智能混凝土的研究现状

摘要:智能混凝土是现代建筑材料与现代科技相结合的产物，是传统混凝土材料发展的高级阶段。回顾智能混凝土的发展历史和研究现状，并展望智能混凝土的发展趋势和应用前景。

   关键词:智能混凝土；自感应混凝土；自调节混凝土；自修复混凝土

   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热点。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10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智能混凝土的定义和发展历史

   智能混凝土是在混凝土原有的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。智能混凝土是智能材料的一个研究分支，其起源可追溯到本世纪60年代，当时苏联学者首先采用碳黑为导电组分尝试制备了水泥基导电复合材料。80年代末，日本土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。

   1993年在国家自然科学基金资助下，美国开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。然而，正如上面所述，智能混凝土材料是自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平，制备完善的智能混摘要:智能混凝土是现代建筑材料与现代科技相结合的产物，是传统混凝土材料发展的高级阶段。回顾智能混凝土的发展历史和研究现状，并展望智能混凝土的发展趋势和应用前景。

   1.1自感应混凝土

   混凝土材料本身并不具备自感应功能，但在混凝土基材中复合部分导电相可使混凝土具备本征自感应功能。目前常用的导电组分可分3类:聚合物类、碳类和金属类，其中最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括:石墨、碳纤维及碳黑，金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片、金属网等。如美国的D.D.L.Chung等在1989年首先发现将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入混凝土材料中，可以使材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。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。而且这种复合材料可以敏感有效地监测拉、弯、压等工况及静态和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，研究人员能决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土做的公路上车辆的方位、重量和速度等参数，为交通管理的智能化提供了材料基础。

   含有碳纤维的混凝土还会产生热电效应(Seebeck效应)。在最高温度为70℃、最大温差为15℃的范围内，温差电动势E与温差△t之间具有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。

   将短切碳纤维加到混凝土中的额外费用将提高大约30%，但与粘贴或埋入传感器的做法相比仍然非常便宜，而且除了自感应功能外，这种混凝土材料还可应用于工业防静电结构、公路路面、机场跑道等处化雪除冰、钢筋混凝土结构中钢筋的阴极保护、住宅及养殖场的电热结构等。此外，采用高铝水泥和石墨、碳纤维等耐高温导电组分可以制备出耐高温的混凝土材料，用作新型发热源。

   1.2自调节混凝土

   混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动。混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料。90年代初，日本建设省建筑研究所曾与美国国家科学基金会合作研制了具有调整建筑结构承载能力的自调节混凝土材料。其基本方法是在混凝土中埋入形状记忆合金。利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载干扰下，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。近年来，同济大学混凝土材料研究国家重点实验室也曾尝试在混凝土中复合电粘性流体(一种在外界电场作用下可产生粘性、塑性和弹性等流变性能双向变化的悬胶液)来研制自调节混凝土材料。利用电粘性流体的电—流变效应，在混凝土结构受地震或台风袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率和阻尼特性以达到减振的目的。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。为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境湿度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需求对其进行调控。这种为混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为:沸石中的硅钙酸盐含有3×10-10～9×10-10m的孔隙，这些孔隙可以对水分、NOx和SOx气体选择性吸附。通过对沸石种类进行选择(天然的沸石有40多种)，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料，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；吸放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。这种材料已成功用于多家美术馆的室内墙壁，取得非常好的效果。

   1.3自修复混凝土

   自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理，采用粘接材料和基材相复合的方法，对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。日本学者将内含粘接剂的空心胶囊掺入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂，空心胶囊就会破裂而释放粘结剂，粘结剂流向开裂处，使之重新粘结起来，起到愈伤的效果。美国伊利诺伊斯大学的Caro1ynDry在1994年采用类似的方法，所不同的是以玻璃空心纤维替代空心胶囊，其内注入缩醛高分子溶液作为粘接剂。在此基础上，Caro1ynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)为基体材料，其中加入多孔的编织纤维网，在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂，与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。因此，在纤维网的表面形成大量有机及无机物质，它们互相穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机有机相结合的复合材料，具有优异的强度及延性等性能。而且，在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。

   2智能混凝土的研究现状

   前面所述的自感应混凝土、自调节混凝土和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只是具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式，因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能的作用，目前人们正致力于将2种或2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自调节和自修复组件材料等与混凝土基材复合，并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。

   当前较为典型的研究热点是自诊断、自愈合智能混凝土材料。该材料是混凝土中埋入形状记忆合金(SMA)丝和液芯光纤，从而在混凝土中形成密集分布的自诊断、自修复网络。激光管发出的光通过耦合器进入液芯光纤，光纤的出射光由光敏管接收，通过数据采集处理系统显示出混凝土内部损伤的位置、类型及程度，并且驱动控制电路工作，激励局部SMA丝，产生局部压应力，使损伤处的液芯光纤断裂，胶液流出，对损伤处进行自修补。如果当混凝土结构内发生开裂、分层、脱胶等损伤时，激励损伤处的SMA丝将产生压应力，使结构恢复原有形状，这将有利于提高对混凝土结构的修复质量。而且，当液芯光纤内所含的粘接剂流到损伤处后，SMA激励时所产生的热量，将大大提高固化的质量，使自修复完成得更好。

   同济大学混凝土材料研究国家重点实验室正在研究的仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物神经网络对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特殊组分，如仿生传感器、含粘结剂的液芯纤维等，使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合神经网络系统。当混凝土材料内部出现损伤时，仿生传感器可以及时预警；当内部出现微裂纹时，部分液芯纤维破裂，粘接剂流出深入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合，恢复并提高混凝土材料的性能。该智能复合材料的研究可实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测和及时修复，以超前意识确保混凝土结构的安全性，延长混凝土构筑物的使用寿命。

   3智能混凝土的发展趋势

   智能混凝土材料的研究经历了初级阶段和智能组装过渡阶段的探索后，正向着最终的智能阶段发展，综观国内外该领域的研究趋势可归纳为以下几个方面:

3.1混凝土中智能组件的集成化和小型化

   智能混凝土是在现代材料科学的基础上，进一步融入了信息科学的内容，如感知、辨识、寻优和控制驱动等。因此，智能混凝土在传统材料中必须引入传感元件、执行元件、信息处理元件等。而智能组件的集成化和小型化无疑将有利于与混凝土基材的更好复合。

   3.2开发智能控制材料

   控制材料是智能组件集成化的关键，神经中枢网络控制材料不但为智能混凝土材料获得实时动态响应、提供学习和决策功能，而且能够对环境变化进行适应性调控，从而达到适应环境、调节环境、材料和结构健康状况的自诊断和自修复等目的。因此，必须花大力气探索和开发神经中枢网络控制材料的模型，挖掘新的研究方法和新的制造工艺。

   3.3实现混凝土材料结构—智能一体化

   未来的智能混凝土材料既是高性能的建筑结构材料，同时又具有优异的智能特征，真正达到了混凝土材料结构—智能一体化的境界。并且具有多种完善的仿生功能，包括类似骨骼系统(基材)以提供承载能力，神经系统(内埋传感网络)提供监测、感知能力，肌肉系统(驱动元件)提供调整适应响应，免疫系统(修复元件)提供康复能力，神经中枢系统(控制元件)提供学习和决策能力。

   4结语

   智能混凝土是智能化时代的产物，它在对重大土木基础设施的应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期的耐久性都极具重要性。而且在现代建筑向智能化发展的背景下，对传统的建筑材料研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。通过对其基础理论及其应用技术深入研究将使传统的混凝土材料发展步入科技创新轨道，使传统混凝土工业获得新的、突破性的飞跃。