智能混凝土的研究与发展

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1、智能混凝土的研究与发展硕2073班冀鹏飞学号：迄今为止，尽管混凝土仍为目前使用最为广泛的建筑材料之一，但随着现代航空、航天、电子、机械等高科技领域的高速发展，人们对材料提出了越来越高的要求，传统的结构材料——混凝土，已经不能满足这些技术的要求。混凝土的发展由传统的单一的仅具有承载能力的结构材料。向多功能化、智能化的结构材料方向发展。而智能混凝土作为一种新型的智能材料，是混凝土发展方向中最突出的一个发展领域。智能材料就是模仿生命系统，能感知应力、热、光、电、磁、化学等环境条件的变化，而且能实时地改变自身一种或多种性能参数，作出人们所期望的、与变化后的

2、环境相适应的响应从而予以控制的一种复合材料。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诊断、自调节、自愈合等特性的多功能材料。通常，仅复合一种单一的智能材料的混凝土只具备一种功能，要想具备多种功能，就需要复合多种智能材料。但是依据现有的科技水平，制备完善的智能混凝土还相当困难。不过，具备单一或部分功能的智能混凝土的相继出现，例如损伤自诊断混凝土、自调节混凝土、自愈合混凝土等，则为智能混凝土的进一步研究奠定了坚实的基础。1自诊断混凝土自诊断混凝土，又称自感应混凝土。具有压敏性、温敏性、磁敏性等自感应特性。普通的混凝土材料本

3、身不具有自感应功能。但复合了部分其他具有自感应特性材料的混凝土就可具备自感应功能。目前最常用的复合于混凝土中的自感应材料有聚合类、碳类、金属类和光纤，其中最常用的是碳类和光纤，形成了当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土，即碳纤维混凝土和光纤维混凝土。1.1碳纤维混凝土碳纤维混凝土是在普通混凝土中分散均匀地加人碳纤维而构成的。碳纤维的导电性能远大于普通混凝土，当在混凝土中掺人适量短段碳纤维。不仅可以显著提高其强度和韧性，还可以大大改善其导电性能。由于复合了碳纤维智能型成分，碳纤维混凝土具有了一个有别于普通混凝土的非常重要的智能性特性，即压敏性特性。研究

4、表明，碳纤维混凝土压应力和电阻率之间存在着一定的对应关系，对应关系如图l所示。从图中可见，此关系曲线基本可分为3段。AB段，由于压应力较小，混凝土内原有裂缝在压应力下闭合。纤维间势垒变窄，电阻率随压应力的增加而减小，此时混凝土材料处在正常丁作范围内。BC段，随着压应力的增大，一方面混凝土中开始产生损伤和新的裂纹，另一方面原有裂纹还在闭合之中，它们处于一种动态平衡，因此此阶段电阻率基本没有变化，但混凝土材料已开始出现损伤。CD段．随着压应力的继续增大，混凝土的损伤和新的裂纹加剧，碳纤维的电阻率迅速增加。据此，通过碳纤维混凝土电阻率的变化就可以大致判断

5、其内部应力、应变的变化情况，从而确定其处于安全、损伤或破坏的哪一阶段。碳纤维混凝土还有一个重要特征，即温敏性。当碳纤维混凝土试块两端存在温差时，会在此两端产生电位差。其冷端为负极。热端为正极，即所谓的热电效应。因此，可以利用碳纤维混凝土的这种性能，实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时监控。当对碳纤维混凝土施加电场时。会在混凝土中产生热效应，即所谓的电热效应。据此，就可以把碳纤维混凝土应用于机场跑道、桥梁路面等丁程中以实现自动融雪和除冰的功能，还可以检测到混凝土结构中的损伤。研究表明，热电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。共价

6、键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴．当大量自由电子在这些空穴定向运动时，就等效为正的质子沿电子反向流动，从而形成电流，即为空穴导电。1.2光纤维混凝土光纤维混凝土，是将光纤维传感器阵列直接埋人混凝土中而构成的。研究发现，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、磁场等物理量的变化会引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的物理量的变化。当光纤维混凝土结构因受力和温度变化产生变形或裂缝时。

7、就会引起埋置其中的光纤维产生变形。从而导致通过光纤维的光在强度、相位、波长及偏振等方面发生变化。根据获取的光的变化信息，可探测结构中内部应力、变形或裂缝的变化，实现结构应力、变形和裂缝的自诊断。光纤维混凝土常用于混凝土养护中温度及应力的自监测。大体积混凝土养护过程中通常会释放大量的热量，从而在混凝土中产生温度应力和温度裂缝。为防止温度裂缝的发生，可通过埋置于混凝土中的光纤温度感知器监测混凝土内部温度，为养护过程中控制冷却速率提供依据。1.2自愈合混凝土随着现代材料科学的不断进步，作为最主要建筑结构材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化

8、方向发展，用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土材料的固有缺陷是脆性大，在使用过程和周围环境的影响下不可避免