智能混凝土调研报告

智能混凝土调研报告

汇报人：刘旱妹

(组员：黎兴美、詹雨迪、李箫、李家盛)

一、智能混凝土概述

混凝土是现代建筑中运用最广泛的材料之一，它具有结构性能好，可塑性好，防水性能好和适合工业化生产等优点。随着社会的发展，传统的混凝土已经不能满足现代工业的一些特殊应用。混凝土技术已进入高科学技术时代，正向着高强度、高工作性和高耐久性的高性能方向发展，同时混凝土科学技术的任务已从过去的“最大限度向自然索取财富”，变为合理应用、节省能源、保护生态平衡，使其成为科学、节能和绿色建筑材料。而混凝土能否长期维持在特殊环境中正常使用，以适应特殊性能的要求也成为今后混凝土的努力方向，也是混凝土的未来和希望。在混凝土的研究中，智能混凝土的研究是一大热点。

智能混凝土(Smart/Intelligent Materials)指的是能感知环境条件变化，并做出相应反应的材料。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。

它是20世纪60年代出现并于90年代迅速发展的新型功能材料。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。应用于智能结构中的智能材料应具备感知、处理、驱动三个基本要素。

二、智能混凝土特性研究

1、自诊断性

自诊断混凝土是指在普通混凝土中复合导电、传感器等其它材料组分使混凝土本身具备自诊断和自感知功能。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。在自诊断性的研究中，研究最多，应用最为广泛是碳纤维智能混凝土和光纤维智能混凝土。

1.1碳纤维智能混凝土

碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。

通过对材料的宏观行为和微观结构进行观测发现材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的如可逆电阻率的变化对应弹性变形而不可逆电阻率的变化对应非弹性变形和断裂。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏（图5）。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系（图1）。

同时碳纤维具有较好的导电性 ， 因此可以利用碳纤维的导电性将其本身作为传感元件 ，通过

材料受力时产生的电阻变化反映出结构内部的变化。根据碳混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测。在碳纤维的损伤自诊断混凝

土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。碳纤维作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。

1.2光纤维智能混凝土

光纤维智能混凝土是指在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。

光在光纤的传输过程中易受到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。因此测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。

2、自调节性

对于通常作为建筑材料使用的混凝土，其结构除了承受正常负荷外，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并没有自调节功能，要达到自调节的目的，就要在混凝土中复合驱动器材料，如形状记忆合金(SME)和电流变体(ER)。

形状记忆合金具有形状记忆效应。若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至稍许超过相变温度，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其在不同温度下恢复相应形状的功能，当混凝土结构受到异常荷载干扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土内部应力自动改变为另一种有利的应力分布，这样就可调整建筑结构的承载能力。

电流变体是一种可通过外界电场作用来控制其黏性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构固凝胶，其黏度随电场增加而变稠到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种电流变体作用，当混凝土结构受到台风、地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。

3、自修复性

自修复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网络系统，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方法，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。

修复形式

从自然界动植物的自修复以及前人对复合材料自修复体系的研究可知，自修复功能实现的核心是能量补给和物质补给，根据物质和能量补给方式的不同，可将自修复聚合物材料分为两大类：一类是外植型自修复，通过在材料内部预先分散或复合某些功能性物质实现自修复，这些功能性物质主要由微胶囊或微流道装载；另一类是本征型自修复，即在某种刺激（多数是能量补偿）条件下，聚合物分子链段运动或发生可逆反应，从而实现材料的自愈合。由于本征自修复体系必须在特定的温度、光波波长或者气氛等外界条件才能发挥效用；同时，对树脂分子结构也有严格要求，目前尚无法应用于常用复合材料的自修复。

常用修复剂

常用修复剂主要有两种。一种修复剂是本身就具有粘结基体材料的功能。比如将装入化学药品的多孔玻璃纤维放置在混凝土中，如果混凝土因地震或其它应力而发生破裂，空心玻璃纤维就会破裂，释放出一种粘结剂阻止进一步的破裂。日本学者将内含粘结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，部分空心胶囊就会破裂，粘结剂流向开裂处，可使混凝土裂缝重新愈合。

一种是修复剂本身不具备粘结基材的功能，但是当其与另外的物质相遇时，能够发生化学