智能混凝土研究进展.docx

智能混凝土研究进展 邢思朋 祝斯月 李苗苗 何冲 张天昊摘要：从自感应、自修复、自调节和高阻尼等方面分类概况了智能混凝土的研究进展，分析了各类智能混凝土的优势，及研究中存在的问题。同时结合研究现状对智能混凝土的未来研究和应用进行了展望。Abstract： This paper summarizes the research progress of intelligent concrete from the aspects of self-induction， self-repairing， self-regulating and high damping， analyzing the advantages of various intelligent concrete and the existing questions in the research. Meanwhile， the future research and application of intelligent concrete are prospected combining with the current state of research.关键词：智能混凝土;自感应;自修复;自调节;高阻尼Key words： intelligent concrete;self-induction;self-repair;self-regulating;high damping：TU528 ：A ：1006-4311（2020）31-0256-020 引言随着科技的迅猛发展以及人们需求的增加，混凝土作为建筑中最常用且不可或缺的一种材料，正向着智能化的方向转变，智能混凝土也得到国内外学者的广泛关注与研究。本文根据智能混凝土的使用功能，分类总结了不同智能混凝土的研究进展，并对其应用前景与发展趋势进行分析。1 自感应智能混凝土1.1 碳纤维智能混凝土 碳纤维是一种耐高温易导电导热的材料，在混凝土中加入适量的碳纤维可使混凝土获得良好的导电性且改善温度敏感性，可用于大型基础设施的监测。目前学者们主要专注于探索其材料组成和制备工艺对其导电性与物理力学性能的影响。然而，碳纤维在混凝土中的分散性不足导致其导电性及其它性能的稳定性不足是限制其大规模使用的关键因素。葛宇川等研究指出大掺量下的碳纤维会因无法均匀分散而导致混凝土导电性和整体性变差1。此外，一些研究也指出利用碳纤维混凝土粗骨料的压敏性可为智能交通监控系统提供了一种性能优良且价格低廉的材料2。但目前研究还处于起步阶段，需要进一步深入研究。1.2 光纤传感智能混凝土 光纤是一种灵敏度较高，形状任意化，传感信息多样化并且可用于高压高温等恶劣环境的材料，因此它可以用于桥梁，码头等土木结构的监测。叶宇霄等对比位移计和光纤测得的混凝土荷载-挠度曲线，验证了光纤可以准确的监测混凝土裂缝的出现及发展3。刘宏月等提出可以将光纤传感技术引入到港口工程混凝土結构碳纤维材料损伤状态监测领域，从而实现对混凝土内部碳纤维材料损伤状态的监测4。但目前光纤传感器的灵敏度还有待提高，同时光纤传感技术在监测混凝土内部荷载领域的应用也值得深入探索。陈江等研究指出现阶段常用于工程中混凝土监测的普通紧套光纤无法进行混凝土内部的长距离监测，并且无法在恶劣条件下展开铺设5。研发可以解决这些问题的专门的分布式传感光缆产品将是未来的趋势所在。1.3 纳米碳纤维混凝土 纳米碳纤维与碳纤维相比可以使混凝土获得更优良的压敏性能和耐久性能，并且纳米碳纤维的造价低于碳纤维。因此，纳米碳纤维作为智能混凝土的添加材料更具可行性。但与碳纤维混凝土类似，大掺量下的纳米纤维在混凝土中的分散性不良制约了纳米碳纤维混凝土的发展。因此，如何提高纳米碳纤维的分散性是未来的一个亟待解决的研究方向。1.4 石墨烯混凝土 石墨烯是一种碳原子单层排列的蜂窝状晶格结构，石墨烯作为介质加入后可使混凝土具有良好的电学性能、力学性能、抗冻融性能和耐久性，在大型建筑的损伤减震方面有相关应用。然而，高昂的成本限制了石墨烯混凝土的发展，不少学者将研究内容转为同类可替代材料如氧化石墨烯混凝土。2 自调节混凝土2.1 形状记忆合金（SMA）混凝土 形状记忆合金混凝土即在混凝土中加入形状记忆合金，利用其形状记忆效应、伪弹性、相变滞后、高强度比等特性，可有效控制混凝土的变形和裂缝，提高其阻尼性能，在混凝土裂缝自诊断自修复、结构抗震等领域受到广泛关注。现有的研究集中于研究不同因素对于修复效果的影响，取得了丰硕的成果。然而，SMA的超弹性特性对混凝土的力学性能的改善越来越受到重视。李宏男对SMA混凝土采用循环加载方式分别测定SMA混凝土梁和普通混凝土梁的承载力、残余变形和残余裂缝等指标，发现超弹性SMA混凝土的力学性能相比普通混凝土有所提高，同时修复能力也有提高6。未来SMA的超弹性特性对混凝土的力学性能的改善值得深入研究。2.2 电流变体混凝土 电流变体混凝土利用电流变体的流变作用，通过外加电场改变电流变体材料的黏塑性，改变频率，减少共振影响，减缓结构振动，使混凝土结构具有良好的稳定性与耐久性。电流变体的力学性能中工程应用最关心的是在不同电场强度下的电致屈服应力值，其中最重要的是在最高允许电场强度下的最大屈服应力值。逯静洲等研究中所选用的电流变体在4kV/mm的电场强度下动态屈服应力超过20kPa，虽然相对于砂浆的屈服应力还比较小，但随着电场的变化仍能引起比较明显的频率变化，说明电流变效应确实对整体结构的振动性能产生影响7。然而从实用的角度来说，现有的电流变体的屈服应力还偏小，研究开发新型高电流变效益的电流变体是急待解决的问题。3 自修复混凝土3.1 微生物自修复混凝土 微生物自修复混凝土即在混凝土中掺入固载的微生物，在混凝土产生裂缝时能自动修复裂缝的一种智能混凝土。目前的研究主要集中在两个方面。其一，微生物的选择。大量研究指出嗜碱芽孢杆菌能适应混凝土内部的严苛的高碱环境，且修复效果良好，是目前的主流微生物。Jing Luo研究指出，从植物病原体中提取的T.reese真菌修复效果突出，且在混凝土中生存能力更强，应用前景广阔8。其二，载体。载体是保证微生物修复活性的关键因素。微胶囊载体是目前使用最多的载体。除此类载体以外，其他类新型载体，如孔陶粒、硅胶、聚氨酯等载体的研究也越来越多。随着微生物自修复的研究不断深入，未来在提高混凝土的修复能力的同时，应对其在环境友好、相容性和修复程度与检测效率方面进行综合考虑，不断优化其材料组成。3.2 空心光纤混凝土 空心光纤自愈混凝土能通过监控系统检测到光纤维随混凝土裂缝的变形，从而实现混凝土的变形和位置的快速检测，并释放出修复剂来修复混凝土。大量研究指出空芯光纤和混凝土的结合性能的好坏直接影响光纤维混凝土的性能。若结合的太紧在结合处会产生很大应力使空芯光纤的传输性能下降，甚至使空芯光纤断裂，反之则削弱了混凝土的强度和空芯光纤的应变传感力。目前空心光纤与复合材料的匹配设计方面的研究非常多，不少学者试图通过对光纤的包层进行优化达到两者匹配9。另一方面，空芯光纤注液时的胶液选择也是目前研究的重要方向。张妃二等人研究表明，用小粘度的缩聚高分子溶液（sj胶）作为胶液可以使混凝土完成自修复10。但受限于胶液在光纤中有限的存储量，有时修复效果不是很理想，甚至造成监控系统效率低下。但大量研究表明，以空芯光纤为驱动的监测系统极具应用价值。在光纤监测系统成本、传感器易受到系统外环境因素的影响、埋入后光纤的维修问题等方面还有待完善。4 高阻尼混凝土高阻尼混凝土即在混凝土中掺入一定比例的高阻尼材料，在改善混凝土的阻尼性能的同时，由于其具有优良的变形能力及冲击韧性等性能，在混凝土修补、隔音等领域有所应用。尤其是近年来高阻尼混凝土在提高结构的安全性及减震方面得到广泛关注。汪梦甫研究指出，将高阻尼混凝土应用于抗震结构，其开裂极限、荷载极限、变形能力、延性提分别提高了30.4%、8.3%、19.2%和11.6%11。然而，越来越多研究表明，混凝土的阻尼性能与其承载能力之间的矛盾，是限制高阻尼混凝土发展的关键问题。不少学者试图通过掺入其它材料优化高阻尼混凝土的材料组成来提高其强度与刚度。卢峰引入功能梯度材料理论，将高性能混凝土技术与高性能混凝土技术相结合，开发出阻尼增强梯度结构混凝土，其强度等级能达到C50以上，阻尼值比高性能混凝土提高30%12。这为高阻尼混凝土的发展提供了新思路。5 总结与展望自感应混凝土在导电性，温敏性方面有显著优势。现阶段针对碳纤维混凝土和纳米碳纤维混凝土的研究主要通过优化其材料组成，从而达到较好压敏性能和物理、力学性能。然而，碳纤维与纳米碳纤维在混凝土的分散性极大的影响了其性能的发挥。如何提高大纤维掺量下碳纤维、纳米碳纤维混凝土的分散性在未来值得重点关注。石墨烯的加入使混凝土的导电能力和力学性能等方面都有不同程度的提高，但是不可忽略的是成本问题。同类可替代材料氧化石墨烯的出现为石墨烯混凝土的发展提供了新的方向，目前还处于起步研究阶段，需要进一步研究。自调节混凝土中，SMA通过应力和温度的调节可实现混凝土受到异常荷载时在其内部产生预应力，使结构的承载能力和抗震性能提高。现阶段SMA的超弹性对混凝土力学性能的影响方面的相关研究还有很大的空间。开发出新型高电流变效益的电流变流体成为目前电流变体混凝土的关注点，值得深入研究。微生物自修复混凝土现阶段研究主要集中于微生物的选择、载体和影响微生物的矿化因素等方面，使其具有良好的修复能力。未来还需在环境友好、相容性和修复程度与检测效率方面进行综合考虑，不断优化其材料组成。以空芯光纤为驱动的监测系统极具应用价值，但在其成本、稳定性等方面还有待完善。高阻尼混凝土在结构减震方面优势突出。现有的研究主要是通过优化其材料组成来解决阻尼性能与承载能力间的矛盾。但仅从材料入手对其进行优化设计，其效果有限。阻尼增强梯度结构混凝土的出现为高阻尼混凝土的研究开辟了新的思路未来值得关注。参考文献：1葛宇川，刘数华.碳纤维导电混凝土特性研究进展J.硅酸盐通.2019，38（08）：2442-2447，2463.2刘中辉，方崎崎.碳纤维智能混凝土的研究现状与展望J.浙江建筑，2008（6）：51-52.3叶宇霄，叶方洁，赵新铭，李俊，吴刚，谢雪峰，姚剑.分布式光纤混凝土梁应变测试研究J.低温建筑技术，2017，39（03）：40-44.4刘宏月，芮梦.光纤传感混凝土碳纤维材料状态监测与技术展望J.山西建筑，2015，41（32）：32-33.5陈江，张奕，毛江鸿，柳盛霖，吴国坚.分布式光纤传感技術在混凝土基础设施健康监测中的研究进展J.公路交通科技，2018，14（05）：202-205.6崔迪，李宏男，宋钢兵.形状记忆合金混凝土梁力学性能试验研究J.工程力学，2010（02）：117-123.7逯静洲，李庆斌.含电流变体的复合砂浆梁振动特性实验研究J.地震工程与工程动，2004（06）：97-102.8Jing Luo， Xiao Bo Chen， Jada Crump， et al. lnteractions of fungi with concrete： Significant importance for bio-based self-healing concreteJ.Construction and Building Materials， 2018， 164（3）：275-285.9杨红，孙晓菡，张明德，陶宝祺，梁大开.空心光纤网络埋入复合材料中性能影响的研究J.应用力学学报，2001（04）：134-140.10张妃二，姚立宁.光纤智能混凝土结构自修复的研究J.功能材料与器材学报，2003（01）：91-94.11汪梦甫，宋兴禹，汪帜辉.高阻尼混凝土带暗支撑剪力墙抗震性能试验研究J.地震工程与工程振动，2013，33（05）：153-161.12卢峰.阻尼增强梯度结构混凝土设计及微细观性能D.南昌大学硕士研究生学位论文，2017.价值工程2020年31期价值工程的其它文章新冠疫情下的农业电商和跨境电商SWOT分析物联网背景下智慧物流的发展现状及对策研究预应力压浆波纹管密实度检测研究中美欧连续压实控制技术比较图书资料管理优化与创新策略探析与研究探讨建筑施工中如何做好建筑安全施工管理防范措施 -全文完-