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促進(jìn)智能混凝土研究應(yīng)重視的三個(gè)要點(diǎn)

隨著現(xiàn)代材料的不斷進(jìn)步，作為主要建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強(qiáng)度、高性能、多功能和智能化發(fā)展。停留在被動(dòng)和計(jì)劃模式的混凝土檢測(cè)與修復(fù)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)混凝土材料提出的要求。因此，研究和開(kāi)發(fā)具有主動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)、恢復(fù)的智能混凝土已成為結(jié)構(gòu)+功能（智能）一體化的發(fā)展趨勢(shì)。

一、智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

智能材料，指的是“能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動(dòng)”的材料。它能模仿生命系統(tǒng)，同時(shí)具有感知和激勵(lì)雙重功能，能對(duì)外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，自動(dòng)作出適時(shí)、靈敏和恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，并具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)和預(yù)報(bào)壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料。根據(jù)這些特性可以有效地預(yù)報(bào)混凝土材料的內(nèi)部損傷，滿足結(jié)構(gòu)自我安全檢測(cè)需要，防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在脆性破壞，并能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。如上所述，智能混凝土是自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)等多種功能的綜合，缺一不可，以目前的科技水平制備完善的智能混凝土材料還相當(dāng)困難。但近年來(lái)?yè)p傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)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)，為智能混凝土的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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。普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分的其他材料組分可使混凝土本身具備自感應(yīng)功能。常用的材料組分有聚合類、碳類、金屬類和光纖，其中常用的是碳類、金屬類和光纖。碳纖維智能混凝土和光纖傳感智能混凝土是目前主要的兩種研究比較成熟的損傷自診斷混凝土。

2.自調(diào)節(jié)智能混凝土

自調(diào)節(jié)智能混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能?；炷两Y(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外，人們還希望它在受臺(tái)風(fēng)、地震等災(zāi)害期間，能夠調(diào)整承

載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)。但因混凝土本身是惰性材料，要達(dá)到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動(dòng)功能的組件材料，如形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)（SME），若在室溫下給以超過(guò)彈性范圍的拉伸塑性變形，當(dāng)加熱至少許超過(guò)相變溫度，即可使原先出現(xiàn)的殘余變形消失，并恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。在混凝土中埋入形狀記憶合金，利用形狀記憶合金對(duì)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)受到異常荷載干擾時(shí)，通過(guò)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。

有些建筑物對(duì)其室內(nèi)的濕度有嚴(yán)格的要求，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，往往需要許多濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復(fù)雜的布線等，其成本和使用維持的費(fèi)用都較高。日本學(xué)者研制的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料，自身即可完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度的探測(cè)，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。這種混凝土材料帶來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。其機(jī)理是沸石中的硅酸鈣含有孔隙，這些孔隙可以對(duì)水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過(guò)對(duì)沸石種類進(jìn)行選擇，可以制備符合實(shí)際需要的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合材料。它具有優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，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)吸濕等特點(diǎn)。

3.自修復(fù)智能混凝土

混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)是帶縫工作的?；炷廉a(chǎn)生裂縫，不僅強(qiáng)度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等易通過(guò)裂縫侵入混凝土內(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)地下結(jié)構(gòu)物或盛有危險(xiǎn)品的處理設(shè)施尤為不利，一旦混凝土發(fā)生裂縫，要想檢查和維修都很困難。自修復(fù)混凝土就是應(yīng)這方面的需要而產(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，只要接好骨縫，斷骨就會(huì)自動(dòng)愈合。自愈合混凝土就是模仿生物組織，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（如含有黏結(jié)劑的液芯纖維或膠囊），在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)系統(tǒng)，模仿動(dòng)物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理。采用黏結(jié)材料和基材相復(fù)合，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。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)含黏結(jié)劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，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，黏結(jié)液流出并深入裂縫。黏結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。

二、智能混凝土研究現(xiàn)狀和應(yīng)注意的問(wèn)題

前面所述的自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)混凝土是智能混凝土的初級(jí)階段，它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡(jiǎn)化形式。因此有人也稱之為機(jī)敏混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發(fā)揮智能混凝土作用，人們正致力于將兩種以上功能進(jìn)行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。智能組裝混凝土材料是將具有自感應(yīng)、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)組件材料等與混凝土基材復(fù)合并按照結(jié)構(gòu)的需要進(jìn)行排列，以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減震的智能化。

智能混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實(shí)際工程，還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復(fù)黏結(jié)劑的選擇；封入的方法以及愈

合后混凝土耐久性能的改善等。

為促進(jìn)智能混凝土研究工作的順利開(kāi)展，有必要就以下幾點(diǎn)達(dá)成共識(shí)。

1.開(kāi)發(fā)應(yīng)有針對(duì)性。所謂針對(duì)性就是要針對(duì)混凝土性能發(fā)生惡化和結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞等現(xiàn)象，考慮不同的智能方法。如針對(duì)這些現(xiàn)象，設(shè)想開(kāi)發(fā)出一種能應(yīng)對(duì)所有這些情況的手段是很困難的，因此，縮小智能化范圍，以某種功能為對(duì)象，從而開(kāi)發(fā)出相對(duì)適應(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)行，因而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)以原有工藝為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的較為簡(jiǎn)單的方法。選用的材料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，要有利于安全使用，不揮發(fā)任何有刺激的氣味和其他有害物質(zhì)，并能大量應(yīng)用而且成本較低。

3.設(shè)計(jì)應(yīng)具有綜合性。采用智能化，雖然可以提高材料的耐久性，但也會(huì)帶來(lái)負(fù)面作用。如由于使用了某種材料雖然能對(duì)某種惡化現(xiàn)象進(jìn)行控制和改善，但是否會(huì)對(duì)強(qiáng)度等其他性能有所影響，所有這些正反兩方面的問(wèn)題都必須在判斷和設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行綜合考慮和權(quán)衡。

三、結(jié)語(yǔ)

智能混凝土是智能化的產(chǎn)物，它在對(duì)重大土木基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)變的實(shí)量監(jiān)測(cè)，損傷的無(wú)損評(píng)估，及時(shí)修復(fù)以及減輕臺(tái)風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對(duì)確保建筑物的安全和長(zhǎng)期的耐久性都具有重要性。而且在建筑向智能化發(fā)展的背景下，對(duì)傳統(tǒng)的建筑材料的研究、制造、缺陷預(yù)防和修復(fù)等都提出了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn)。

智能混凝土材料作為建筑材料域的高新技術(shù)，為傳統(tǒng)建材的未來(lái)發(fā)展注入了新的和活力，也提供了全新的機(jī)遇。其發(fā)展必將使混凝土材料的應(yīng)用具有更廣闊的前景和產(chǎn)生巨大的效益。隨著現(xiàn)代材料的不斷進(jìn)步，作為主要建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強(qiáng)度、高性能、多功能和智能化發(fā)展。停留在被動(dòng)和計(jì)劃模式的混凝土檢測(cè)與修復(fù)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代多功能和智能建筑對(duì)混凝土材料提出的要求。因此，研究和開(kāi)發(fā)具有主動(dòng)、自動(dòng)地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)、恢復(fù)的智能混凝土已成為結(jié)構(gòu)+功能（智能）一體化的發(fā)展趨勢(shì)。