智能混凝土的研发？
随着现代材料科学的不断进步，混凝土作为最重要的建筑材料之一，逐渐向高强度、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于庞大和复杂。然而，混凝土结构在使用过程中会受到环境载荷的影响。在疲劳效应、腐蚀效应、材料老化等不利因素的影响下，结构不可避免地会产生损伤累积、抗力衰减甚至导致意外事故。为了有效避免意外事故的发生，延长结构的使用寿命，有必要对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时修复。现有的无损检测方法，如X射线和C扫描的声学检测，只能定性检测，不能定量和数字化，更重要的是不能实现实时监测。因此，很难监测结构的内部状态和估计损伤，甚至不可能，论文题目。传统的混凝土结构维修方法主要是对受损部位进行外部加固，而对受损的原有结构进行修复，特别是对结构内部的损伤进行修复是比较困难的。随着现代社会向智能化发展，这种停留在被动和计划模式的检测和修复模式，已经不能满足现代多功能、智能化建筑对混凝土材料的要求。因此，研究和开发具有结构自诊断、自调整、自修复和自恢复功能的智能混凝土已成为结构与功能一体化(智能化)的发展趋势。
1.智能混凝土的定义和发展历史
智能材料是指能够“感知环境条件并做出相应动作”的材料。它能够模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能够感知外界环境的变化因素并自动做出及时决策。反应灵敏恰当，具有自诊断、自调节、自修复和寿命预测功能。智能混凝土是在混凝土原有成分的基础上，结合智能成分，使混凝土具有自我感知、记忆、自适应、自我修复等特性的多功能材料。根据这些特性，可以有效预测混凝土材料的内部损伤，满足结构自身安全检测需求，预防混凝土结构潜在的脆性破坏，并根据检测结果自动修复混凝土结构，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。如上所述，智能混凝土具有自我意识、自我记忆和自适应能力。自修复等功能缺一不可，以目前的科技水平，制备完美的智能混凝土材料相当困难。然而，近年来出现了损伤自诊断混凝土和温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土相继出现；为智能混凝土的研究奠定了坚实的基础。
1.1损伤自诊断混凝土
自诊断混凝土具有压力敏感性和温度敏感性等自感知功能。普通混凝土材料本身不具有自感功能，而是在混凝土基材中结合一些其他材料成分，使混凝土本身具有内在的自感功能。目前常用的材料成分有:聚合物、碳、金属、光纤。其中，碳、金属和光纤是最常用的。下面主要介绍目前研究中比较流行的两种损伤自诊断混凝土。
1.1.1碳纤维智能混凝土
碳纤维是一种具有高强度、高弹性和良好导电性的材料。在水泥基材料中添加适量的碳纤维，不仅可以显著提高强度和韧性，还可以显著改善其物理性能，尤其是电性能。它可以作为传感器，以电信号输出的形式反映自身的应力和内部损伤。在混凝土材料中加入一定形状、尺寸和用量的短碳纤维，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和运行程度的功能。通过观察发现，水泥基复合材料的电阻变化与内部结构变化相对应。在结构构件的弹性阶段，碳纤维水泥基材料的抗力变化率随内应力呈线性增加，当接近构件的极限荷载时，抗力逐渐增大，预示着构件即将破坏。而基准水泥基材料的电导率几乎不变，直到接近破坏，电阻变化率急剧增加，反映了混凝土中的应力应变关系。根据纤维混凝土的这一特点，通过测试纤维混凝土的工作状态，可以在线监测结构的工作状态[2]。在碳纤维损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是一个传感器，可以监测混凝土在拉伸、压缩、弯曲静载和动载等外界因素作用下的弹性变形、塑性变形和损伤开裂。通过在水泥浆中加入适量的碳纤维，发现应变传感器的灵敏度远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论是拉伸还是压缩，碳纤维混凝土的体积电导率都会随着疲劳次数的增加而不可逆地降低。因此，这一现象可以用来监测混凝土材料的疲劳损伤。通过对这种自感知混凝土进行校准，研究人员可以确定阻抗和负载之间的关系，从而确定用自感知混凝土建造的道路上的车辆方位、负载和速度等参数，为交通管理的智能化提供了物质基础。
碳纤维混凝土不仅对压力敏感，而且对温度敏感，即温度变化引起电阻变化(温度电阻)和碳纤维混凝土内部的温差产生电位差的热电(塞贝克效应)。实验表明，在最大温度70℃和最大温差65438±05℃范围内，热电势(E)与温差T之间存在良好而稳定的线性关系。当碳纤维含量达到临界值时，其热电电动势率有一个最大值，灵敏度高，因此这种材料可以用来实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监测。还可实现大体积混凝土温度的自我监测，可用于有温度控制和火灾报警要求的智能混凝土结构中，如热敏元件和火灾报警器。
除了自感功能，碳纤维混凝土还可以用于工业防静电结构。公路路面和机场跑道除冰融雪。钢筋混凝土结构中钢筋的阴极保护。住宅和农场等的电热结构。
1.1.2光纤传感智能混凝土
光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋设光纤传感器或其阵列，检测混凝土在碳化和加载过程中的内部应力应变变化，实时监测外力和疲劳引起的变形、裂缝和膨胀破坏。在光纤传输过程中，光容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场和磁场的变化，引起光强、相位、频率和偏振态的变化。因此发现，如果能测量光波量的变化，就可以知道引起光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，光纤传感技术出现了。近年来，国内外研究了光纤传感器在钢筋混凝土结构和建筑物检测中的应用，研究了混凝土结构内部状态如应力、应变和裂缝发生发展的光纤传感器技术，包括混凝土硬化过程中的监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用为土木结构的智能化和内部状态提供了一种实时、在线的无损检测手段，有利于结构的安全监测、整体评估和维护。到目前为止，光纤传感器已经在许多工程中得到应用，如加拿大Caleary公司建造的一座名为Beddington Tail的双跨公路桥的内部应变状态监测。美国Winooski某水电站大坝振动监测:国内项目有渝长高速公路红草坊大桥监测、芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。
1.2自调整智能混凝土
自调节智能混凝土具有电效应和电热效应。除了正常的荷载外，人们还希望混凝土结构在台风、地震等自然灾害中，能够调整自身的承载能力，减缓结构的振动。但由于混凝土本身是一种惰性材料，要达到自调节的目的，就需要复合具有驱动功能的组分材料，如形状记忆合金(SMA)、电流变液(er)。形状记忆合金具有形状记忆效应。如果在室温下受到超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热到至少超过相变温度时，原来的残余变形可以消失并恢复到原来的尺寸。将形状记忆合金嵌入混凝土中，利用形状记忆合金对温度的敏感性和在不同温度下恢复相应形状的功能。当混凝土结构受到异常荷载扰动时，通过记忆合金的形状变化，使混凝土结构的内应力重新分布，产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载能力。
电流变液是一种悬浮液体，其粘度、弹性等流变特性可以通过外加电场来控制。电流变液在外加电场的作用下，可在0.1ms内结合成链状或网状结构的固体凝胶，其初始程度随外加电场的增大而变化至完全凝固，当外加电场撤除后，其流变状态仍可恢复。当混凝土结构遭受台风和地震袭击时，结合混凝土中的电流变液，可以调节混凝土结构的流变特性，改变结构的自振频率和阻尼特性，达到减缓结构振动的目的。
有些建筑对室内湿度有严格的要求，如各种展厅、博物馆、美术馆等。为了实现稳定的湿度控制，常常需要许多湿度传感器、控制系统和复杂的布线，它们的成本和维护成本都很高。日本学者研发的可自动调节环境温度的混凝土材料，可以检测室内环境湿度，根据需要进行调节。这种具有自动调节环境湿度功能的混凝土材料的关键成分是沸石粉。其机理是沸石中的硅酸钙含有孔隙。这些孔可以选择性地吸附水分、NOx和S0x气体。通过选择沸石的种类，可以制备自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有以下特点:(1)优先吸附水；水蒸气压力低的地方，其吸湿能力大；吸湿和脱湿与温度有关，温度升高时释放水分，温度下降时吸收水分。
1.3自修复智能混凝土结构在使用过程中，大部分结构都是通过接缝工作的。混凝土出现裂缝不仅降低强度，空气中的CO2、酸雨、氯化物也容易通过裂缝侵入混凝土内部，使混凝土碳化，腐蚀混凝土中的钢筋，对地下结构或含有危险品的处理设施尤其不利。混凝土一旦出现裂缝，就很难检查和维修。自修复混凝土就是应这一需求而产生的。在人类的现实生活中，我们可以看到皮肤被切开后，经过一段时间后会自然长好，而且是无缝修复；骨头断了以后，只要缝接好，断骨就会自动愈合。自愈混凝土[4]是一种模仿生物组织，自动向受伤部位分泌某种物质，使受伤部位愈合的功能。智能仿生自愈神经网络系统是通过结合混凝土传统组分中的特征组分(如液芯纤维或含粘结剂的胶囊)在混凝土中形成的，模仿动物的骨组织结构和创伤后的再生恢复机制。将粘结材料与基体材料相结合，制成一种具有材料损伤后自愈合和再生功能的新型复合材料，可以恢复甚至提高材料性能。在日本，由东北大学教授Hirofumi Mitsuhashi领导的日本学者将含有粘合剂的胶囊或中空玻璃纤维混合到混凝土材料中。一旦混凝土在外力作用下开裂，部分胶囊或中空玻璃纤维断裂，粘结液流出造成深裂缝。粘结液可以使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊大学的Carolyn Dry在1994中采用了类似的方法，将人乙缩醛的聚合物溶液作为粘结剂注入中空玻璃纤维中，埋入人体混凝土中，使混凝土具有自愈合功能。在此基础上，Carolyn Dry还尝试根据动物骨骼的结构和形成机理制备仿生混凝土材料。基本原理是以磷酸钙骨水泥(含单体)为基质材料，在其中加入多孔编织纤维网。在水泥水化硬化过程中，多孔纤维释放聚合引发剂和单体聚合成高聚物，聚合反应留下的水参与水泥水化。这样，在纤维网的表面形成了大量的有机和无机物质，这些物质相互穿插、相互粘结。最终的复合材料是类似于动物骨骼结构的无机和有机材料的组合，并且具有优异的强度和延展性。而且在材料使用过程中，如果出现损伤，多孔有机纤维会释放聚合物，愈合损伤。
2.智能凝血规划的研究现状及应注意的问题。
上面提到的自诊断、自调整、自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段。它们只具备智能混凝土的一些基本特征，是智能混凝土的简化形式。所以也有人称之为智能混凝土。但是，这种功能单一的混凝土并不能起到智能混凝土的作用。目前，人们致力于组装两种以上功能的所谓智能组装混凝土材料的研究。混凝土材料智能组装是将具有自感应、自固化、自修复成分的材料与混凝土基材结合并根据结构需要进行排列，实现混凝土结构内部损伤的智能自诊断、自修复和抗震减振。
智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步研究:比如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置、耐久性等；光纤混凝土光纤传感器阵列的优化布置:自愈合混凝土修复用粘结剂的选择。封人的方法和愈合后混凝土耐久性的提高。解决这些问题将对智能混凝土的未来发展产生深远的影响。为了促进智能混凝土研究的顺利开展，有必要对以下几点形成* * *认识:
(1)发展要有针对性。所谓针对性，就是针对混凝土性能劣化和结构损伤考虑不同的智能方法。对于这些现象，很难想象开发出一种手段来应对所有这些情况。因此，需要缩小智能的范围，以某一功能为目标，从而开发出相对最适应的方法。
(2)实施上要可行。混凝土浇筑多在施工现场进行，所以作为智能混凝土的一种施工方法，技术工艺要求不能太高。我们应该在原有流程的基础上开发一个相对简单的方法。所选材料应具有化学稳定性，有利于安全使用，不挥发任何刺激性气味和其他有害物质，用途广泛，成本低廉。
(3)设计要全面。利用智能可以提高材料的耐久性，但也会带来负面影响。如果使用某种材料可以控制和改善某种劣化现象，但是否会影响强度等其他性能，所有这些正反问题都要在判断和设计中综合考虑和权衡。
3.结论
智能混凝土是智能时代的产物。它在监测重大民用基础设施的应变、无损评估损伤、及时修复以及减轻台风和地震的影响等方面具有巨大潜力，对确保建筑物的安全性和长期耐久性具有重要意义。而且，在现代建筑智能化发展的背景下，对传统建筑材料的研究、制造、缺陷预防和修复提出了强烈的挑战，作为建筑材料领域的高新技术，智能混凝土材料为传统建筑材料的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。它的发展必将使混凝土材料的应用前景更加广阔，产生巨大的社会效益和经济效益。
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