1 智能混凝土的定义
智能混凝土是在传统混凝土的基础上复合智能型组分(如传感器、驱动器和微处理器等)，使混凝土成为既能承载又具有传递信息、自行判断和执行命令等特定功能的多功能材料。
智能混凝土起源于二十世纪60年代，当时苏联学者首先采用碳黑为导电组分尝试制备了水泥基导电复合材料。二十世纪80年代末，日本的研究人员设想并着手开发“对环境变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。1993年，美国开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。我国从二十世纪90年代中期开始针对碳纤维片材加固修复混凝土结构领域进行研究，虽然起步较晚，但在我国科研机构和高等院校的共同努力下已取得大量成果。
2 智能混凝土的种类
2.1 自调节智能混凝土
实际应用中，人们希望混凝土不仅能够承受负荷，还要求其在台风和地震等自然灾害发生时能够自动调节承载能力并减缓结构振动，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材料。目前已广泛使用的驱动材料为形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)和电流变体(Electro-Rheid, ER)。
在室温下对形状记忆合金施以超过弹性范围的拉伸使其产生塑性变形，将其加热至略微超过相变温度，即可使变形消失，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，在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结构内部应力重新分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。形状记忆合金的另一个显著优点是相变伪弹性性能和相变滞后性能，其应力-应变曲线在加卸载过程中形成环状，这说明形状记忆合金在此过程中可吸收和耗散大量能量。因此，利用形状记忆合金形成的被动耗能控制系统可以用来消耗大量地震能量，从而减轻地震灾害。有试验结果表明，安装了形状记忆合金耗能器的结构可吸收60%左右的地震能量，结构的位移可得到明显的抑制。
电流变体是一种可通过外界电场作用来控制其粘性和弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，其稠度随电场的增加而增加直到完全固化，电流变体可于0.1ms内组合成链状或网状结构的固体凝胶，当外界电场消失后，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，当混凝土结构受到台风和地震袭击时，通过调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率和阻尼特性，可达到减缓结构振动的目的。
除承载和抗震外，各类展览馆、博物馆及美术馆等对其室内的湿度也有严格的要求，为实现稳定的湿度，往往需要设置湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其造价和维持使用的费用都较高。日本学者研制出了自动调节环境温度的混凝土材料，其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。为这种混凝土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：沸石粉中的孔隙可以对水分、NOX和SOX气体进行有选择性的吸附。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。通过对沸石粉的种类进行选择，可以制备出符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。这种材料已成功用于多家场馆的室内墙壁，取得了非常好的效果。其他如天然的硅藻土、高岭土、凹凸棒土和海泡石，以及人工合成的硅酸钙、人工沸石等也可赋予混凝土材料自调湿功能。
2.2 自感应智能混凝土
向混凝土中复合部分功能材料可获得具备压敏性和温敏性等功能的自感应混凝土，目前常用的功能材料有：聚合物、碳纤维、金属和光纤等，其中最常用的是碳纤维和光纤。
2.2.1 碳纤维智能混凝土
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其强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也得到明显改善。研究结果表明，在构件受力的弹性阶段，碳纤维水泥基材料的电阻率随内部应力的增加而线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻率逐渐增大，预示构件即将破坏；而不掺碳纤维的水泥基材料其导电性在荷载作用下几乎无变化，直到临近破坏时，电阻率才急剧增大。根据碳纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土的电导率变化，可实现对混凝土工作状态的实时监测。碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯等静荷载和动荷载作用下的弹性变形、塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，其灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸还是压缩状态下，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。
碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化(温阻性)以及碳纤维混凝土内部的温差会产生电位差的热电性。有研究结果表明，在最高温度为70℃以及最大温差为15℃的范围内，温差电动势e与温差t之间具有良好的线性关系。碳纤维混凝土可实现对大体积混凝土的温度自监控，也可以实现对建筑物内部及周围环境温度变化的实时监控。
碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于工业防静电构造，公路路面、机场跑道等处的化雪除冰，钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护，住宅及养殖场的电热结构等。
2.2.2 光纤传感智能混凝土
光在光纤中的传播易受到外部条件的影响，如温度、压力、电场和磁场等，这些外部条件的变化会引起光发生诸如光强度、相位、频率及偏振态的变化。科学研究发现，光波量变化的大小与温度、压力和磁场等物理量的变化息息相关，进而出现了光纤传感技术。近年来，国内外科研工作者将光纤传感技术引入建筑结构领域，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感技术的研究。
光纤的应用实现了对土建结构进行实时无损的检测，有利于结构的安全和整体维护。到目前为止，光纤传感智能混凝土已成功用于许多工程，国内典型的工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测以及芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。
2.3 自修复智能混凝土
人的皮肤划破后，经过一段时间皮肤会自然长好；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合……混凝土结构在使用过程中常会产生裂缝，这些裂缝不仅降低混凝土强度，而且易使水、CO2、酸雨和氯化物等侵入混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对建筑物和构筑物等尤为不利。一旦混凝土结构形成裂缝，检查和维修工作都难以进行，但若能采用自修复混凝土，就不必担心这些问题了。
如前所述，自修复混凝土就是模仿生物组织受创伤后的再生、恢复机理，在传统混凝土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，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，有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，一旦混凝土发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并渗入裂缝，粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国有学者在1994年采用类似的方法，在空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液作为粘结剂埋入混凝土中使混凝土具有自修复功能。在此基础上，根据动物的骨骼结构和形成机理进一步制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)为基体材料，在其中加入多孔的编织纤维网，在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂使单聚物聚合成高聚物，这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能，聚合反应留下的水则继续参与水泥水化反应。
3 智能混凝土的发展趋势
智能混凝土具有广阔的应用前景，可应用于民用建筑、桥梁、道路和大坝等工程中，实现对结构内部应力、应变及损伤等情况进行实时、在线的监控，并实现自行修复。相信随着对智能混凝土基础理论及应用技术的深入研究，其应用面将更为更广泛，应用效果更佳。
因此，未来在该领域的研究课题应着重于以下几个方面。
(1) 混凝土中智能组件的集成化和小型化
智能混凝土是在现代材料科学的基础上进一步融入了信息科学的内容，如感知、辨识、寻优和控制驱动等，智能混凝土必须引入传感、执行和信息处理等元件，而智能组件的集成化和小型化无疑将有利于与混凝土基材的复合。
(2) 开发智能控制材料
控制材料是智能组件集成化的关键，神经中枢网络控制材料不但为智能混凝土材料获得实时动态响应、提供学习和决策功能，而且能够对环境变化进行适应性调控，从而达到适应环境、调节环境，自诊断材料和结构的健康状况并进行自修复等目的。因此，必须致力于探索和开发神经中枢网络控制材料，挖掘新的研究方法和新的制造工艺。
(3) 实现混凝土材料结构、智能一体化
未来的智能混凝土材料既是高性能的建筑结构材料，同时又具有优异的智能特征，真正实现混凝土结构与智能的一体化。形象地讲，未来的智能混凝土应包括骨骼系统(基材，提供承载能力)，神经系统(内埋传感网络，提供监测、感知能力)，肌肉系统(驱动元件，提供调整适应响应)，免疫系统(修复元件，提供康复能力)，以及神经中枢系统(控制元件，提供学习和决策能力)等。
4 结语与展望
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，在大量投入实际工程前，还有很多问题需要进一步研究和解决。这包括碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式和耐久性等，光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式，自修复混凝土的修复粘结剂的选择、封入的方法以及愈合后混凝土耐久性能的可靠性等。为保证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。
(1) 针对性。要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能化方法。要开发出一种能应对所有情况的解决方法是很困难的，应缩小智能化范围，以某种特定功能为对象，从而开发出相对最适应的方法。
(2) 可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而智能混凝土对技术与工艺的要求需结合实际情况，应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。此外，选用的材料应具有化学稳定性，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。
(3) 综合性。智能化措施虽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补偿，但是否会对强度等其它性能产生不利影响，都需要认真权衡利弊，综合考量。
【推荐】
手机版|
