智能混凝土

分别利用碳纤维、 光纤、压电元件对 电、光、振动等外 界作用的敏感性实 现混凝土的自诊断
(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。在 水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧 性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善， 可以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。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。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。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。根据纤维混凝土的这一特 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。
当此部分混凝土材 质发生变化或发生 裂缝的开展等，均 对声波产生改变
静荷载作用P
压电传感器
声发射
声接收
钢筋
利用逆压电效应， 在交变电压作用 下，使压电元件
产生声振动
放大器
钢筋混凝土简支梁
测量系统
将声波信号转换为 电信号，通过分析 信号的改变来监测 混凝土结构的损伤
2. 自修复智能混凝土
自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结 构受创伤后的再生、恢复机理，采用修复 胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材 料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢 复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。
加拿大Calgary一双跨公
光纤传感智能混凝土 路桥内部应变状态监测
用江苏润扬长江公路大桥 长期监测与安全评估系统
光纤传感器
用于加拿大一桥梁 柱內被侵蚀监测
钢筋的应力状态监测
(3) 压百度文库智能混凝土
• 原理：将压电敏感元件（如压电石英、压电
陶瓷）按一定的排列方式埋入混凝土中，并
形成阵列网络。压电敏感元件可将结构内的
• 应用：在混凝土结构的埋入光纤传感器或其阵 列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应 力、应初始变微变裂纹化P ，并对光纤由传感于器外力、疲将筋 光砼劳纤中等传以 感测产器量 埋砼生入微的钢裂 变形、裂纹及扩展等损伤进行实时纹的监引测伸、发展规律
钢筋
钢筋混凝土简支梁
美国Winooski的一座 水电大坝的振动监测
＋
混凝土等水泥基材料
短切碳纤维
（具有高强度、高弹性
且良好的导电性能）
碳纤维智能混凝土
受力－电阻特点
内
应
力
接近破坏荷载作用，
电阻变化率随应力突
非弹性受力，电阻 增
断裂破坏
变化率随应力非线
性增加 有损伤
弹性受力，电阻变 化率随应力线性增
加 无损伤
电阻
碳纤维混凝土应力电阻关系
材料结构在线 损伤实时监测
混凝土
演讲者：范理诚 合作者：严丛
城市一瞥
长江三峡大坝
2009年6月27日凌 晨5点30分左右，当 大部分上海市民都还 在睡梦中的时候，家 住上海闵行区莲花南 路、罗阳路附近的居 民却被“轰”的一声 巨响吵醒，伴随的还 有一些震动，没多久， 他们知道不是发生地 震，而是附近的小区 “莲花河畔景苑”中 一栋13层的在建的住 宅楼倒塌了。
智能混凝土
智能基混凝体土
自 感
水或泥混自适、凝砂土浆自修
知应复
功能
预报混凝土材料内部损伤 实现砼结构自身安全检测 防止砼结构潜在脆性破坏 实现材料及结构自动修复 提高结构安全性和耐久性
应用
复合智能型组分
光纤材料 压电陶瓷
形状记忆合金 电流变体
碳纤维 高分子材料 等
损伤自诊断混凝土
自修复智能混凝土
原理：在混凝土中内置充满粘结剂的空心纤维管、空心胶囊、多孔纤维
网，当纤维管等受拉破裂后，粘结剂流入混凝土裂缝中实现自愈合
荷载
内装缩醛高 分子溶液粘 结剂的空心 纤维管，沿 受拉向布置
砼开始出现裂缝， 但纤维管不破裂
裂缝进一步扩展，纤维管破裂， 粘结剂流入裂缝，实现自愈合
3. 自调节智能混凝土
• 原理:在混凝土中复合具有驱动功能的智能材料(元件),可使砼 具有自调节能力,以提高结构抗御地震、强风等各种环境作用的 能力
自调节智能混凝土
温度自控智能混凝土
反射与吸收电磁波 的智能混凝土
1. 损伤自诊断智能混凝土
• 自诊断混凝土是指在普通中复合导电、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
• 常用智能材料组分：聚合物类、碳类、金属类和光纤,等
• 主要种类：
✓ 碳纤维智能混凝土 ✓ 光纤智能混凝土 ✓ 压电智能混凝土
工程应用
碳纤维砼电阻率的 变化可反映材料结 构内部处于安全、 损伤、破坏各阶段
碳纤维砼具有自感 知内部应力、应变 和损伤程度的功能 （即自诊断功能）
碳纤维混凝土样品图案
(2) 光纤传感智能混凝土
• 原理：利用光在光纤传输过程中受温度、压力 等外界因素对光强度、相位、频率、偏振态等 光波量的影响规律而开发的一种传感技术
四川雅安地震后的废墟图片
怎样才能避免房屋倒塌 或者让损坏减到最低
？？？
智能混凝土
智能混凝土，是在混凝土原有的组分基础上复合智能型 组分，使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修 复特性的多功能材料。自九十年代中期，国内外先后开 展了功能型和智能型水泥基材料的研究，并取得了一些 有价值的研究成果。如同济大学研究了碳纤维水泥基材 料特性等，哈尔滨工业大学研究了光纤传感智能混凝土， 国外还对水泥基磁性复合材料、自动调节温度与湿度的 水泥基复合材料等进行了研究。但是，有关自修复混凝 土的研究还很少，如何快速、适时地愈合混凝土材料的 内部损伤，以及对自修复混凝土机理的研究，目前只有 美国、日本等少数国家进行研究，且处于实验室探索阶 段
应力、应变变化转换成电信号输出，从而实
动态荷载P(t)
压电传感器
❖现当混砼构凝件土承材受动料力结荷构的实时监测
载作用时，可直接埋入
压电传感器以实时监测
砼结构的动态变化
钢筋
放大器 测量系统
钢筋混凝土简支梁
❖ 当混凝土构件承受静荷载、环境因素引起的混凝土材质变化、 各种作用导致混凝土裂缝开展等情况，利用压电效应或逆压电效 应的压电元件组成阵列，以实时监测结构内部的（准）静态变化