[摘 要] 混凝土是現(xiàn)代最主要的建筑材料,但其功能單一、技術(shù)含量低、耐久性差的特點(diǎn)嚴(yán)重制約了混凝土材料的發(fā)展,因此在混凝土材料中復(fù)合一些特殊材料,使之具有某些特殊功能,機(jī)敏混凝土就是這樣一種具有感知和修復(fù)性能的智能混凝土,是在混凝土原有的組成基礎(chǔ)上摻加復(fù)合智能型組分,使其具有一定的自感知、自適應(yīng)和損傷自修復(fù)等智能特性的多功能材料。
[關(guān)鍵詞] 機(jī)敏混凝土;自感知;自適應(yīng);自修復(fù)
1 引言
機(jī)敏混凝土是一種具有感知和修復(fù)性能的混凝土,是智能混凝土的初級(jí)階段,是混凝土材料發(fā)展的高級(jí)階段。智能混凝土是在混凝土原有的組成基礎(chǔ)上摻加復(fù)合智能型組分, 使混凝土材料具有一定的自感知、自適應(yīng)和損傷自修復(fù)等智能特性的多功能材料,根據(jù)這些特性可以有效的預(yù)報(bào)混凝土材料內(nèi)部的損傷,滿足結(jié)構(gòu)白我安全檢測(cè)需要,防止混凝土結(jié)構(gòu)潛在的脆性破壞,能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。近年來(lái),損傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機(jī)敏混凝土的相續(xù)出現(xiàn)為智能混凝土的研究和發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2 機(jī)敏混凝土的發(fā)展概況
智能混凝土是智能材料的一個(gè)研究分支,20 世紀(jì)60 年代,前蘇聯(lián)學(xué)者開(kāi)始研究混凝土的復(fù)合功能,采用碳黑為導(dǎo)電組分制備了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。20 世紀(jì)80 年代末,日本土木工程界的研究人員設(shè)想并著手開(kāi)發(fā)構(gòu)筑高智能結(jié)構(gòu)的所謂“對(duì)環(huán)境變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。20 世紀(jì)90 年代初,日本建設(shè)省研究所曾與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)合作研制了具有調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)承載力的自調(diào)節(jié)混凝土材料,使混凝土具有某些記憶功能。日本學(xué)者H. Hiarshi 采用在水泥基材內(nèi)復(fù)合內(nèi)含粘結(jié)劑的微膠囊(稱為液芯膠囊) 制成具有自修復(fù)智能混凝土。美國(guó)伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry 采用在空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑,制成具有自修復(fù)智能混凝土。1993 年美國(guó)開(kāi)辦了與土本建筑有關(guān)的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。在寒冷地區(qū),基于碳纖維混凝土的道路及橋梁路面的自適應(yīng)溶雪和融冰系統(tǒng)的智能混凝土研究已經(jīng)在歐美等國(guó)家展開(kāi),并取得了一定的進(jìn)展。
同濟(jì)大學(xué)等國(guó)內(nèi)高等院校曾在混凝土材料中復(fù)合壓電陶瓷來(lái)研制自調(diào)節(jié)混凝土材料,并且取得了某些成果;在研制自修復(fù)智能混凝土的思路是綜合了自然愈合、基體增強(qiáng)和有機(jī)物釋放等機(jī)制,在混凝土材料組分中復(fù)合活性無(wú)機(jī)摻和料、微細(xì)低彈模纖維和有機(jī)化合物,從而在混凝土內(nèi)部形成自增強(qiáng)、自愈合網(wǎng)絡(luò),使混凝土裂縫重新愈合,恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能;調(diào)整有機(jī)物的摻量,可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土材料微裂縫的自行多次愈合。
同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究實(shí)驗(yàn)室正在研究的仿生自診斷和自修復(fù)智能混凝土是模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)創(chuàng)傷的感知和生物組織對(duì)創(chuàng)傷部位愈合的機(jī)能,在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特殊組分(如仿生傳感器、含粘結(jié)劑的液芯纖維等) ,使混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自診斷、自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)混凝土材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷時(shí),仿生傳感器可以及時(shí)預(yù)警;當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋時(shí),部分液芯纖維破裂,粘結(jié)劑流出深入裂縫,使混凝土裂縫重新愈合,恢復(fù)并提高混凝土材料的性能, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土材料的自動(dòng)診斷實(shí)時(shí)檢測(cè)和及時(shí)修復(fù),確?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全性,延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。
3 目前機(jī)敏混凝土所具有的智能特性
目前智能混凝土研究處于初級(jí)階段,具有自診斷、自調(diào)節(jié)和損傷自修復(fù)等性能,并且這些性能在一種混凝土結(jié)構(gòu)中不能全部體現(xiàn)出來(lái),只是初步具有某一種智能(確切的說(shuō)是一種反應(yīng)性能) 特性。
3. 1 自診斷智能混凝土
自診斷智能混凝土具有壓敏性和溫敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感應(yīng)功能,但在混凝土基材中摻入部分導(dǎo)電相組分制成的復(fù)合混凝土可具備自感應(yīng)性能。目前常用的導(dǎo)電組分可分為三類:聚合物類、碳類和金屬類, 而最常用的是碳類和金屬類。碳類導(dǎo)電組分包括石墨、碳纖維及碳黑;金屬類材料則有金屬微粉末、金屬纖維、金屬片、金屬網(wǎng)等。
3. 1. 1 自診斷智能混凝土的壓敏性
碳纖維是一種高強(qiáng)度、高彈性且導(dǎo)電性能良好的材料。在水泥基材料中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強(qiáng)度和韌性,而且其物理性能,尤其是電學(xué)性能也有明顯的改善,可以作為傳感器并以電信號(hào)輸出的形式反映自身受力狀況和內(nèi)部的損傷程度。碳纖維水泥基材料在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力的彈性階段其電阻變化率隨內(nèi)部應(yīng)力線形增加,當(dāng)接近構(gòu)件的極限荷載時(shí),電阻率逐漸增大,預(yù)示構(gòu)件即將破壞;而基準(zhǔn)水泥基材料的導(dǎo)電性能幾乎無(wú)變化,直到臨近破壞時(shí),電阻變化率劇烈增大,反應(yīng)了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)在水泥基材料中摻入碳纖維混凝土復(fù)合材料在受力時(shí)的電阻變化與所受荷載呈現(xiàn)的這種線性關(guān)系,可以掌握其內(nèi)部的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系,該機(jī)敏性反映了內(nèi)部損傷狀況的豐富信息;據(jù)此可以敏感有效的監(jiān)測(cè)拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況。
3. 1. 2 自診斷智能混凝土的溫敏性
碳纖維混凝土除具有壓敏性外,還具有溫敏性,即溫度變化引起電阻變化(溫阻性) 及碳纖維混凝土內(nèi)部的溫度差會(huì)產(chǎn)生電位差的熱電性(Seebeck 效應(yīng)) 。不同纖維摻量的混凝土的溫阻試驗(yàn)表明,在初始階段,隨溫度的升高,均出現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)NTC(negative temperature coefficient) 效應(yīng),即電阻率隨溫度的提高而下降;當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界溫度時(shí),不含碳纖維的混凝土其電阻率出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái),隨溫度無(wú)明顯改變, 而含有碳纖維的水泥基材料,則出現(xiàn)正溫度系數(shù)PTC(positive temperature coefficient) 效應(yīng),即電阻率隨溫度的升高而逐漸提高。碳纖維混凝土的這種溫阻現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及熱敏元件和火警報(bào)警器等,可望應(yīng)用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。
3. 2 自調(diào)節(jié)機(jī)敏混凝土
自調(diào)節(jié)機(jī)敏混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。F. H. Wittmann 在1973 年首先研究了力電(由變形產(chǎn)生電) 、電力(由電產(chǎn)生變形) 效應(yīng)。F. H. Wittmann 在做水泥凈漿小梁彎曲時(shí),通過(guò)附著在梁上下表面的電極可檢測(cè)到電壓,且對(duì)其逆反應(yīng)———電力效應(yīng)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)梁產(chǎn)生彎曲變形,改變電壓的方向時(shí),彎曲的方向也發(fā)生相應(yīng)的變化。
20 世紀(jì)90 年代初,日本建設(shè)省研究所曾與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)合作研制了具有調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)承載力的自調(diào)節(jié)混凝土材料,該方法是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)受到異常荷載干擾下,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。
碳纖維混凝土具有電熱(由電產(chǎn)生熱) 、電力(由電產(chǎn)生變形) 等效應(yīng),因此結(jié)構(gòu)可對(duì)自身進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),可針對(duì)由于溫度所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形進(jìn)行調(diào)節(jié),對(duì)自身的變形在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)研究表明,碳纖維混凝土具有良好的導(dǎo)電性,且通電后其發(fā)熱功率十分穩(wěn)定?？捎闷潆姛嵝?yīng)來(lái)對(duì)混凝土路面橋面和機(jī)場(chǎng)跑道等結(jié)構(gòu)進(jìn)行融雪化冰等。在寒冷地區(qū),基于碳纖維混凝土的道路及橋梁路面的自適應(yīng)溶雪和融冰系統(tǒng)的智能混凝土研究已經(jīng)在歐美等國(guó)家展開(kāi),并取得了一定的進(jìn)展。
機(jī)敏混凝土的力電效應(yīng)、電力效應(yīng)是基于電化學(xué)理論的可逆效應(yīng),因此將電力效應(yīng)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的傳感和驅(qū)動(dòng)時(shí),可以在一定范圍內(nèi)對(duì)它們實(shí)施變形調(diào)節(jié)。例如,對(duì)于平整度要求極高的特殊鋼筋混凝土橋梁,可通過(guò)機(jī)敏混凝土的電熱和電力自調(diào)節(jié)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)由于溫度自重所引起的蠕變;機(jī)敏混凝土的熱電效應(yīng)使其可以方便的實(shí)時(shí)檢測(cè)建筑物內(nèi)部和周?chē)h(huán)境溫度變化,并利用電熱效應(yīng)在冬季控制建筑物內(nèi)部環(huán)境的溫度,可極大的促進(jìn)智能化建筑的發(fā)展。
3. 3 自修復(fù)機(jī)敏混凝土
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。含有微裂紋的混凝土在一定的環(huán)境條件下是能夠自行愈合的,但自然愈合有其自身無(wú)法克服的缺陷,受混凝土的齡期、裂紋尺寸、數(shù)量和分布以及特定的環(huán)境影響較大,而且愈合期較長(zhǎng),通常對(duì)較晚齡期的混凝土或當(dāng)混凝土裂縫寬度超過(guò)了一定的界限,混凝土的裂縫很難愈合。
國(guó)內(nèi)的研究表明,摻有活性摻和料和微細(xì)有機(jī)纖維的混凝土破壞后其抗拉強(qiáng)度存在自愈合現(xiàn)象;國(guó)外研究混凝土裂縫自愈合的方法是在水泥基材料中摻入特殊的修復(fù)材料,使混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中發(fā)生損傷時(shí),修復(fù)材料(粘結(jié)劑) 進(jìn)行恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。
美國(guó)伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry 采用在空心玻璃纖維中注入縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑,埋入混凝土中,制成具有自修復(fù)智能混凝土。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中發(fā)生損傷時(shí),空心玻璃纖維中的粘結(jié)劑流出愈合損傷,恢復(fù)甚至提高混凝土材料的性能。日本學(xué)者H. Hiarshi 采用在水泥基材內(nèi)復(fù)合內(nèi)含粘結(jié)劑的微膠囊(稱為液芯膠囊) 制成具有自修復(fù)智能混凝土。一旦混凝土材料出現(xiàn)損傷裂紋時(shí),該裂紋附近的部分由于拉力作用而使部分膠囊破裂,凝結(jié)液流出, 使損傷處重新粘合,達(dá)到自愈合的效果。但存在空心纖維或膠囊的制備與混凝土材料共同攪拌而不破碎、修復(fù)材料的時(shí)效和多次愈合的可行性等一系列問(wèn)題。
4 結(jié)語(yǔ)
機(jī)敏混凝土是智能化時(shí)代的產(chǎn)物,將先進(jìn)的機(jī)敏混凝土材料融入到土木基礎(chǔ)設(shè)施的安全系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷自診斷、自修復(fù)和抗震減振的智能化結(jié)構(gòu),提高結(jié)構(gòu)性能,綜合利用有限的建筑空間,減少和節(jié)省運(yùn)行和維修費(fèi)用,對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的壽命、提高安全性和耐久性都有重要意義。
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