智能混凝土材料在建筑中的应用

　　智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术，为传统建材的发展注入了新的内容和活力，也为建筑的发展与推广提供了全新的机遇，于此同时也必将产生巨大的社会和经济效益。
　　一、概念
　　智能混凝土，是在混凝土原有组分基础上加入复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆、自适应、自修复特性等多种功能，既可以有效地预报混凝土材料内部损伤，满足结构自我安全检测需要，又可以防止潜在的脆性破坏，从而提高混凝土结构的安全性和耐久性。
　　二、各类智能混凝土的应用
　　1、损伤自诊断混凝土，是指在混凝土基材复合部分加入能使混凝土具备压敏性和温敏性等自感应功能的智能型组分。目前常用的智能型组分材料有：聚合类、碳类、金属类和光纤类。
　　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。在混凝土中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且可以使混凝土具有自感知内部应力、应变、温度和操作程度的功能，其电学性能也会得到明显改善。
　　碳纤维混凝土具有压敏性传感功能，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。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，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）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（Seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。
　　1.2光纤传感智能混凝土
　　光纤传感智能混凝土，即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。利用外界环境（如温度、压力、电场、磁场等）的变化，对光波的强度、相位、频率、偏振态引起的变化，可知导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。
　　近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，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器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为BeddingtonTail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。
　　2、自调节智能混凝土
　　自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，还需要在受到台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载力和减缓结构振动，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组件材料。如：形状记忆合金（SMA），形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至超过相变温度，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不同温度下恢复相应形状的功能，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分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。
　　有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料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。这种混凝土材料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：沸石中的硅酸钙含有大量的孔隙，这些孔隙可以对H2o分子进行吸附。通过用沸石制备符合实际需要的自动调节环境湿度的混凝土，使混凝土具有优先吸附水分的特点，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。
　　3、自修复智能混凝土
　　混凝土结构大多是带缝工作，裂缝不仅影响构件的强度，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵入混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀钢筋。自修复混凝土在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。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。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本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，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上CarolynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试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，在其中加人多孔的编织纤维网。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与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。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。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。[!--empirenews.page--]
　　4、其他智能混凝土
　　实现真正意义上的智能型建筑，不仅体现在建筑内部弱电系统的应用，还应该把节能、环保、绿色、生态等发展可持续建筑的战略思想宗旨融入建筑的智能化建设中去，实现资源的有效持续利用，节能节水节地，减少废弃物，减低或消除污染，减小地球负荷，体现社会、经济、环境效益的高度统一。
　　4.1电磁屏蔽混凝土，通过掺入金属粉末导电纤维等低电阻导体材料，在提高混凝土结构性能的同时，能够屏蔽和吸收电磁波，降低电磁辐射污染，提高室内电视影像和通讯质量；
　　4.2透水混凝土，具备良好的透水透气性，可增加地表透水、透气面积，调节环境温度、湿度，减少城市热岛效应，维持地下水位和植物生长；
　　4.3生物相容型混凝土利用混凝土良好的透水透气性，提供植物生长所需营养。陆地上可种植小草，形成植被混凝土，用于河川护堤的绿化美化；淡水海水中可栖息浮游动物和植物，形成淡水生物、海洋生物相容型混凝土，调节生态平衡；
　　4.4抗菌混凝土，在传统混凝土中加入纳米抗菌防霉组分，使混凝土具有抑制霉菌生长和灭菌效果；
　　4.5净水生态混凝土，将高活性净水组分与多孔混凝土复合，提高吸附能力，使混凝土具有净化水质功能和适应生物生息场所及自然景观效果，用于淡水资源净化和海水净化；
　　4.6净化空气混凝土，在砂浆和混凝土中添加纳米二氧化钛等光催化剂，制成光催化混凝土，分解去除空气中的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体。另外还有物理吸附、化学吸附、离子交换和稀土激活等空气净化形式，可起到有效净化甲醛、苯等室内有毒挥发物，减少二氧化碳浓度等作用；
　　4.7温度自监控混凝土，通过掺入适量的短切碳纤维到水泥基材料中，使混凝土产生热电效应，实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时测量。此外尚存在通过水泥基复合材料的热电效应利用太阳能和室内外温差为建筑物提供电能的可能性。
　　三、结束语
　　智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术，和新型功能材料，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。我国在北京2008年奥林匹克运动会中提出了绿色奥运、科技奥运和人文奥运的口号，如何使奥运建筑与园区建设能够真正实现“绿色化、科技化”的内涵，建成可持续发展的建筑与园区，和智能建筑材料的使用息息相关。2010年上海世博会体现“城市，让生活更美好”的主题，场馆建设也突出了智能化。智能混凝土具有广阔的应用前景，也必将产生巨大的社会经济效益。

《智能混凝土材料在建筑中的应用》

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