混凝土作为最主要的建筑材料，经历了漫长的从普通的结构材料--复合材料--功能材料的发展过程，而每一个发展阶段都凝聚了时代科技进步的成果，并顺应了人们物质和精神生活的需要。目前，随着现代电子信息技术和材料科学的迅猛发展，促使社会及其各个组成部分，如交通系统、办公场所、居住社区等等向智能化方向发展。混凝土材料作为各项建筑的基础，其智能化的研究和开发自然成为人们关注的焦点。损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相继出现为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。作为混凝土材料发展的高级阶段，智能混凝土的研究和开发方兴未艾，本文系统总结了近十年来智能混凝土的发展历史和研究现状，并对其今后的发展趋势提出若干看法和设想。 1 . 智能混凝土的定义
智能混凝土是指在原有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、自修复特性的多功能材料。根据所复合的智能型组分的不同, 智能混凝土主要分为碳纤维混凝土、光纤维混凝土、形状记忆合金混凝土及其它一些有特殊功能的混凝土。 2 . 各类智能混凝土的介绍及应用
2.1碳纤维混凝土
碳纤维混凝土是指在混凝土中均匀地加入碳纤维而构成的混凝土, 具有压敏性, 温敏性和磁敏性。
(1)碳纤维混凝土的压敏性
水泥与天然石材骨料组: 成的混凝土完全干燥后, 具有极高的电阻率. 因此它被归为绝缘体材料。普通的混凝土介于绝缘体和良性导体之间,
碳纤维具有优良的导电性能.美国的D1D1L1Chung 等在1989年首先发现, 在混凝土中掺入一定量的短碳纤维导电材料, 可以使混凝土试件的导电性大大改善。碳纤维的掺入量、长短及在基质中分布的均匀程度直接关系到碳纤维混凝土的导电性。其导电原理为: 掺入的短碳纤维在水泥混凝土基质中出现相互关联的带电粒子的通道,通过电极施加电场时, 电子沿通道运动而具有导电性。另一方面碳纤维本身在应力作用下, 其电阻率随应力增加而增大。所以, 从宏观上分析, 其电阻率Q随所加应力R 的变化而变化, R 增大, Q也相应地增加.
通过对材料的宏观行为和微观结构变化进行观测, 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,如电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形, 而电阻率的不可逆变化对应于非弹性变形和断裂状态。据此, 可通过碳纤维混凝土电阻率的变化来确定其处于安全、损伤或破坏的哪一阶段。通过与碳纤维相连的计算机, 可直接反映所在结构部位混凝土的工作状态, 实现结构工作状态的在线监测, 当结构内部应力接近损伤区或破坏区时, 即可自动报警。同时, 利用复合材料的敏感性可有效地监测拉、弯、压等工况, 以及在静态或动态荷载作用下材料的内部情况。当在水泥净浆中掺加0.5% (体积) 的碳纤维时, 它作为应变传感器的灵敏度可达700, 远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现, 无论是在拉伸或是压缩状态下, 碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数增多而发生不可逆的降低。因此, 可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土, 研究人员能确定阻抗和载重之间的关系, 当自感应混凝土用在公路上时, 人们可以判定该路的路况, 即车辆的方位、重量和速度等参数, 为交通管理的智能化提供材料基础。
(2) 碳纤维混凝土的温敏性
碳纤维混凝土具有良好的温敏性。一方面, 含有碳纤维的混凝土会产生热电效应(即seeback
效应)。在最高温度为70℃ , 最大温差为15℃ 范围内, 其温差电动势E 与温差t之间有较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部和周围环境温度变化的实时监控。另一方面, 当对碳纤维混凝土施加电场时, 在混凝土中会产生热电效应, 即所谓的电热效应。研究表明,seeback和电热效应都是由于碳纤维混凝土中存在空穴导电所致。因此可以利用电热效应, 把碳纤维混凝土应用于机场跑道、桥梁路面等工程中以实现自动融雪和除冰的功能。在实际工程应用中, 已取得很好的效果。
(3)碳纤维混凝土的磁敏性
在混凝土中掺入0. 5% (体积分数) 的直径为0.1um的碳纤维丝, 则这种混凝土对1GH z的电磁波的反射强度要比普通混凝土对1GH z的电磁波的反射强度高10dB, 且其反射强度比透射强度低3~ 11dB。研究表明, 对碳纤维微丝经臭氧处理后, 再掺入混凝土中, 明显地提高混凝土反射电磁波的能力, 同时还能提高混凝土的抗拉强度。采用这种混凝土作为车道两侧导航标记, 可实现自动化高速公路的导航。汽车上的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波,经过反射, 由汽车上的电磁波接收, 再通过汽车上的电脑系统进行处理, 即可判断并
控制汽车的行驶线路。采用这种混凝土作导航标记, 成本低, 可靠性好, 准确度高。掺入碳纤维的混凝土的费用要比普通混凝土高出约30%, 但这仍比在混凝土结构中粘贴和埋入传感元件便宜得多。因此, 当某些重要结构需要进行实时监测时, 可优先考虑掺入碳纤维的混凝土。
2.2 光纤维混凝土
(1) 光纤传感技术
先前, 人们利用光纤作为光的传输介质, 进行信息传输, 如光纤通信、光纤内窥镜等。在光通信系统中, 光纤用作远距离传输光信号的媒介, 实际上, 在光传输的过程中,光纤易受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, 人们发现若能测出光波量的变化, 即可知道导致该光波量变化的温度、压力、磁场、等物理量的大小, 于是出现了光纤传感技术。
(2) 光纤的构造及特性
光导纤维(简称光纤) 主要由两部分构成: 一是纤芯,二是包覆纤芯的低折射率包层。纤芯主
要由非晶态的石英玻璃组成, 并掺杂了锗、硼、磷等氧化物, 以改变折射率, 纤芯直径一般为5 ~ 50um; 包层通常由高硅玻璃制成, 其直径(包括纤芯在内) 一般为125um。为保护光纤表面不受损伤, 还要在其外面包覆一层薄薄的塑料, 通常为硅树脂或氨基甲酸乙酯。光纤根据纤芯与包层折射率的分布情况分为阶跃型光纤和渐变型光纤; 根据光纤中传输模式多少可分为单模光纤和多模光纤。
(3) 光纤传感智能混凝土原理及应用
光纤的主要材料是Si02，它由内、外两层介质构成． 内层是一个透明的圆柱形介质，它位于光纤的中心，称为纤芯 外层是轴对称并与纤芯共轴的圆环形透明介质，称为包层。由于纤芯材料的折射率n 大于包层的折射率n ，因此根据smeⅡ原理和全内反射法则， 当光在具有高折射率的纤芯向低折射率的包层传播时将被全部反射回纤芯。这样， 光在光纤中传播将很少损失能量， 从而可以传播至很远的地方。
用光纤材料制作机敏棍凝土结构是将光纤直接埋人混凝土结构中。这样， 当结构因受力和温度变化产生变形或裂缝时， 就会引起埋置其中的光纤产生变形， 从而导致通过光纤内的光在光强、相位、波长或偏振方面发生变化。由于光纤传感器就制作在光纤上或直接利用
光纤本身， 因此通过它就可获取光变化的信息， 从而确定结构的应力、变形或裂缝， 实现结构应力、变形和裂缝的自监测和自诊断。考虑到光纤传感可实现分布式监测， 即在混凝土结构中布设光纤网络， 这样不管结构何处的应力、变形和裂缝， 都可以被监测到。这充分说明， 光纤机敏混凝土结构是一种具有强大自监测和自诊断功能的智能材料结构。
2.3 形状记忆合金混凝土
形状记忆合金( SMA ) 是一种新型的功能材料, 具有独特的形状记忆和超弹性性能, 被广泛用于构成各种智能结构。
在某一温度范围内, 对形状记忆合金施加一定的外力,使其产生超出弹性范围的拉伸塑性变形, 当外力撤去后, 会产生残余变形, 若此时, 再对形状记忆合金加热至一定温度t以上, 则残余变形消失, 形状记忆合金恢复到原来形状,这就是形状记忆合金的形状记忆特性。将该形状记忆合金埋入混凝土易产生裂缝的部位或构件, 当该部位或构件由于荷载、温度变化等外部因素作用而产生较大裂缝时, 会引起该处形状记忆合金产生塑性变形, 通过一定装置对形状记忆合金加热到超过温度t, 可使形状记忆合金收缩。此时, 受到限制的合金丝就会对裂缝施加压应力, 迫使裂缝变小或合拢。同时, 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。
2.4 其他智能混凝土
一些有特殊要求的混凝土结构, 或比较重要的混凝土结构, 往往对其性能有特殊的要求, 为达到该特殊要求, 需要在混凝土中掺加一些有特定功能的组分, 从而配制出有特定功能的智能混凝土。
(1)自愈混凝土自调节混凝土
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。为此, 可在混凝土中掺入沸石粉,即可对室内湿度进行自动调节, 它具有如下特点: 优先吸附水分; 水蒸气压低的地方, 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。
(2)控制水化热的大体积混凝土
在浇筑大体积混凝土时, 由于水泥水化产生的热量得不到完全释放, 容易在混凝土内产生温度裂缝。为避免温度裂缝的产生, 可在混凝土中掺入含有缓凝剂的蜡丸, 对水泥的水化速度
进行控制。当混凝土的温度升高到特定温度时, 蜡丸即融化并泄出缓凝剂, 使水泥的水化延缓或停滞, 并使水化热不致超过规定的温度限值。试验结果表明, 混凝土温度快速上升速度和最高温度都是可以控制的。同时发现, 与未加缓凝剂蜡丸的普通混凝土相比, 其长期的抗压强度具有明显的优势。
(3)防火灾烧裂高强混凝土
混凝土技术与其工艺表明, 通过降低混凝土水灰比, 并掺入硅灰一类粉状掺和料, 使混凝土的微组织更加致密, 从而获得了高强混凝土。但这种混凝土的微组织结构, 一旦遭受火灾时, 混凝土内的水分即快速蒸发, 压力随之增高, 而蒸汽却无法泄出, 结果即引起混凝土燥裂。为防止高强混凝土在火灾时发生爆裂, 有一种方案是在混凝土内掺入1% (体积比) 的聚丙稀( p loypropy lene) 短纤维。由于掺量极为有限, 因此对混凝土的强度和刚度的影响极小, 一般可以忽略不计。但掺有聚丙稀短纤维的混凝土, 在遭受火灾时, 随着温度的升高, 聚丙稀短纤维却开始熔化, 并在混凝土内形成相当多的空隙, 混凝土内的蒸汽即向外泄出, 避免了高强混凝土因火灾而发生爆裂的事故。这种防火灾爆裂高强混凝土, 实际上也是一种智能混凝土。这种智能混凝土的开发更有利于高强混凝土的推广和应用。
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