智能混凝土的研究现状和发展趋势-科技论文写作

题目: 智能混凝土的研究现状和发展现状院 系： 土木建筑学院专业班级： 建筑与土木工程学 号： 2014200219学生姓名： 苏 恒 宇指导教师： 李 栋 伟 2014 年12 月 31日 智能混凝土的研究现状与发展趋势引言2012年3月初，据来自国内外媒体的信息，伊朗已经研制出被称为“智能混凝土”的世界最强混凝土，可抵御地震，也可抵钻地炸弹。这种“智能混凝土”又名“超高性能混凝土”（UHPC），它比其他形式的混凝土能抵抗更大的压迫，也比传统混凝土更柔韧和耐用。由于身处地震带，因此伊朗工程师们研发出了一些世界上强度最高的建筑材料。这些建材可以用来保护秘密核设施抵御碉堡克星炸弹的攻击，这种炸弹的威力相当于小型地震。美国认为现有的穿地炸弹无力对付伊朗的地底核设施，其中一个原因固然是伊朗在深入地底近百米之处兴建设施，另一个原因是伊朗近年大力发展超级混凝土，能大大削弱美国穿地炸弹的威胁。“环球安全”网站的资料显示，穿地炸弹能穿透5000psi的混凝土达60米深，但当混凝土的抗压强度达1万psi时，穿地炸弹只能钻地8米。令美国忧虑的是，伊朗德黑兰大学已能制出强度达5万至6万psi的“超级混凝土”，比抗压强度达3万psi的全球最坚固岩石花岗石更稳固。具体定义智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。智能混凝土的基本原料和普通的混凝土一样，都是沙子和水泥。但智能混凝土中还配有石英砂及各种加固材料和纤维。这种石英砂不同于其他大量混有沙子的石英砂，纯度高达100%。根据这个特点，伊朗的土木工程师把UHPC应用到从修建水坝到铺设污水管的各各领域，并且不断地完善其应用技术。哈马丹布-阿里大学的穆哈穆德尼力教授在智能混凝土中配入了聚丙烯纤维和石英粉，使其韧性大大提高，抗爆能力比普通混凝土高出数倍。卢合拉阿里扎德的改进更加完善。使用纳米粒子可以改变混凝土内部结构。萨韦省伊斯兰阿萨德大学阿里纳扎里教授及其同事发表了多篇论文，研究使用各种氧化金属纳米粒子改变混凝土内部结构的方法。他们使用过氧化铁，氧化铝，氧化锆，氧化钛及氧化铜。材料经过纳米粒子处理后会呈现出极佳的属性。尽管只有几件小样品呈现出了这种属性，但至少证明了这个方法这是可行的。使用这样的纳米粒子，有望制造出比拉法基混凝土强度高出四倍的混凝土。分类1.1损伤自诊断混凝土自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。目前主要有2种研究比较热门的损伤自诊断混凝土：碳纤维智能混凝土、光纤传感智能混凝土。1.2自调节智能混凝土自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因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，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。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于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构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力。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温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种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：沸石中的硅酸钙含有（3-9）X10-10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0x和S0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际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；水蒸气压力低的地方，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。1.3自修复智能混凝土混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的，使材料损伤破坏后，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。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。应用1碳纤维混凝土碳纤维混凝土是指在混凝土中均匀地加入碳纤维而构成的混凝土,具有压敏性,温敏性和磁敏性。(1)碳纤维混凝土的压敏性水泥与天然石材骨料组:成的混凝土完全干燥后,具有极高的电阻率.因此它被归为绝缘体材料。普通的混凝土介于绝缘体和良性导体之间,碳纤维具有优良的导电性能.美国的D1D1L1Chung等在1989年首先发现,在混凝土中掺入一定量的短碳纤维导电材料,可以使混凝土试件的导电性大大改善。碳纤维的掺入量、长短及在基质中分布的均匀程度直接关系到碳纤维混凝土的导电性。其导电原理为:掺入的短碳纤维在水泥混凝土基质中出现相互关联的带电粒子的通道,通过电极施加电场时,电子沿通道运动而具有导电性。另一方面碳纤维本身在应力作用下,其电阻率随应力增加而增大。所以,从宏观上分析,其电阻率Q随所加应力R的变化而变化,R增大,Q也相应地增加.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状态。据此,可通过碳纤维混凝土电阻率的变化来确定其处于安全、损伤或破坏的哪一阶段。通过与碳纤维相连的计算机,可直接反映所在结构部位混凝土的工作状态,实现结构工作状态的在线监测,当结构内部应力接近损伤区或破坏区时,即可自动报警。同时,利用复合材料的敏感性可有效地监测拉、弯、压等工况,以及在静态或动态荷载作用下材料的内部情况。当在水泥净浆中掺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增多而发生不可逆的降低。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,研究人员能确定阻抗和载重之间的关系,当自感应混凝土用在公路上时,人们可以判定该路的路况,即车辆的方位、重量和速度等参数,为交通管理的智能化提供材料基础。(2)碳纤维混凝土的温敏性碳纤维混凝土具有良好的温敏性。一方面,含有碳纤维的混凝土会产生热电效应。在最高温度为70,最大温差为15范围内,其温差电动势E与温差t之间有较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。另一方面,当对碳纤维混凝土施加电场时,在混凝土中会产生热电效应,即所谓的电热效应。研究表明, 这种效应和电热效应都是由于碳纤维混凝土中存在空穴导电所致。因此可以利用电热效应,把碳纤维混凝土应用于机场跑道、桥梁路面等工程中以实现自动融雪和除冰的功能。在实际工程应用中,已取得很好的效果。(3)碳纤维混凝土的磁敏性在混凝土中掺入0.5%(体积分数)的直径为0.1um的碳纤维丝,则这种混凝土对1GHz的电磁波的反射强度要比普通混凝土对1GHz的电磁波的反射强度10dB,且其反射强度比透射强度低311dB。研究表明,对碳纤维微丝经臭氧处理后,再掺入混凝土中,明显地提高混凝土反射电磁波的能力,同时还能提高混凝土的抗拉强度。采用这种混凝土作为车道两侧导航标记,可实现自动化高速公路的导航。汽车上的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波,经过反射,由汽车上的电磁波接收,再通过汽车上的电脑系统进行处理,即可判断并控制汽车的行驶线路。采用这种混凝土作导航标记,成本低,可靠性好,准确度高。掺入碳纤维的混凝土的费用要比普通混凝土高出约30%,但这仍比在混凝土结构中粘贴和埋入传感元件便宜得多。因此,当某些重要结构需要进行实时监测时,可优先考虑掺入碳纤维的混凝土。2光纤维混凝土(1)光纤传感技术 先前,人们利用光纤作为光的传输介质,进行信息传输,如光纤通信、光纤内窥镜等。在光通信系统中,光纤用作远距离传输光信号的媒介,实际上,在光传输的过程中,光纤易受外界环境因素的影响,如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此,人们发现若能测出光波量的变化,即可知道导致该光波量变化的温度、压力、磁场、等物理量的大小,于是出现了光纤传感技术。(2)光纤的构造及特性光导纤维(简称光纤)主要由两部分构成:一是纤芯,二是包覆纤芯的低折射率包层。纤芯主要由非晶态的石英玻璃组成,并掺杂了锗、硼、磷等氧化物,以改变折射率,纤芯直径一般为550um;包层通常由高硅玻璃制成,其直径(包括纤芯在内)一般为125um。为保护光纤表面不受损伤,还要在其外面包覆一层薄薄的塑料,通常为硅树脂或氨基甲酸乙酯。光纤根据纤芯与包层折射率的分布情况分为阶跃型光纤和渐变型光纤;根据光纤中传输模式多少可分为单模光纤和多模光纤。(3)光纤传感智能混凝土原理及应用 光纤的主要材料是Si02，它由内、外两层介质构成内层是一个透明的圆柱形介质，它位于光纤的中心，称为纤芯外层是轴对称并与纤芯共轴的圆环形透明介质，称为包层。由于纤芯材料的折射率n大于包层的折射率n，因此根据sme原理和全内反射法则，当光在具有高折射率的纤芯向低折射率的包层传播时将被全部反射回纤芯。这样，光在光纤中传播将很少损失能量，从而可以传播至很远的地方。用光纤材料制作机敏棍凝土结构是将光纤直接埋人混凝土结构中。这样，当结构因受力和温度变化产生变形或裂缝时，就会引起埋置其中的光纤产生变形，从而导致通过光纤内的光在光强、相位、波长或偏振方面发生变化。由于光纤传感器就制作在光纤上或直接利用光纤本身，因此通过它就可获取光变化的信息，从而确定结构的应力、变形或裂缝，实现结构应力、变形和裂缝的自监测和自诊断。考虑到光纤传感可实现分布式监测，即在混凝土结构中布设光纤网络，这样不管结构何处的应力、变形和裂缝，都可以被监测到。这充分说明，光纤机敏混凝土结构是一种具有强大自监测和自诊断功能的智能材料结构。3形状记忆合金混凝土形状记忆合金(SMA)是一种新型的功能材料,具有独特的形状记忆和超弹性性能,被广泛用于构成各种智能结构。在某一温度范围内,对形状记忆合金施加一定的外力,使其产生超出弹性范围的拉伸塑性变形,当外力撤去后,会产生残余变形,若此时,再对形状记忆合金加热至一定温度t以上,则残余变形消失,形状记忆合金恢复到原来形状,这就是形状记忆合金的形状记忆特性。将该形状记忆合金埋入混凝土易产生裂缝的部位或构件,当该部位或构件由于荷载、温度变化等外部因素作用而产生较大裂缝时,会引起该处形状记忆合金产生塑性变形,通过一定装置对形状记忆合金加热到超过温度t,可使形状记忆合金收缩。此时,受到限制的合金丝就会对裂缝施加压应力,迫使裂缝变小或合拢。同时,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。4其他智能混凝土一些有特殊要求的混凝土结构,或比较重要的混凝土结构,往往对其性能有特殊的要求,为达到该特殊要求,需要在混凝土中掺加一些有特定功能的组分, 从而配制出有特定功能的智能混凝土。(1)自调节混凝土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。为此,可在混凝土中掺入沸石粉,即可对室内湿度进行自动调节,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;吸放湿与温度有关,温度上升时放湿,温度下降时吸湿。(2)控制水化热的大体积混凝土在浇筑大体积混凝土时,由于水泥水化产生的热量得不到完全释放,容易在混凝土内产生温度裂缝。为避免温度裂缝的产生,可在混凝土中掺入含有缓凝剂的蜡丸,对水泥的水化速度进行控制。当混凝土的温度升高到特定温度时,蜡丸即融化并泄出缓凝剂,使水泥的水化延缓或停滞,并使水化热不致超过规定的温度限值。试验结果表明,混凝土温度快速上升速度和最高温度都是可以控制的。同时发现,与未加缓凝剂蜡丸的普通混凝土相比,其长期的抗压强度具有明显的优势。(3)防火灾烧裂高强混凝土混凝土技术与其工艺表明,通过降低混凝土水灰比,并掺入硅灰一类粉状掺和料,使混凝土的微组织更加致密,从而获得了高强混凝土。但这种混凝土的微组织结构,一旦遭受火灾时,混凝土内的水分即快速蒸发,压力随之增高,而蒸汽却无法泄出,结果即引起混凝土燥裂。为防止高强混凝土在火灾时发生爆裂,有一种方案是在混凝土内掺入1%(体积比)的聚丙稀短纤维。由于掺量极为有限,因此对混凝土的强度和刚度的影响极小,一般可以忽略不计。但掺有聚丙稀短纤维的混凝土,在遭受火灾时,随着温度的升高,聚丙稀短纤维却开始熔化,并在混凝土内形成相当多的空隙,混凝土内的蒸汽即向外泄出,避免了高强混凝土因火灾而发生爆裂的事故。这种防火灾爆裂高强混凝土,实际上也是一种智能混凝土。这种智能混凝土的开发更有利于高强混凝土的推广和应用。智能混凝规究现状和应注意的问题前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只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混凝土作用，目前人们正致力于将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、自凋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。智能混凝土的发展前景智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布臵方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识： 开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。 设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。智能混凝土是智能化的产物，它在对重大土木基础设施应变的实量监测、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具有重要性。而且在建筑向智能化发展的背景下，对传统的建筑材料的研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。结语混凝土是一种脆性材料,在使用过程和施工过程中由于各种内、外因素的影响,将不可避免的会产生一些缺陷,以往对于宏观裂纹等缺陷结构的补救措施,往往都是采取被动的方式,即先发现,再采取人工的办法用普通的胶结材料进行修补,而对于那些无法用目前的检测仪器检测到的微缺陷,则无法处理了。随着现代科技的发展,那些只能用于被动修补方式的修补材料已无法满足使用需要,具有自诊断、自修复能力的智能型混凝土修补材料具有广阔的应用前景。目前水泥基渗透结晶型防水材料体系是应用非常成功的智能型修补材料,因其对水的敏感性现已广泛的应用于地下工程、蓄水工程中。而埋入注有修补液的空心玻璃纤维和微胶囊的智能型自修补混凝土仅处于实验室研究阶段,由于各种不利因素的制约尚未能取得实际应用。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和活力，也提供了全新的机遇。其发展必将使混凝土材料的应用具有更广阔的前景和产生巨大的效益。拥有更高智能能力的自诊断、自愈合智能混凝土成为目前研究的热点,由于其有更好的自诊断、自适应、自愈合能力,具有良好的开发、应用前景,仍旧是未来智能混凝土修补材料类的研究热点。10