当前智能混凝土发展初探

何欢

（佛山市南海区建筑工程公司，广东 佛山 528000）

前言

本人根据多年来在佛山市南海区建筑工程公司总工室工作期间对高新建筑材料的分析和研究，对当前智能混凝土的发展探讨提出一些自己的看法，希望能给同行提供参考。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、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势。

1 智能混凝土的定义和发展历史

智能材料，指的是"能感知环境条件，做出相应行动"的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时、灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的多功能材料。

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。普通的混凝土材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材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。

1.1.1 碳纤维智能混凝土

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材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形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，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。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，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。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测.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行监测。

1.1.2 光纤传感智能混凝土

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，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。

1.2 自调节智能混凝土

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，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。

1.3 自修复智能混凝土

混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。一旦混凝土发生裂缝，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要而产生的。自愈合混凝土就是模仿生物组织，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）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。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。

2 智能混凝土研究现状和应注意的问题

前面所述的自诊断、自调节和自修复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。如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：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。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展，本人认为有必要就以下几点形成共识：

2.1 开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的。

2.2 实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而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，并能大量应用而且成本较低。

2.3 设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，设计时应进行综合考虑和权衡。

3 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、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。

[1]程显强.智能混凝土的研究现状及其发展趋势[J].低温建筑技术，2009-05-28.

[2]姚忠伟.智能混凝土的研究及其发展[J].新型建筑材料，2005-02-25.