòu)造一功能智能一體化的開(kāi)展趨勢(shì)11 智能混凝土的定義和開(kāi)展歷史智能資料，指的是“能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動(dòng)的資料。它能模擬生命系統(tǒng)，同時(shí)具有感知和鼓勵(lì)雙重功能，能對(duì)外界環(huán)境變化要素產(chǎn)生感知，自動(dòng)作出適時(shí)。靈敏和恰當(dāng)?shù)暮魬?yīng)，并具有自我診斷、自我調(diào)理、自我修復(fù)和預(yù)告壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分根底上復(fù)合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶，自順應(yīng)，自修復(fù)特性的多功能資料。根據(jù)這些特性可以有效地預(yù)告混凝土資料內(nèi)部的損傷，滿足構(gòu)造自我平安檢測(cè)需求，防止混凝土構(gòu)造潛在脆性破壞，并能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)展修復(fù)，顯著提高混凝土構(gòu)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記憶、自順應(yīng)。自修復(fù)等多種功能的綜合，缺一不可，以目前的科技程度制備完善的智能混凝土資料還相當(dāng)困難。但近年來(lái)?yè)p傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)理混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現(xiàn)；為智能混凝土的研討打下了堅(jiān)實(shí)的根底。1.1 損傷自診斷混凝土自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應(yīng)功能。普通的混凝土資料本身不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分其它資料組分使混凝土本身具備本征自感應(yīng)功能。目前常用的資料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。下面主要引見(jiàn)2種當(dāng)前研討比較搶手的損傷自診斷混凝土。1.1.1碳纖維智能混凝土碳纖維是一種高

5、強(qiáng)度、高彈性且導(dǎo)電性能良好的資料。在水泥基資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(hào)輸出的方式反映本身受力情況和內(nèi)部的損傷程度。將一定外形、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土資料中，可以使混凝土具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和操作程度的功能。經(jīng)過(guò)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合資料的電阻變化與其內(nèi)部構(gòu)造變化是相對(duì)應(yīng)的。碳纖維水泥基資料在構(gòu)造構(gòu)件受力的彈性階段，其電阻變化率隨內(nèi)部應(yīng)力線性添加，當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時(shí)，電阻逐漸增大，預(yù)示構(gòu)件即將破壞。而基準(zhǔn)水泥基資料的導(dǎo)電性幾乎無(wú)變化，直到臨近破壞時(shí)，電阻變化率猛烈增大，反映了混凝土內(nèi)部的應(yīng)

6、力一應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)纖維混凝土的這一特性，經(jīng)過(guò)測(cè)試碳纖維混凝土所處的任務(wù)形狀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)造任務(wù)形狀的在線監(jiān)測(cè)2。在入碳纖維的損傷自診斷混凝土中，碳纖維混凝土本身就是傳感器，可對(duì)混凝土內(nèi)部在拉、壓、彎靜荷載和動(dòng)荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及損傷開(kāi)裂進(jìn)展監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應(yīng)變傳感器，它的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的電阻應(yīng)變片。在疲勞實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在拉伸或是緊縮形狀下，碳纖維混凝土資料的體積電導(dǎo)率會(huì)隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以運(yùn)用這一景象對(duì)混凝土資料的疲勞損傷進(jìn)展監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)標(biāo)定這種自感應(yīng)混凝土，研討人員決議阻抗和載重之間的關(guān)系，由此可確定以自感應(yīng)混凝土修筑

7、的公路上的車輛方位、載重和速度等參數(shù)，為交通管理的智能化提供資料根底。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(huì)產(chǎn)生電位差的熱電性Seebeck效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)闡明，在最高溫度為70，最大溫差為15的范圍內(nèi)，溫差電動(dòng)勢(shì)E與溫差t之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。當(dāng)碳纖維摻量到達(dá)一臨界值時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)率有極大值，且敏感性較高，因此可以利用這種資料實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控；也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及用于熱敏元件和火警報(bào)警器等可望用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土構(gòu)造中。碳纖維混凝土除自感應(yīng)功能外，還可運(yùn)用于工業(yè)防靜電構(gòu)造

8、。公路路面、機(jī)場(chǎng)跑道等處的化雪除冰。鋼筋混凝土構(gòu)造中的鋼筋陰極維護(hù)。住宅及養(yǎng)殖場(chǎng)的電熱構(gòu)造等。1.1.2 光纖傳感智能混凝土光纖傳感智能混凝土3，即在混凝土構(gòu)造的關(guān)鍵部位埋人入纖維傳感器或其陣列，探測(cè)混凝土在碳化以及受載過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化，并對(duì)由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴(kuò)展等損傷進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光在光纖的傳輸過(guò)程中易遭到外界環(huán)境要素的影響，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的變化而引起光波量如光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)的變化。因此人們發(fā)現(xiàn)，假設(shè)能丈量出光波量的變化，就可以知道導(dǎo)致光波量變化的溫度、壓力、磁場(chǎng)等物理量的大小。于是，出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外進(jìn)展了將光纖傳感器用于鋼筋混

9、凝土構(gòu)造和建筑檢測(cè)這一領(lǐng)域的研討，開(kāi)展了混凝土構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)變及裂痕發(fā)生與開(kāi)展等內(nèi)部形狀的光纖傳感器技術(shù)的研討，這包括在混凝土的硬化過(guò)程中進(jìn)展監(jiān)測(cè)和構(gòu)造的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。光纖在傳感器中的運(yùn)用，提供了對(duì)土建構(gòu)造智能及內(nèi)部形狀進(jìn)展實(shí)時(shí)、在線無(wú)損檢測(cè)手段，有利于構(gòu)造的平安監(jiān)測(cè)和整體評(píng)價(jià)和維護(hù)。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大Caleary建立的一座名為Beddington Tail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)變形狀監(jiān)測(cè)；美國(guó)Winooski的一座水電大壩的振動(dòng)監(jiān)測(cè)；國(guó)內(nèi)工程有重慶渝長(zhǎng)高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測(cè)和蕪湖長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與平安評(píng)價(jià)系統(tǒng)等。1.2 自調(diào)明智能混凝土自調(diào)明智能混凝土具有

10、電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。混凝土構(gòu)造除了正常負(fù)荷外，人們還希望它在受臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)禍期間，可以調(diào)整承載才干和減緩構(gòu)造振動(dòng)，但因混凝土本身是惰性資料，要到達(dá)自調(diào)理的目的，必需復(fù)合具有驅(qū)動(dòng)功能的組件資料，如：外形記憶合金SMA和電流變體ER等。外形記憶合金具有外形記憶效應(yīng)SME，假設(shè)在室溫下給以超越彈性范圍的拉伸塑性變形，當(dāng)加熱至少許超越相變溫度，即可使原先出現(xiàn)的剩余變形消逝，并恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。在混凝土中埋入外形記憶合金，利用外形記憶合金對(duì)溫度的敏感性和不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)外形的功能，在混凝土構(gòu)造遭到異常荷載于擾時(shí)，經(jīng)過(guò)記憶合金外形的變化，使混凝土構(gòu)造內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高

11、混凝土構(gòu)造的承載力。電流變體ER是一種可經(jīng)過(guò)外界電場(chǎng)作用來(lái)控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場(chǎng)的作用下，電流變體可于0.1ms級(jí)時(shí)間內(nèi)組合成鏈狀或網(wǎng)狀構(gòu)造的固凝膠，其初度隨電場(chǎng)添加而變調(diào)到完全固化，當(dāng)外界電場(chǎng)撤除時(shí)，仍可恢復(fù)其流變形狀。在混凝土中復(fù)合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當(dāng)混凝土構(gòu)造遭到臺(tái)風(fēng)，地震襲擊時(shí)調(diào)整其內(nèi)部的流變特性，改動(dòng)構(gòu)造的自振頻率、阻尼特性以到達(dá)減緩構(gòu)造振動(dòng)的目的。有些建筑物對(duì)其室內(nèi)的濕度有嚴(yán)厲的要求，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，往往需求許多濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復(fù)雜的布線等，其本錢和運(yùn)用維持的費(fèi)用都較高。日本學(xué)者研制的自

12、動(dòng)調(diào)理環(huán)境溫度的混凝土資料本身即可完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度的探測(cè)，并根據(jù)需求對(duì)其進(jìn)展調(diào)控。這種混凝土資料帶動(dòng)調(diào)理環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。其機(jī)理為：沸石中的硅酸鈣含有39X1010m的孔隙。這些孔隙可以對(duì)水分、N0 x和 S0 x氣體選擇性的吸附。經(jīng)過(guò)對(duì)沸石種類進(jìn)展選擇，可以制備符合實(shí)踐運(yùn)用需求的自動(dòng)調(diào)理環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合資料。它具有如下特點(diǎn)：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時(shí)放濕，溫度下降時(shí)吸濕。1.3 自修復(fù)智能混凝土混凝土構(gòu)造在運(yùn)用過(guò)程中，大多數(shù)構(gòu)造是帶縫任務(wù)的。混凝土產(chǎn)生裂痕，不僅強(qiáng)度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等極易經(jīng)過(guò)裂痕侵人

13、混凝土內(nèi)部，使混凝土發(fā)生碳化，并腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，這對(duì)地下構(gòu)造物或盛有危險(xiǎn)品的處置設(shè)備尤為不利，一旦混凝土發(fā)生裂痕，要想檢查和維修都很困難。自修復(fù)混凝土就是應(yīng)這方面的需求而產(chǎn)生的。在人類現(xiàn)實(shí)生活中可以見(jiàn)到人的皮膚劃破后，經(jīng)一段時(shí)間皮膚會(huì)自然長(zhǎng)好，而且修補(bǔ)得天衣無(wú)縫；骨頭折斷后，只需接好骨縫，斷骨就會(huì)自動(dòng)愈合。自愈合混凝土4就是模擬生物組織，對(duì)受創(chuàng)傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特性組分如含有粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊在混凝土內(nèi)部構(gòu)成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，模擬動(dòng)物的這種骨組織構(gòu)造和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理。采用粘結(jié)資料和基材相復(fù)合的方法，使資料損傷

14、破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高資料性能的新型復(fù)合資料。在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土資料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結(jié)液流出并深人裂痕。粘結(jié)液可使混凝土裂痕重新愈合。美國(guó)伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry在1994年采用類似的方法，將在空心玻璃纖維中注人縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此根底上Carolyn Dry還根據(jù)動(dòng)物骨骼的構(gòu)造和構(gòu)成機(jī)理，嘗試制備仿生混凝土資料，其根本原理是采用磷酸鈣水泥含有單聚物為基體資料，在其中加人多孔的編織纖維網(wǎng)。在水泥水化

15、和硬化過(guò)程中，多孔纖維釋放出聚合反響引發(fā)劑與單聚物聚合成高聚物，聚合反響留下的水分參與水泥水化。這樣便在纖維網(wǎng)的外表構(gòu)成大量有機(jī)與無(wú)機(jī)物，它們相互交叉粘結(jié)，最終構(gòu)成的復(fù)合資料是與動(dòng)物骨骼構(gòu)造類似的無(wú)機(jī)與有機(jī)相結(jié)合的資料，具有優(yōu)良的強(qiáng)度及延性等性能。而且在資料運(yùn)用過(guò)程中，假設(shè)發(fā)生損傷，多孔有機(jī)纖維會(huì)釋放高聚物，愈合損傷。2 智能混凝規(guī)究現(xiàn)狀和應(yīng)留意的問(wèn)題前面所述的自診斷、自調(diào)理和自修復(fù)混凝土是智能混凝土研討的初級(jí)階段，它們只具備了智能混凝土的某一根本特征，是一種智能混凝土的簡(jiǎn)化方式。因此有人也稱之為機(jī)警混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發(fā)揚(yáng)智能混凝土作用，目前人們正努力于將2種以上功能進(jìn)展組

16、裝的所謂智能組裝混凝土資料的研討。智能組裝混凝土資料是將具有自感應(yīng)、自凋節(jié)和自修復(fù)組件資料等與混凝土基材復(fù)合并按照構(gòu)造的需求進(jìn)展陳列，以實(shí)現(xiàn)混凝土構(gòu)造的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化。智能混凝土具有寬廣的運(yùn)用前景，但作為一種新型的功能資料，假設(shè)投入實(shí)踐工程，還有很多問(wèn)題需求進(jìn)一步地研討：如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復(fù)粘結(jié)劑的選擇。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。處理上述一系列問(wèn)題將對(duì)智能混凝土今后的開(kāi)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為促進(jìn)智能混凝土研討任務(wù)的順利開(kāi)展有必要就以下幾點(diǎn)構(gòu)成共識(shí)：1開(kāi)發(fā)應(yīng)有針對(duì)

17、性。所謂針對(duì)性就是要針對(duì)混凝土性能發(fā)生惡化和構(gòu)造發(fā)生破壞等景象，思索不同的智能方法，如針對(duì)這些景象，想象開(kāi)發(fā)出一種能應(yīng)對(duì)一切這些情況的手段是很困難的，因此，減少智能化范圍，以某種功能為對(duì)象，從而開(kāi)發(fā)出相對(duì)最順應(yīng)的方法是必要的。2實(shí)施中應(yīng)具有可行性。澆注混凝土多在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展，因此作為智能混凝土的施工方法，對(duì)其技術(shù)與工藝要求不能過(guò)高。應(yīng)以原有工藝為根底開(kāi)發(fā)相應(yīng)的較為簡(jiǎn)單的方法。選用的資料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，要有利于平安運(yùn)用，不揮發(fā)任何有刺激的氣味和其它有害物質(zhì)，并能大量運(yùn)用而且本錢較低。3設(shè)計(jì)應(yīng)具有綜合性。采用智能化，雖然可以提高資料的耐久性，但也會(huì)帶來(lái)負(fù)面作用。如由于運(yùn)用了某種資料雖然能對(duì)某種惡化景象進(jìn)展控制和改善，但能否會(huì)對(duì)強(qiáng)度等其它性能有所影響