智能混凝土的开发与利用

吴宏江

东莞市全鑫混凝土搅拌有限公司

智能混凝土的开发与利用

吴宏江

东莞市全鑫混凝土搅拌有限公司

本文简要介绍了智能混凝土的智慧之处以及其应用的情况，并且根据智能型混凝土目前的发展状况展望了智能型混凝土未来的发展前景。

智能混凝土；自我感应；自我调节；自我修复；智能化

1 前言

新时期，建筑材料和建筑技术的迅猛发展迫使建筑向智能化方向发展。作为使用量最大的建筑材料，混凝土柱间实现了由传统的只具备承载作用的结构材料到多功能、高性能、智能化结构材料的转变。新兴的智能型混凝土材料作为建筑智能化的发展基础，在面临突发事故（例如地震等自然灾害）时，能够主动的进行结构的自我诊断、自我调节及自我修复，从而降低了灾害的损失，而且能够延长建筑的使用年限。

2 智能混凝土的定义及基本概况

智能型混凝土是在一般混凝土原有成分基础上添加了复合的智能型成分，使混凝土材料具备自我感知、自我调节、自我修复等功能的结构材料。通常情况下，一种复合智能成分的添加只能使混凝土具备一种特殊功能，想要混凝土材料具备多种功能需要添加多种复合智能型成分，但是这种做法会使混凝土的基本性能（即承载能力）大打折扣。目前，智能型混凝土还处于研发阶段，现有的科学技术水平不能制造出同时具备多种功能的混凝土。

3 智能混凝土的智能性及其应用

3.1 智能混凝土的自我感应能力

一般情况下，混凝土没有自我感应能力，但在混凝土成分中增添导电成分就能使其具有自我感应的能力，现在常用的导电成分包括碳类、金属类以及聚合物类。

碳类通常指碳纤维，它的导电性能优良且具备很高的弹性及强度。把一定尺寸、形状、渗量的短切碳纤维加入普通混凝土中就得到了碳纤维混凝土，其具备温敏性、压敏性及磁敏性等优良特性，这使得它本身就是一个传感器装置。碳纤维混凝土具备自我感应能力的理论基础是：其压应力与电阻率之间存在对应关系，通过检测器电阻率的变化就能大致上判断出混凝土内部应力、应变的改变情况，由此感知到混凝土内部的损伤部位。

光纤维混凝土是在普通混凝土中加入光纤维传感器阵列得到的。当混凝土结构受到压力或温度发生一定变化时，混凝土发生形变或出现裂缝，混凝土内部的光纤维也会随之发生形变，这时，通过观测光纤维的光强和波长等性质就能推测出结构的变化和裂缝的宽度。

3.2 智能混凝土的自我调节能力

混凝土材料是无生命的，其本身并不具有自我调节的能力，为使其能够自我调节，需向其中添加有驱动功能的复合型材料（例如电流变体及形状记忆合金等），现有的自我调节型混凝土主要负责建筑承载力及环境温湿度的调节。

电流变体其实是一种悬胶液，通过外电场的作用，其弹性、黏性等流变性能得以改变，电流变体会在一瞬间组合成链状或是网状的固凝胶，当电场作用消失后，固凝胶恢复流变状态。它的这种特性使得建筑结构在受到异常荷载时能够调节自身阻尼特性，在结构变形的过程中吸收大量能量，从而消弱异常荷载的冲击。

形状记忆合金属于新型金属功能材料，具备特殊的形状记忆能力、温敏性以及不同温度下恢复形状的能力。添加形状记忆合金的智能型混凝土结构在收到异常荷载时，记忆合金的形状发生改变，调整混凝土结构的内力分布并使结构具备一定得预应力，从而使得结构的承载力得到提高。

3.3 智能混凝土的自修复能力

大多数建筑的结构之中存在裂缝，空气中的水和二氧化碳等物质透过裂缝与结构中暴露的钢筋发生化学反应，造成钢筋腐蚀，并且侵入混凝土内部，碳化混凝土本身，最终瓦解整个建筑结构。由于以上问题的严重性，越来越多的科研人员投入到混凝土裂缝自我修复的研究之中。

目前，国内外学者在混凝土自我修复功能的研究上都采用了混入特殊修复材料的方法。美国学者的做法是：将缩酯高分子溶液注入到中空的玻璃纤维中，当建筑结构中出现裂缝时，中空的玻璃纤维破裂，缩酯高分子溶液从中流出使裂缝愈合，从而达到自我修复的效果。日本学者的做法是：在混凝土中混入包含粘接剂的微胶囊，当建筑结构中出现裂缝时，微胶囊破裂，粘接剂流出愈合裂缝，恢复建筑承载力。这些智能型混凝土的自我修复功能对于使用年限过长的建筑无能无力，相关研究仍在进行。

4 智能混凝土的发展现状及运用问题

现阶段，我国仍处于社会主义建设的初级阶段，基础性设施的建设正在如火如荼的开展之中。新时期，我国每年用于桥梁、公路、铁路、港口及房屋等基础设施建设的混凝土总量高达40亿立方米，混凝土的生产、应用、研究已经取得了明显的进步，但在智能型混凝土的研究应用方面仍需不断努力。现在，极大一部分智能型混凝土的功能单一，已有的智能型混凝土不能充分发挥智能型混凝土的优势，例如，碳纤维混凝土能够自我感知出结构内部受损部位，但不具备自我修复能力，建筑结构的修复工作仍需人工进行，这并不是真正实现了智能化，另外，人工修复建筑结构损伤往往不及时且修复难度过大。

目前，用于制造智能型混凝土的复合材料还十分有限，不过随着科技的进步，将不断有新的、性能优良的智能型复合材料应用到智能型混凝土的制造之中，现有的复合材料将是多功能智能型混凝土研发的基础和助推器。

智能型混凝土应用的一大瓶颈是科技水平的限制使得智能型混凝土的造价持高不下。开发商在建筑中使用智能型混凝土必然导致房价上升，民众的购房能力下降，房屋销售情况恶化，开发商不愿意看到这样的情况发生，所以，并不愿意在建筑中使用高价的智能型混凝土。

5 结语

综上所述，智能型混凝土的研究还停留在初级阶段，其自我感应、自我调节以及自我修复性能尚不能同时具备，而功能单一的混凝土材料不能满足现代智能型建筑的需要。智能型混凝土的基础是智能型的工程材料，所以应当加大智能型工程材料开发利用的力度，以便于实现智能型混凝土的全面优化。随着各国学者研究的深入，智能型混凝土将不断改进，作为智能性建筑的基础材料，智能型混凝土的应用前景十分广阔。

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[2]何欢.当前智能混凝土发展初探[J].中国新技术新产品,2010(16).

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