智能混凝土
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❖ 当砼构件承受动力荷载作用时，可直接埋入压电传感器以 实时监测砼结构的动态变化
3.压电智能混凝土
wk.baidu.com理2：
静荷载作用P
压电传感器
声发射
声接收
钢筋
放大器 测量系统
钢筋混凝土简支梁 ❖ 当砼构件承受静荷载、环境因素引起的砼材质变化、各种作用 导致砼裂缝开展等情况，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
通电加热
承载力自调节混凝土梁 控制系统
常见的驱动功能材料
❖ 形状记忆合金（SMA） ❖ 电流变/磁流变体（ER/MR）等
四、自调节智能混凝土
电流变液的工作机理:
E=0
E>0
E>>0
E
E=0 (电压为E>零0 ,(電壓大E于>>零0 (,電壓遠大于零,
五、超复合智能混凝土发展展望
1、由机敏混凝土到真正的智能混凝土
3、碳纤维混凝土的光辉前景
热电效应: 温度变化引起电阻变化(温阻性)及碳纤维砼内部
的温差会产生电位差的热电性。可将碳纤维混凝土制成热电 偶，埋入混凝土结构中,实现：
✓ 监控砼结构内部和建筑物周围环境的温度分布及变化 ✓ 大体积混凝土的温度自监控 ✓ 有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构
五、超复合智能混凝土发展展望
智能基混凝体土
自 感
水或泥混自适、凝砂土浆自修
知应复
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
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
损伤自诊断混凝土 自修复智能混凝土 自调节智能混凝土
三、自修复智能混凝土
原理：在砼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，粘结剂流入砼裂缝中实现自愈合 荷载
四、自调节智能混凝土
形状记忆合金工作原理:
形状记 忆合金
外荷载作用
当混凝土梁受荷作用 过大，控制系统自动 通电使形状记忆合金 受热产生（类似于预 应力的）回复力，从 而提高梁的承载能力
损伤的无损评 估、及时修复
减轻台风、 地震的冲击
智能 混凝土
提高建筑的舒适度
解放人自身的劳动
ＴＨＡＮＫ YOU！
超复合智能混凝土
高强 混凝土
普通 混凝土
高性能 混凝土
多功能 混凝土
智能混凝土
主要内容
1 超复合多功能混凝土概述 2 智能混凝土之自诊断智能混凝土 3 智能混凝土之自修复智能混凝土 4 智能混凝土之自调节智能混凝土 5 超复合智能混凝土发展展望
一、超复合多功能混凝土概述
改变混凝土 自身结构
混凝土材料应用多元化 各种功能材料新成果
3、碳纤维混凝土的光辉前景
电热效应:利用碳纤维砼的导电性,对其施加电场, 则在砼中
产生热效应。可将碳纤维掺入砼中，制成碳纤维砼，浇入工 程结构中,实现: ✓ 机场跑道、桥梁、道路路面等自动融雪和除冰 ✓ 寒冷地区混凝土墙体升温以便于房屋采暖
电源
五、超复合智能混凝土发展展望
总结
应变的实量监测
确保建筑物的安全 和长期的耐久性
温度自控智能混凝土 湿 度自 调 节 混凝土
二、损伤自诊断智能混凝土
自诊断混凝土是指在普通砼中复合导电、传感器等其它材料 组分使砼本身具备自诊断和自感知功能
分别利用碳纤 维、光纤、压 电元件对电、 光、振动等外 界作用的机敏 性实现混凝土 的自诊断
1.碳纤维智能混凝土
＋
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
1.碳纤维智能混凝土
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
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）
2.光纤传感智能混凝土
原理：光在光纤传输过程中，温度、压力等外界因素对光强度、 相位、频率、偏振态等光波量产生影响
应用：
初始微裂纹 P
光纤传感器
将光纤传感器埋入钢 筋砼中以测量砼微裂 纹的引伸、发展规律
钢筋
钢筋混凝土简支梁
2.光纤传感智能混凝土
腐蚀
材料因素
压力
电磁场
智能材料
应力
感知
光
温度
信息 处理器判断与处理信息
指令 智能元件驱动材料结构
改变材料结构的性态 使材料结构适应环境
五、超复合智能混凝土发展展望
1、由机敏混凝土到真正的智能混凝土
智能材料应具备三个基本要素：
超复合智能混凝土
感知
处理
自 驱动 感
自 调
节
知 自 修 复
五、超复合智能混凝土发展展望
2、发展过程中需要解决的问题
智能组件的集成 化和小型化
结构——智能一体化
实施中应具 有可行性
开发智能 控制材料
发展
智能组件本身的疲 劳性能，或者说是 可重复性
优化设计
五、超复合智能混凝土发展展望
3、碳纤维混凝土的光辉前景
高强度 高弹模
轻质
热敏性
C
导电性
应力—电阻 相关性
碳纤维的优良性能
五、超复合智能混凝土发展展望
美国Winooski的一座 水电大坝的振动监测
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.压电智能混凝土
原理1：
动态荷载P(t)
压电传感器
钢筋
放大器 测量系统
钢筋混凝土简支梁
多功能 混凝土
特殊功能要求
减低环境负荷 生态友好 仿生系统，智能化
超复合
一、超复合多功能混凝土概述
改变混凝土 自身结构
多孔混凝土
透水混凝土 绿化混凝土 水质净化混凝土 大气净化混凝土
超复合
混凝土本身作为一 种复合材料再加入 一种或几种功能材 料进行复合。
微细观复合化 宏观复合化
一、超复合多功能混凝土概述
3.压电智能混凝土
wk.baidu.com理2：
静荷载作用P
压电传感器
声发射
声接收
钢筋
放大器 测量系统
钢筋混凝土简支梁 ❖ 当砼构件承受静荷载、环境因素引起的砼材质变化、各种作用 导致砼裂缝开展等情况，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
通电加热
承载力自调节混凝土梁 控制系统
常见的驱动功能材料
❖ 形状记忆合金（SMA） ❖ 电流变/磁流变体（ER/MR）等
四、自调节智能混凝土
电流变液的工作机理:
E=0
E>0
E>>0
E
E=0 (电压为E>零0 ,(電壓大E于>>零0 (,電壓遠大于零,
五、超复合智能混凝土发展展望
1、由机敏混凝土到真正的智能混凝土
3、碳纤维混凝土的光辉前景
热电效应: 温度变化引起电阻变化(温阻性)及碳纤维砼内部
的温差会产生电位差的热电性。可将碳纤维混凝土制成热电 偶，埋入混凝土结构中,实现：
✓ 监控砼结构内部和建筑物周围环境的温度分布及变化 ✓ 大体积混凝土的温度自监控 ✓ 有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构
五、超复合智能混凝土发展展望
智能基混凝体土
自 感
水或泥混自适、凝砂土浆自修
知应复
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
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
损伤自诊断混凝土 自修复智能混凝土 自调节智能混凝土
三、自修复智能混凝土
原理：在砼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，粘结剂流入砼裂缝中实现自愈合 荷载
四、自调节智能混凝土
形状记忆合金工作原理:
形状记 忆合金
外荷载作用
当混凝土梁受荷作用 过大，控制系统自动 通电使形状记忆合金 受热产生（类似于预 应力的）回复力，从 而提高梁的承载能力
损伤的无损评 估、及时修复
减轻台风、 地震的冲击
智能 混凝土
提高建筑的舒适度
解放人自身的劳动
ＴＨＡＮＫ YOU！
超复合智能混凝土
高强 混凝土
普通 混凝土
高性能 混凝土
多功能 混凝土
智能混凝土
主要内容
1 超复合多功能混凝土概述 2 智能混凝土之自诊断智能混凝土 3 智能混凝土之自修复智能混凝土 4 智能混凝土之自调节智能混凝土 5 超复合智能混凝土发展展望
一、超复合多功能混凝土概述
改变混凝土 自身结构
混凝土材料应用多元化 各种功能材料新成果
3、碳纤维混凝土的光辉前景
电热效应:利用碳纤维砼的导电性,对其施加电场, 则在砼中
产生热效应。可将碳纤维掺入砼中，制成碳纤维砼，浇入工 程结构中,实现: ✓ 机场跑道、桥梁、道路路面等自动融雪和除冰 ✓ 寒冷地区混凝土墙体升温以便于房屋采暖
电源
五、超复合智能混凝土发展展望
总结
应变的实量监测
确保建筑物的安全 和长期的耐久性
温度自控智能混凝土 湿 度自 调 节 混凝土
二、损伤自诊断智能混凝土
自诊断混凝土是指在普通砼中复合导电、传感器等其它材料 组分使砼本身具备自诊断和自感知功能
分别利用碳纤 维、光纤、压 电元件对电、 光、振动等外 界作用的机敏 性实现混凝土 的自诊断
1.碳纤维智能混凝土
＋
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
1.碳纤维智能混凝土
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
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）
2.光纤传感智能混凝土
原理：光在光纤传输过程中，温度、压力等外界因素对光强度、 相位、频率、偏振态等光波量产生影响
应用：
初始微裂纹 P
光纤传感器
将光纤传感器埋入钢 筋砼中以测量砼微裂 纹的引伸、发展规律
钢筋
钢筋混凝土简支梁
2.光纤传感智能混凝土
腐蚀
材料因素
压力
电磁场
智能材料
应力
感知
光
温度
信息 处理器判断与处理信息
指令 智能元件驱动材料结构
改变材料结构的性态 使材料结构适应环境
五、超复合智能混凝土发展展望
1、由机敏混凝土到真正的智能混凝土
智能材料应具备三个基本要素：
超复合智能混凝土
感知
处理
自 驱动 感
自 调
节
知 自 修 复
五、超复合智能混凝土发展展望
2、发展过程中需要解决的问题
智能组件的集成 化和小型化
结构——智能一体化
实施中应具 有可行性
开发智能 控制材料
发展
智能组件本身的疲 劳性能，或者说是 可重复性
优化设计
五、超复合智能混凝土发展展望
3、碳纤维混凝土的光辉前景
高强度 高弹模
轻质
热敏性
C
导电性
应力—电阻 相关性
碳纤维的优良性能
五、超复合智能混凝土发展展望
美国Winooski的一座 水电大坝的振动监测
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.压电智能混凝土
原理1：
动态荷载P(t)
压电传感器
钢筋
放大器 测量系统
钢筋混凝土简支梁
多功能 混凝土
特殊功能要求
减低环境负荷 生态友好 仿生系统，智能化
超复合
一、超复合多功能混凝土概述
改变混凝土 自身结构
多孔混凝土
透水混凝土 绿化混凝土 水质净化混凝土 大气净化混凝土
超复合
混凝土本身作为一 种复合材料再加入 一种或几种功能材 料进行复合。
微细观复合化 宏观复合化
一、超复合多功能混凝土概述