土木道橋建設(shè)工程中智能材料的應(yīng)用分析

楊毅坤

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；在現(xiàn)代化的土木道橋建設(shè)工程中；越來越多的使用到了智能材料；智能材料的使用給土木道橋建設(shè)工程提供了安全性、可靠性、便利性等。本文對智能材料進(jìn)行簡單的介紹；重點(diǎn)分析其在土木道橋建設(shè)工程中的應(yīng)用；通過舉例的方式對其應(yīng)用方式進(jìn)行具體闡述。

關(guān)鍵字：智能材料；土木道橋建設(shè)；應(yīng)用分析

中圖分類號：F274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-3178（2018）19-0324-01

引言：土木道橋建設(shè)是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的關(guān)鍵設(shè)施，所以它必須要有非常高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以便土木道橋工程建筑可以長期穩(wěn)定的為國家發(fā)展服務(wù)。但是由于傳統(tǒng)材料耐久性和抗腐性等性能的限制，這些工程建筑往往壽命都不太長。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能材料作為一種新型的材料以尋常材料難以比擬的優(yōu)勢進(jìn)入土木道橋建設(shè)行業(yè)中來。

1智能材料概述

1.1智能材料概念

智能材料是一種新型材料，當(dāng)前并沒有一個(gè)統(tǒng)一的概念，大概來說智能材料是指能對內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行感知，并進(jìn)行分析、處理、判斷及采取一定程度相應(yīng)措施的材料[1]。

1.2智能材料的功能

智能材料具有七大功能，分別是傳感功能、反饋功能、信息識

別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷功能、自修復(fù)功能、自適應(yīng)功能。

1.3智能材料分類

智能材料大致可以分為兩大類。一類是感知材料，其可以對內(nèi)外界的力、聲、電、磁、光、熱等作用進(jìn)行感知，包括光導(dǎo)纖維、壓電材料等；另一類驅(qū)動(dòng)材料，可以根據(jù)外界環(huán)境的刺激或者內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生的變化及時(shí)做出反應(yīng)，包括形狀記憶合金、磁致伸縮材料、磁流變體等[2]。

2智能材料在土木道橋建設(shè)工程中的應(yīng)用

2.1智能材料在土木道橋建設(shè)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在當(dāng)前的土木道橋建設(shè)工程中，因?yàn)橹悄懿牧系膽?yīng)用可以解決傳統(tǒng)土木道橋工程建設(shè)中的安全性、完整性、持久性等問題，并且可以降低對工程的維護(hù)管理費(fèi)用，所以智能材料的應(yīng)用范圍越來越廣泛，應(yīng)用的規(guī)模也不斷擴(kuò)大。我國許多地區(qū)在土木道橋建設(shè)工程中都會(huì)積極使用智能材料。

在國外許多發(fā)達(dá)國家中，智能材料在土木道橋工程中的應(yīng)用在上個(gè)世紀(jì)八十年代就開始了。例如美國，在橋梁建筑中安裝了大量傳感儀器對其進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)控；英國為了提升橋梁施工建設(shè)的水準(zhǔn)，也大量的在橋梁建筑上安裝相應(yīng)的檢測裝置和設(shè)備。

2.2智能材料在土木道橋建設(shè)工程中的應(yīng)用情況分析

2.2.1在土木道橋建設(shè)工程中光導(dǎo)纖維的應(yīng)用

因?yàn)楣庾涌梢猿蔀樾畔鬟f的載體，同時(shí)具備一定的信息容量

和處理信息的潛力，所以光導(dǎo)纖維被作為一種通信介質(zhì)材料應(yīng)用于

信息傳輸。

目前，在土木道橋建設(shè)工程中，光纖材料被應(yīng)用于檢測、傳感、遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域，在混凝土結(jié)構(gòu)中放置光纖材料，可以檢測混凝土結(jié)構(gòu)的多個(gè)指標(biāo)，并同時(shí)對指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)和診斷。所以，土木道橋建設(shè)工程常常應(yīng)用光導(dǎo)纖維來對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷，利用相關(guān)的傳感器獲取結(jié)構(gòu)性能的變化信息，從而對結(jié)構(gòu)的相關(guān)變化進(jìn)行診斷。主要包括：混凝土的溫度檢測、混凝土溫度應(yīng)力檢測、混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫檢測等等[3]

2.2.2在土木道橋建設(shè)工程中壓電材料的應(yīng)用

壓電材料具有壓電效應(yīng)，受到壓力后會(huì)因?yàn)樽冃问共牧蟽啥水a(chǎn)

生電壓，產(chǎn)生電壓后又會(huì)對材料本身的尺寸產(chǎn)生影響。利用這一點(diǎn)，

在土木道橋建設(shè)工程中，壓電材料常常被用作傳感原件和驅(qū)動(dòng)原件，

用于檢測工程結(jié)構(gòu)的震動(dòng)及對震動(dòng)進(jìn)行控制。具體情況如下：作為

傳感原件時(shí)，通過電壓的變化檢測原件安置位置結(jié)構(gòu)的形變量。同

時(shí)，如果在壓電原件外部產(chǎn)生電場，對原件內(nèi)部施加定向的電場力，

影響原件內(nèi)的正負(fù)電子，從而迫使原件發(fā)生形變，就會(huì)形成驅(qū)動(dòng)力，

產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)原件，改變材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而影響材料的結(jié)構(gòu)變

化。此外，壓電材料還可以利用傳感器的形式對工程結(jié)構(gòu)的情況和

安全性進(jìn)行評定。

2.2.3在土木道橋建設(shè)工程中壓磁材料的應(yīng)用

壓磁材料在土木道橋建設(shè)工程中的應(yīng)用主要是磁致伸縮材料和

磁流變材料。

磁致伸縮材料因?yàn)槠淇梢栽陔姶藕蜋C(jī)械之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換的特

性，常被應(yīng)用于精密定位控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)磁場強(qiáng)度超過臨界值時(shí)，磁流變材料會(huì)快速的由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，介于固態(tài)、液態(tài)之間時(shí)，磁流變材料具有快速、可逆、可控的等特性，可以以較低的能量控制流體特性實(shí)施。基于磁流變材料的這個(gè)原理，它往往被應(yīng)用于土木道橋中智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)器件，可以對地震等帶來的損害進(jìn)行半主動(dòng)控制。

2.2.4在土木道橋建設(shè)工程中形狀記憶合金的應(yīng)用

形狀記憶合金是一種形狀被改變后在一定條件下可以激發(fā)記憶

效應(yīng)對應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行回復(fù)的智能材料，同時(shí)它還具有較強(qiáng)的能量儲存和能量傳輸能力。

基于這個(gè)特點(diǎn)，形狀記憶合金在土木道橋建設(shè)工程中往往用于實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)的自我診斷及增強(qiáng)材料強(qiáng)度和韌性等。利用形狀記憶合金研發(fā)的智能驅(qū)動(dòng)器可以對結(jié)構(gòu)的變形、裂縫等進(jìn)行控制，還可以增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)的抗震功能。目前在土木道橋建設(shè)工程的實(shí)踐中，往往是在結(jié)構(gòu)底部等受地震影響較大的區(qū)域安置形狀記憶合金被動(dòng)耗能控制系統(tǒng)，以此來實(shí)現(xiàn)對安置區(qū)域結(jié)構(gòu)形變的感知以及對地震能量進(jìn)行消耗的功能[4]。

2.2.5在土木道橋建設(shè)工程中碳纖維混凝土材料的應(yīng)

用

混凝土是傳統(tǒng)的建筑材料，應(yīng)用極為廣泛，因此怎樣改善混凝土材料是許多科研人員的重要目標(biāo)?；诖?，碳纖維混凝土成功問世。

碳纖維混凝土是一種具有高強(qiáng)度、高韌性、低電阻率，具備驅(qū)動(dòng)功能和本征自感應(yīng)功能的混凝土材料。在土木道橋建設(shè)工程中，使用碳纖維混凝土，可以極大的提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫差，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3在土木道橋建設(shè)工程中智能材料的應(yīng)用前景分

析

3.1提升智能材料安全檢測性能

目前智能材料對土木道橋建設(shè)工程中的檢測大多只限于質(zhì)量問

題。由于智能材料具有較好的仿生性能，在未來可以對智能材料進(jìn)行改進(jìn)，提高智能材料的融合度，使其可以更好的對工程結(jié)構(gòu)中的各個(gè)原件進(jìn)行檢測和分析，以便除檢測質(zhì)量問題外，還可以對工程結(jié)構(gòu)的安全方面提供感知和預(yù)判。

3.2提升智能材料的可塑性

目前在土木道橋建設(shè)工程中對智能材料的使用往往是簡單根據(jù)

材料的性質(zhì)進(jìn)行劃分。而隨著科技的發(fā)展，在未來人們對材料分子結(jié)構(gòu)的掌控能力會(huì)越來越高，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同對材料進(jìn)行改造和融合，使材料可以更好的和工程結(jié)構(gòu)結(jié)合，發(fā)揮出更高的效用。

3.3提升智能材料的經(jīng)濟(jì)性和適用性

大多數(shù)智能材料的造價(jià)很高，導(dǎo)致其使用成本也很高，這就使

其在土木道橋建設(shè)工程中使用智能材料會(huì)大大加大預(yù)算。另外，智能材料屬于高端材料，在使用時(shí)需要配套的設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)支持，這也導(dǎo)致智能材料使用成本的增加和使用范圍的縮減。在未來，隨著科技的發(fā)展，智能材料的成本和使用要求都會(huì)不斷降低，將會(huì)大大擴(kuò)大智能材料的使用范圍。

4結(jié)束語

智能材料由于其突出的優(yōu)點(diǎn)在土木道橋建設(shè)工程中被廣泛運(yùn)用，

彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料對環(huán)境適應(yīng)能力較差的缺點(diǎn)，不僅提高了土木道橋工程建筑的穩(wěn)定性、安全性、實(shí)用性，還利用各種各樣的特性提升了土木道橋工程建筑在自我檢測、自我調(diào)整、災(zāi)害預(yù)防等方面的能力。

參考文獻(xiàn)

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中國科技投資，2017（6）.

[2]徐潔.智能材料在土木工程建設(shè)中的應(yīng)用分析[J].門窗，2017（1）：239-239.

[3]胡云峰.土木工程建設(shè)中智能材料的應(yīng)用[J].河南科技，2016（21）：100-101.