智能混凝土研究進(jìn)展

邢思朋 祝斯月 李苗苗 何沖 張?zhí)礻?/p>

摘要：從自感應(yīng)、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)和高阻尼等方面分類概況了智能混凝土的研究進(jìn)展，分析了各類智能混凝土的優(yōu)勢(shì)，及研究中存在的問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合研究現(xiàn)狀對(duì)智能混凝土的未來(lái)研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望。

Abstract： This paper summarizes the research progress of intelligent concrete from the aspects of self-induction， self-repairing， self-regulating and high damping， analyzing the advantages of various intelligent concrete and the existing questions in the research. Meanwhile， the future research and application of intelligent concrete are prospected combining with the current state of research.

關(guān)鍵詞：智能混凝土;自感應(yīng);自修復(fù);自調(diào)節(jié);高阻尼

Key words： intelligent concrete;self-induction;self-repair;self-regulating;high damping

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0256-02

0? 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展以及人們需求的增加，混凝土作為建筑中最常用且不可或缺的一種材料，正向著智能化的方向轉(zhuǎn)變，智能混凝土也得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。本文根據(jù)智能混凝土的使用功能，分類總結(jié)了不同智能混凝土的研究進(jìn)展，并對(duì)其應(yīng)用前景與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1? 自感應(yīng)智能混凝土

1.1 碳纖維智能混凝土? 碳纖維是一種耐高溫易導(dǎo)電導(dǎo)熱的材料，在混凝土中加入適量的碳纖維可使混凝土獲得良好的導(dǎo)電性且改善溫度敏感性，可用于大型基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)。目前學(xué)者們主要專注于探索其材料組成和制備工藝對(duì)其導(dǎo)電性與物理力學(xué)性能的影響。然而，碳纖維在混凝土中的分散性不足導(dǎo)致其導(dǎo)電性及其它性能的穩(wěn)定性不足是限制其大規(guī)模使用的關(guān)鍵因素。葛宇川等研究指出大摻量下的碳纖維會(huì)因無(wú)法均勻分散而導(dǎo)致混凝土導(dǎo)電性和整體性變差[1]。此外，一些研究也指出利用碳纖維混凝土粗骨料的壓敏性可為智能交通監(jiān)控系統(tǒng)提供了一種性能優(yōu)良且價(jià)格低廉的材料[2]。但目前研究還處于起步階段，需要進(jìn)一步深入研究。

1.2 光纖傳感智能混凝土? 光纖是一種靈敏度較高，形狀任意化，傳感信息多樣化并且可用于高壓高溫等惡劣環(huán)境的材料，因此它可以用于橋梁，碼頭等土木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。葉宇霄等對(duì)比位移計(jì)和光纖測(cè)得的混凝土荷載-撓度曲線，驗(yàn)證了光纖可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)混凝土裂縫的出現(xiàn)及發(fā)展[3]。劉宏月等提出可以將光纖傳感技術(shù)引入到港口工程混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維材料損傷狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)部碳纖維材料損傷狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[4]。但目前光纖傳感器的靈敏度還有待提高，同時(shí)光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部荷載領(lǐng)域的應(yīng)用也值得深入探索。陳江等研究指出現(xiàn)階段常用于工程中混凝土監(jiān)測(cè)的普通緊套光纖無(wú)法進(jìn)行混凝土內(nèi)部的長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)，并且無(wú)法在惡劣條件下展開(kāi)鋪設(shè)[5]。研發(fā)可以解決這些問(wèn)題的專門(mén)的分布式傳感光纜產(chǎn)品將是未來(lái)的趨勢(shì)所在。

1.3 納米碳纖維混凝土? 納米碳纖維與碳纖維相比可以使混凝土獲得更優(yōu)良的壓敏性能和耐久性能，并且納米碳纖維的造價(jià)低于碳纖維。因此，納米碳纖維作為智能混凝土的添加材料更具可行性。但與碳纖維混凝土類似，大摻量下的納米纖維在混凝土中的分散性不良制約了納米碳纖維混凝土的發(fā)展。因此，如何提高納米碳纖維的分散性是未來(lái)的一個(gè)亟待解決的研究方向。

1.4 石墨烯混凝土? 石墨烯是一種碳原子單層排列的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，石墨烯作為介質(zhì)加入后可使混凝土具有良好的電學(xué)性能、力學(xué)性能、抗凍融性能和耐久性，在大型建筑的損傷減震方面有相關(guān)應(yīng)用。然而，高昂的成本限制了石墨烯混凝土的發(fā)展，不少學(xué)者將研究?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)為同類可替代材料如氧化石墨烯混凝土。

2? 自調(diào)節(jié)混凝土

2.1 形狀記憶合金（SMA）混凝土? 形狀記憶合金混凝土即在混凝土中加入形狀記憶合金，利用其形狀記憶效應(yīng)、偽彈性、相變滯后、高強(qiáng)度比等特性，可有效控制混凝土的變形和裂縫，提高其阻尼性能，在混凝土裂縫自診斷自修復(fù)、結(jié)構(gòu)抗震等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有的研究集中于研究不同因素對(duì)于修復(fù)效果的影響，取得了豐碩的成果。然而，SMA的超彈性特性對(duì)混凝土的力學(xué)性能的改善越來(lái)越受到重視。李宏男對(duì)SMA混凝土采用循環(huán)加載方式分別測(cè)定SMA混凝土梁和普通混凝土梁的承載力、殘余變形和殘余裂縫等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)超彈性SMA混凝土的力學(xué)性能相比普通混凝土有所提高，同時(shí)修復(fù)能力也有提高[6]。未來(lái)SMA的超彈性特性對(duì)混凝土的力學(xué)性能的改善值得深入研究。

2.2 電流變體混凝土? 電流變體混凝土利用電流變體的流變作用，通過(guò)外加電場(chǎng)改變電流變體材料的黏塑性，改變頻率，減少共振影響，減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)，使混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性與耐久性。電流變體的力學(xué)性能中工程應(yīng)用最關(guān)心的是在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的電致屈服應(yīng)力值，其中最重要的是在最高允許電場(chǎng)強(qiáng)度下的最大屈服應(yīng)力值。逯靜洲等研究中所選用的電流變體在4kV/mm的電場(chǎng)強(qiáng)度下動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力超過(guò)20kPa，雖然相對(duì)于砂漿的屈服應(yīng)力還比較小，但隨著電場(chǎng)的變化仍能引起比較明顯的頻率變化，說(shuō)明電流變效應(yīng)確實(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能產(chǎn)生影響[7]。然而從實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的電流變體的屈服應(yīng)力還偏小，研究開(kāi)發(fā)新型高電流變效益的電流變體是急待解決的問(wèn)題。

3? 自修復(fù)混凝土

3.1 微生物自修復(fù)混凝土? 微生物自修復(fù)混凝土即在混凝土中摻入固載的微生物，在混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)能自動(dòng)修復(fù)裂縫的一種智能混凝土。目前的研究主要集中在兩個(gè)方面。其一，微生物的選擇。大量研究指出嗜堿芽孢桿菌能適應(yīng)混凝土內(nèi)部的嚴(yán)苛的高堿環(huán)境，且修復(fù)效果良好，是目前的主流微生物。Jing Luo研究指出，從植物病原體中提取的T.reese真菌修復(fù)效果突出，且在混凝土中生存能力更強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊[8]。其二，載體。載體是保證微生物修復(fù)活性的關(guān)鍵因素。微膠囊載體是目前使用最多的載體。除此類載體以外，其他類新型載體，如孔陶粒、硅膠、聚氨酯等載體的研究也越來(lái)越多。隨著微生物自修復(fù)的研究不斷深入，未來(lái)在提高混凝土的修復(fù)能力的同時(shí)，應(yīng)對(duì)其在環(huán)境友好、相容性和修復(fù)程度與檢測(cè)效率方面進(jìn)行綜合考慮，不斷優(yōu)化其材料組成。

3.2 空心光纖混凝土? 空心光纖自愈混凝土能通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到光纖維隨混凝土裂縫的變形，從而實(shí)現(xiàn)混凝土的變形和位置的快速檢測(cè)，并釋放出修復(fù)劑來(lái)修復(fù)混凝土。大量研究指出空芯光纖和混凝土的結(jié)合性能的好壞直接影響光纖維混凝土的性能。若結(jié)合的太緊在結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生很大應(yīng)力使空芯光纖的傳輸性能下降，甚至使空芯光纖斷裂，反之則削弱了混凝土的強(qiáng)度和空芯光纖的應(yīng)變傳感力。目前空心光纖與復(fù)合材料的匹配設(shè)計(jì)方面的研究非常多，不少學(xué)者試圖通過(guò)對(duì)光纖的包層進(jìn)行優(yōu)化達(dá)到兩者匹配[9]。另一方面，空芯光纖注液時(shí)的膠液選擇也是目前研究的重要方向。張妃二等人研究表明，用小粘度的縮聚高分子溶液（sj膠）作為膠液可以使混凝土完成自修復(fù)[10]。但受限于膠液在光纖中有限的存儲(chǔ)量，有時(shí)修復(fù)效果不是很理想，甚至造成監(jiān)控系統(tǒng)效率低下。但大量研究表明，以空芯光纖為驅(qū)動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)極具應(yīng)用價(jià)值。在光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本、傳感器易受到系統(tǒng)外環(huán)境因素的影響、埋入后光纖的維修問(wèn)題等方面還有待完善。

4? 高阻尼混凝土

高阻尼混凝土即在混凝土中摻入一定比例的高阻尼材料，在改善混凝土的阻尼性能的同時(shí)，由于其具有優(yōu)良的變形能力及沖擊韌性等性能，在混凝土修補(bǔ)、隔音等領(lǐng)域有所應(yīng)用。尤其是近年來(lái)高阻尼混凝土在提高結(jié)構(gòu)的安全性及減震方面得到廣泛關(guān)注。汪夢(mèng)甫研究指出，將高阻尼混凝土應(yīng)用于抗震結(jié)構(gòu)，其開(kāi)裂極限、荷載極限、變形能力、延性提分別提高了30.4%、8.3%、19.2%和11.6%[11]。然而，越來(lái)越多研究表明，混凝土的阻尼性能與其承載能力之間的矛盾，是限制高阻尼混凝土發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。不少學(xué)者試圖通過(guò)摻入其它材料優(yōu)化高阻尼混凝土的材料組成來(lái)提高其強(qiáng)度與剛度。盧峰引入功能梯度材料理論，將高性能混凝土技術(shù)與高性能混凝土技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出阻尼增強(qiáng)梯度結(jié)構(gòu)混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)能達(dá)到C50以上，阻尼值比高性能混凝土提高30%[12]。這為高阻尼混凝土的發(fā)展提供了新思路。

5? 總結(jié)與展望

①自感應(yīng)混凝土在導(dǎo)電性，溫敏性方面有顯著優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段針對(duì)碳纖維混凝土和納米碳纖維混凝土的研究主要通過(guò)優(yōu)化其材料組成，從而達(dá)到較好壓敏性能和物理、力學(xué)性能。然而，碳纖維與納米碳纖維在混凝土的分散性極大的影響了其性能的發(fā)揮。如何提高大纖維摻量下碳纖維、納米碳纖維混凝土的分散性在未來(lái)值得重點(diǎn)關(guān)注。石墨烯的加入使混凝土的導(dǎo)電能力和力學(xué)性能等方面都有不同程度的提高，但是不可忽略的是成本問(wèn)題。同類可替代材料氧化石墨烯的出現(xiàn)為石墨烯混凝土的發(fā)展提供了新的方向，目前還處于起步研究階段，需要進(jìn)一步研究。②自調(diào)節(jié)混凝土中，SMA通過(guò)應(yīng)力和溫度的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)混凝土受到異常荷載時(shí)在其內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能提高?，F(xiàn)階段SMA的超彈性對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響方面的相關(guān)研究還有很大的空間。開(kāi)發(fā)出新型高電流變效益的電流變流體成為目前電流變體混凝土的關(guān)注點(diǎn)，值得深入研究。③微生物自修復(fù)混凝土現(xiàn)階段研究主要集中于微生物的選擇、載體和影響微生物的礦化因素等方面，使其具有良好的修復(fù)能力。未來(lái)還需在環(huán)境友好、相容性和修復(fù)程度與檢測(cè)效率方面進(jìn)行綜合考慮，不斷優(yōu)化其材料組成。以空芯光纖為驅(qū)動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)極具應(yīng)用價(jià)值，但在其成本、穩(wěn)定性等方面還有待完善。④高阻尼混凝土在結(jié)構(gòu)減震方面優(yōu)勢(shì)突出?，F(xiàn)有的研究主要是通過(guò)優(yōu)化其材料組成來(lái)解決阻尼性能與承載能力間的矛盾。但僅從材料入手對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其效果有限。阻尼增強(qiáng)梯度結(jié)構(gòu)混凝土的出現(xiàn)為高阻尼混凝土的研究開(kāi)辟了新的思路未來(lái)值得關(guān)注。

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