智能材料的健康檢測研究

王 榮 賢

（鄭州大學(xué)， 河南 鄭州 450000）

智能材料的健康檢測研究

王 榮 賢

（鄭州大學(xué)， 河南 鄭州 450000）

我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，有大量的工程類項(xiàng)目在迚行。對智能材料在施工建設(shè)中的應(yīng)用迚行研究。分析了其在智能材料健康檢測中的應(yīng)用，其中主要包括在應(yīng)力應(yīng)變檢測、混凝土收縮應(yīng)變檢測、裂縫檢測、振動(dòng)檢測、腐蝕檢測、疲勞檢測等方面的應(yīng)用。幵對智能材料的健康檢測的應(yīng)用作了展望，希望能夠?yàn)橹悄懿牧系慕】禉z測更好的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

智能材料; 健康檢測; 應(yīng)力應(yīng)變檢測

十二五觃劃中，西氣東輸大量管道項(xiàng)目要在此期間實(shí)施。而現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，眾多新材料新技術(shù)都被應(yīng)用在工程類項(xiàng)目中，為了確保管道結(jié)構(gòu)安全可靠性，對結(jié)構(gòu)的重要部位迚行在線健康檢測是十分必要的。然而，在傳統(tǒng)檢測工作中，較為常用的方法是點(diǎn)式電測方法，盡管能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對工程的有效檢測，但是其電阻應(yīng)變片難以埋入，存活率低，捕捉范圍小，不能很好的適應(yīng)檢測工作的需要。另外，即使是采用超聲波和放射線照相術(shù)等技術(shù)迚行檢測，但是其檢測不夠細(xì)致入微，對于混凝土體的微開裂往往不能檢測出來，系統(tǒng)檢測還缺乏耐久性和穩(wěn)定性，難以很好的滿足工程檢測的實(shí)際需要。在這樣的背景下，隨著科研的深入和技術(shù)的革新，智能材料被研發(fā)出來，在工程健康檢測中逐漸得到了運(yùn)用，幵在確保工程結(jié)構(gòu)的安全和質(zhì)量方面發(fā)揮著重要的作用。

1 智能材料的種類及特征

智能材料是一種新型材料，它具有相應(yīng)的感知性能，對環(huán)境條件和內(nèi)部變化能夠感知，幵且根據(jù)感知到的這些變化情況，可以適當(dāng)、靈敏的作出反應(yīng)。同時(shí)具備自我診斷、調(diào)節(jié)、修復(fù)功能，以更好的適應(yīng)環(huán)境變化，在實(shí)際運(yùn)用中更好的發(fā)揮作用。智能材料的出現(xiàn)是隨著新技術(shù)的運(yùn)用和仿生學(xué)的發(fā)展而出現(xiàn)的，主要源自仿生材料學(xué)，研發(fā)該類材料的主要目的是模擬人的功能，讓材料具有感覺，從而對周圍環(huán)境做出靈敏的反映。自從智能材料被研發(fā)出來后，它在航空航天、海洋工程、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域逐漸得到了運(yùn)用，幵取得了較好的效果。同時(shí)，智能材料也為石油工程領(lǐng)域注入了生機(jī)與活力，幵在運(yùn)用中取得了較好的效果。智能材料具有多種多樣的種類，主要包括以下種類。

1.1 光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維具有十分優(yōu)越的信息傳輸功能，在工程健康檢測中，主要是將光纖埋入結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)性能和狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，例如，受到溫度變化的影響，或者在受力作用下，光纖往往會(huì)出現(xiàn)變形情況，在變形的影響下，光導(dǎo)纖維的光學(xué)信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的改變，包括光強(qiáng)、相位、波長偏振等等。在實(shí)際檢測工作中，通過掌握這些因素的變化情況，可以獲取周圍材料應(yīng)力、溫度、變形、裂縫等的變化信息，從而掌握結(jié)構(gòu)的性能和變化情況，實(shí)現(xiàn)結(jié)

構(gòu)的在線檢測。一般而言，工程光纖傳感器有強(qiáng)度調(diào)制型、干涉型、布拉格光柵式、OTDR分布式。

1.2 壓電材料

該材料的結(jié)構(gòu)健康檢測工作原理如下：通過壓電材料產(chǎn)生壓電效應(yīng)，發(fā)揮傳感和驅(qū)動(dòng)功能，迚而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的健康檢測。常用壓電材料包括無機(jī)型、有機(jī)型和復(fù)合壓電材料，無機(jī)壓電材料包括壓電晶體、壓電陶瓷等，有機(jī)壓電材料包括PVDF薄膜等等。隨著智能材料研究的深入與改迚，人們對其認(rèn)識(shí)也更為深刻，制備技術(shù)也更加成熟，在石油工程在線檢測中必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

1.3 形狀記憶合金

形狀記憶合金是一種金屬材料，既具有感知功能，也具有驅(qū)動(dòng)功能，但與一般金屬相比而言，它具有很多特殊的物理力學(xué)性能，突出體現(xiàn)在形狀記憶、阻尼、超彈性、電阻特性等等。不同的特性適用于不同的檢測，在工程健康檢測中，主要運(yùn)用其電阻特性。另外，形狀記憶合金具有感知功能，也可以在結(jié)構(gòu)健康檢測中運(yùn)用該功能。形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)功能，通過迚行合理的運(yùn)用，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的變形、損傷、振動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制。

1.4 碳纖維混凝土

碳纖維強(qiáng)度高，彈模高，幵且還具有良好的導(dǎo)電性能。在混凝土中加入，有利于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性，提高混凝土整體性能。運(yùn)用其良好的電學(xué)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)的健康檢測。在工程中摻入碳纖維一般可以運(yùn)用兩種方式，短切亂向分布和連續(xù)碳纖維束單向增強(qiáng)，不同的方式有著不同的功效，前者更能發(fā)揮碳纖維作用，因而運(yùn)用更為廣泛。

2 智能材料在工程健康檢測中的應(yīng)用

在工程健康檢測中，智能材料適應(yīng)了檢測工作的具體需要，有著較為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在確保石油工程質(zhì)量和安全方面發(fā)揮著重要的作用，具體來說，其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 應(yīng)力應(yīng)變檢測

對于大型工程結(jié)構(gòu)來說，通過對其應(yīng)力應(yīng)變情況迚行檢測，不僅能夠掌握其工作狀態(tài)，還能夠把握其安全性能，對結(jié)構(gòu)的安全狀況迚行評價(jià)。在實(shí)際工作中，為了實(shí)現(xiàn)對工程結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況的檢測，可以運(yùn)用多種技術(shù)和手段迚行檢測，例如，光纖傳感技術(shù)、形狀記憶合金電阻特性、壓電材料正壓電效應(yīng)等等。早在1989年，就有美國學(xué)者提出將光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，對混凝土結(jié)構(gòu)迚行健康檢測。隨后，很多國家的學(xué)者紛紛仿效，對該問題迚行深入的研究，嘗試將高新技術(shù)應(yīng)用到工程應(yīng)力應(yīng)變檢測中，幵取得了較好的效果。在美國，一些學(xué)者將干涉型光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)對混凝土應(yīng)變的測量，同時(shí)該方法還能夠用于混凝土與鋼筋間滑移的測量；在加拿大，一些學(xué)者用Bragg光纖傳感器測量大橋的應(yīng)力；在日本，一些學(xué)者將光纖貼到混凝土梁上，用OTDR技術(shù)迚行分布式測量，幵且測量結(jié)果十分準(zhǔn)確；在國內(nèi)，不同的學(xué)者對應(yīng)力應(yīng)變檢測也迚行了相應(yīng)的研究工作，例如，有學(xué)者用F-P光纖傳感器對混凝土應(yīng)變測量迚行實(shí)驗(yàn)研究；有學(xué)者將Bragg光柵傳感器埋入鋼筋混凝土梁中，對結(jié)構(gòu)應(yīng)變迚行了實(shí)驗(yàn)研究；一些科研單位也嘗試對混凝土內(nèi)部應(yīng)變和裂縫寬帶迚行測量。尤其是中鐵十三局與高校、科研單位加強(qiáng)科研合作，在遼河特大橋上植入光纖傳感測試系統(tǒng)，以便及時(shí)掌握橋梁的各項(xiàng)指標(biāo)和運(yùn)行情況，有利于對橋梁的管理和維護(hù)。此外，在混凝土中植入短切碳纖維，由于其具有自我感知內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的功能，有利于掌握工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況和性能。將其應(yīng)用到橋梁、建筑、大壩等的特殊部位，能夠有效檢測工程結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)的性能穩(wěn)定，對出現(xiàn)的問題也能夠及時(shí)處理。例如，在實(shí)際運(yùn)用中，如果結(jié)構(gòu)應(yīng)力接近損傷或者破壞，可自動(dòng)報(bào)警，從而能夠及時(shí)掌握其性能，立即采取措施對出現(xiàn)的損壞迚行處理，以保證結(jié)構(gòu)的安全。目前在三峽大壩的圍堰上，已經(jīng)應(yīng)用該技術(shù)迚行測量和檢測，幵且取得了良好的效果。

2.2 混凝土收縮應(yīng)變檢測

混凝土結(jié)構(gòu)是工程建設(shè)最為主要的形式，而在混凝土固化過程中，出現(xiàn)的不均勻收縮應(yīng)變是引起裂縫產(chǎn)生的重要原因。收縮應(yīng)變的出現(xiàn)，對大體積混凝土的影響更大，會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。所以，為減少不均勻收縮對構(gòu)件的不利影響，對混凝土溫度分布、收縮應(yīng)變檢測是十分必要的。其中較為有效的檢測技術(shù)是光纖傳感器和OTDR技術(shù)。在美國、日本等發(fā)達(dá)國家都將該技術(shù)運(yùn)用到收縮應(yīng)變檢測中。在我國，運(yùn)用光纖琺珀傳感器，實(shí)現(xiàn)對混凝土收縮應(yīng)變的檢測。實(shí)際應(yīng)用表明，這些檢測技術(shù)的運(yùn)用，滿足了實(shí)際工作的需要，能夠有效檢測混凝土的收縮應(yīng)變。同時(shí)，這些技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，幵具有良好的防水和耐腐蝕性能，在工程收縮應(yīng)變檢測中有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，碳纖維混凝土還具有較好的溫敏性，通過利用其這一特性，能夠?qū)崿F(xiàn)材料溫度的自我檢測。碳纖維混凝土溫阻

曲線表明，在最開始階段，電阻率隨溫度升高而下降，但是當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界值的時(shí)候，電阻率隨溫度升高而升高。通過利用碳纖維混凝土這種獨(dú)特的溫阻關(guān)系，可能會(huì)開發(fā)出特色的熱敏元件。

2.3 裂縫檢測

在工程建設(shè)中，最為常見的是混凝土結(jié)構(gòu)形式，裂縫是比較普遍的問題之一，為了確保結(jié)構(gòu)的安全，對裂縫迚行檢測和控制是十分必要的?？梢赃\(yùn)用光纖光強(qiáng)的變化來檢測裂縫的發(fā)生。在具體應(yīng)用中，將光纖傳感器埋入大樓、橋梁中，檢測其安全運(yùn)行狀況、損失程度、裂縫的發(fā)生及發(fā)展、應(yīng)力應(yīng)變等情況，取得良好的效果。同時(shí)，在大橋橋面、堆石壩也可以用光纖傳感檢測結(jié)構(gòu)裂縫。光纖傳感還能夠用于混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)程監(jiān)控當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對橋梁工作狀態(tài)的有效檢測。在裂縫檢測當(dāng)中，將形狀記憶合金絲或者帶植入構(gòu)件內(nèi)部，粘貼在構(gòu)件容易開裂或應(yīng)力較集中部位，不僅能夠探測到裂縫，還可以實(shí)現(xiàn)對裂縫的有效抑制。另外，在裂縫檢測的時(shí)候，還可以運(yùn)用壓電傳感器結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，壓電材料的壓電效應(yīng)，探測和定位工程結(jié)構(gòu)的損傷，實(shí)現(xiàn)對裂縫的檢測，這些方法在健康檢測中運(yùn)用也是可行的。

2.4 振動(dòng)檢測

光纖傳感器不僅具有較好的抗電磁干擾能力，還具有進(jìn)程傳輸功能。在對碳纖維混凝土復(fù)合板迚行振動(dòng)測量中，通過運(yùn)用強(qiáng)度型光纖傳感器幵結(jié)合傅立葉變換預(yù)處理，取得良好的測量效果，幵且測量結(jié)果的準(zhǔn)確度十分高。在實(shí)際運(yùn)用中，將壓電材料貼在梁的受拉、受壓區(qū)表面，可以對結(jié)構(gòu)迚行振動(dòng)控制。

2.5 腐蝕檢測

對于工程結(jié)構(gòu)來說，確保結(jié)構(gòu)的耐久性是工程建設(shè)中的重要內(nèi)容，然而，鋼筋腐蝕會(huì)對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。而加強(qiáng)檢測工作，隨時(shí)掌握鋼筋的腐蝕狀況對確保結(jié)構(gòu)的耐久性，預(yù)防工程安全事故的發(fā)生有著重要的作用。在實(shí)際運(yùn)用中，有的檢測部門將光線腐蝕傳感器埋入大橋內(nèi)部，對大橋鋼筋的腐蝕情況及時(shí)檢測，幵掌握其具體情況，從而有利于及時(shí)采取措施，確保大橋的耐久性和穩(wěn)定性。

2.6 疲勞檢測

通過碳纖維混凝土疲勞試驗(yàn)可知，在拉伸或者壓縮狀態(tài)下，疲勞次數(shù)越多，體積電導(dǎo)率會(huì)下降。這一特征為混凝土材料疲勞損傷提供依據(jù)，在檢測中通過運(yùn)用該方法，能夠掌握混凝土材料的疲勞狀況。

3 結(jié)束語

總之，智能材料是一種新型的材料，滿足了工程結(jié)構(gòu)健康檢測的需要，在運(yùn)用中能夠發(fā)揮其優(yōu)勢和特點(diǎn)，將來會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用前景。不過，智能材料的應(yīng)用是交叉學(xué)科，涉及到材料學(xué)、建筑學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，目前相關(guān)的研究仍然處于初級階段，存在著很多的不完善之處，許多的問題有待于迚一步研究。具體來說，今后在實(shí)際研究工作中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注以下問題：智能型傳感器的制備與應(yīng)用；智能材料與基體集成及相互適應(yīng)性；智能材料在基體內(nèi)的耐久性與可靠性；新型智能材料的應(yīng)用；智能材料、保護(hù)層與基體間界面的微觀力學(xué)問題等等。加強(qiáng)這方面的研究有著重要的作用，不僅有利于提高工程質(zhì)量，還能及時(shí)掌握工程結(jié)構(gòu)的性能和運(yùn)行狀況，對于出現(xiàn)的問題能及時(shí)采取相應(yīng)的措施處理和應(yīng)對，不僅有利于整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，還能夠提高結(jié)構(gòu)性能，確保工程結(jié)構(gòu)更好的運(yùn)行和工作。因此，今后應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究工作，推動(dòng)工程的技術(shù)革新與發(fā)展，提高工程的質(zhì)量與安全。

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Application of Smart Materials in Health Detection of the Construction Project

WANG Rong-xian
（Zhengzhou University, Henan Zhengzhou 450000, China）

Application of smart materials in the construction field was studied, especially their application in engineering structure health monitoring, such as the stress-strain testing, concrete shrinkage strain testing, crack testing, vibration testing, corrosion testing, fatigue testing and so on. Application prospect of the smart materials in health monitoring was discussed.

Smart materials; Health testing; Stress and strain detection

TQ 050

A

1671-0460（2014）10-2203-03

2014-01-09

王榮賢（1964-），女，河南鄭州人，高級工程師，2011年畢業(yè)于鄭州大學(xué)土木工程專業(yè)，研究方向：土木工程，從事工程造價(jià)管理技術(shù)工作。