机敏混凝土

[摘　要] 　混凝土是现代最主要的建筑材料,但其功能单一、技术含量低、耐久性差的特点严重制约了混凝土材料的发展,因此在混凝土材料中复合一些特殊材料,使之具有某些特殊功能,机敏混凝土就是这样一种具有感知和修复性能的智能混凝土,是在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分,使其具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料。

[关键词] 　机敏混凝土;自感知;自适应;自修复

1 　引言

    机敏混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土,是智能混凝土的初级阶段,是混凝土材料发展的高级阶段。智能混凝土是在混凝土原有的组成基础上掺加复合智能型组分, 使混凝土材料具有一定的自感知、自适应和损伤自修复等智能特性的多功能材料,根据这些特性可以有效的预报混凝土材料内部的损伤,满足结构白我安全检测需要,防止混凝土结构潜在的脆性破坏,能显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。近年来,损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相续出现为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。

2 　机敏混凝土的发展概况

    智能混凝土是智能材料的一个研究分支,20 世纪60 年代,前苏联学者开始研究混凝土的复合功能,采用碳黑为导电组分制备了水泥基导电复合材料。20 世纪80 年代末,日本土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。20 世纪90 年代初,日本建设省研究所曾与美国国家科学基金会合作研制了具有调整建筑结构承载力的自调节混凝土材料,使混凝土具有某些记忆功能。日本学者H. Hiarshi 采用在水泥基材内复合内含粘结剂的微胶囊(称为液芯胶囊) 制成具有自修复智能混凝土。美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry 采用在空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液作为粘结剂,制成具有自修复智能混凝土。1993 年美国开办了与土本建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。在寒冷地区,基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应溶雪和融冰系统的智能混凝土研究已经在欧美等国家展开,并取得了一定的进展。

    同济大学等国内高等院校曾在混凝土材料中复合压电陶瓷来研制自调节混凝土材料,并且取得了某些成果;在研制自修复智能混凝土的思路是综合了自然愈合、基体增强和有机物释放等机制,在混凝土材料组分中复合活性无机掺和料、微细低弹模纤维和有机化合物,从而在混凝土内部形成自增强、自愈合网络,使混凝土裂缝重新愈合,恢复甚至提高混凝土材料的性能;调整有机物的掺量,可实现对混凝土材料微裂缝的自行多次愈合。

      同济大学混凝土材料研究实验室正在研究的仿生自诊断和自修复智能混凝土是模仿生物神经网络对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能,在混凝土传统组分中复合特殊组分(如仿生传感器、含粘结剂的液芯纤维等) ,使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合神经网络系统。当混凝土材料内部出现损伤时,仿生传感器可以及时预警;当内部出现微裂纹时,部分液芯纤维破裂,粘结剂流出深入裂缝,使混凝土裂缝重新愈合,恢复并提高混凝土材料的性能, 可实现对混凝土材料的自动诊断实时检测和及时修复,确保混凝土结构的安全性,延长混凝土结构的使用寿命。

3 　目前机敏混凝土所具有的智能特性

      目前智能混凝土研究处于初级阶段,具有自诊断、自调节和损伤自修复等性能,并且这些性能在一种混凝土结构中不能全部体现出来,只是初步具有某一种智能(确切的说是一种反应性能) 特性。

3. 1 　自诊断智能混凝土

      自诊断智能混凝土具有压敏性和温敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感应功能,但在混凝土基材中掺入部分导电相组分制成的复合混凝土可具备自感应性能。目前常用的导电组分可分为三类:聚合物类、碳类和金属类, 而最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及碳黑;金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片、金属网等。

3. 1. 1 　自诊断智能混凝土的压敏性

      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强度和韧性,而且其物理性能,尤其是电学性能也有明显的改善,可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段其电阻变化率随内部应力线形增加,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;而基准水泥基材料的导电性能几乎无变化,直到临近破坏时,电阻变化率剧烈增大,反应了混凝土内部的应力－应变关系。根据在水泥基材料中掺入碳纤维混凝土复合材料在受力时的电阻变化与所受荷载呈现的这种线性关系,可以掌握其内部的应力－应变关系,该机敏性反映了内部损伤状况的丰富信息;据此可以敏感有效的监测拉、弯、压等工况及静态和动态荷载作用下结构的内部情况。

3. 1. 2 　自诊断智能混凝土的温敏性

      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) 。不同纤维掺量的混凝土的温阻试验表明,在初始阶段,随温度的升高,均出现负温度系数NTC(negative temperature coefficient) 效应,即电阻率随温度的提高而下降;当温度达到某一临界温度时,不含碳纤维的混凝土其电阻率出现一个平台,随温度无明显改变, 而含有碳纤维的水泥基材料,则出现正温度系数PTC(positive temperature coefficient) 效应,即电阻率随温度的升高而逐渐提高。碳纤维混凝土的这种温阻现象可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及热敏元件和火警报警器等,可望应用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。

3. 2 　自调节机敏混凝土

      自调节机敏混凝土具有电力效应和电热效应等性能。F. H. Wittmann 在1973 年首先研究了力电(由变形产生电) 、电力(由电产生变形) 效应。F. H. Wittmann 在做水泥净浆小梁弯曲时,通过附着在梁上下表面的电极可检测到电压,且对其逆反应———电力效应进行了研究,发现梁产生弯曲变形,改变电压的方向时,弯曲的方向也发生相应的变化。

      20 世纪90 年代初,日本建设省研究所曾与美国国家科学基金会合作研制了具有调整建筑结构承载力的自调节混凝土材料,该方法是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下,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。

      碳纤维混凝土具有电热(由电产生热) 、电力(由电产生变形) 等效应,因此结构可对自身进行温度调节,可针对由于温度所产生的应力和变形进行调节,对自身的变形在一定范围内进行调节。国内研究表明,碳纤维混凝土具有良好的导电性,且通电后其发热功率十分稳定。可用其电热效应来对混凝土路面桥面和机场跑道等结构进行融雪化冰等。在寒冷地区,基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应溶雪和融冰系统的智能混凝土研究已经在欧美等国家展开,并取得了一定的进展。

      机敏混凝土的力电效应、电力效应是基于电化学理论的可逆效应,因此将电力效应应用于混凝土结构的传感和驱动时,可以在一定范围内对它们实施变形调节。例如,对于平整度要求极高的特殊钢筋混凝土桥梁,可通过机敏混凝土的电热和电力自调节功能进行调节由于温度自重所引起的蠕变;机敏混凝土的热电效应使其可以方便的实时检测建筑物内部和周围环境温度变化,并利用电热效应在冬季控制建筑物内部环境的温度,可极大的促进智能化建筑的发展。

3. 3 　自修复机敏混凝土

      混凝土结构在使用过程中,大多数结构是带缝工作的。含有微裂纹的混凝土在一定的环境条件下是能够自行愈合的,但自然愈合有其自身无法克服的缺陷,受混凝土的龄期、裂纹尺寸、数量和分布以及特定的环境影响较大,而且愈合期较长,通常对较晚龄期的混凝土或当混凝土裂缝宽度超过了一定的界限,混凝土的裂缝很难愈合。

      国内的研究表明,掺有活性掺和料和微细有机纤维的混凝土破坏后其抗拉强度存在自愈合现象;国外研究混凝土裂缝自愈合的方法是在水泥基材料中掺入特殊的修复材料,使混凝土结构在使用过程中发生损伤时,修复材料(粘结剂) 进行恢复甚至提高混凝土材料的性能。

      美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry 采用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,制成具有自修复智能混凝土。当混凝土结构在使用过程中发生损伤时,空心玻璃纤维中的粘结剂流出愈合损伤,恢复甚至提高混凝土材料的性能。日本学者H. Hiarshi 采用在水泥基材内复合内含粘结剂的微胶囊(称为液芯胶囊) 制成具有自修复智能混凝土。一旦混凝土材料出现损伤裂纹时,该裂纹附近的部分由于拉力作用而使部分胶囊破裂,凝结液流出, 使损伤处重新粘合,达到自愈合的效果。但存在空心纤维或胶囊的制备与混凝土材料共同搅拌而不破碎、修复材料的时效和多次愈合的可行性等一系列问题。

4 　结语

      机敏混凝土是智能化时代的产物,将先进的机敏混凝土材料融入到土木基础设施的安全系统,实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化结构,提高结构性能,综合利用有限的建筑空间,减少和节省运行和维修费用,对延长结构的寿命、提高安全性和耐久性都有重要意义。

参考文献

1 　Nevile A M. Properties of Concrete ,London ,1973.

2 　D. D.L. Chung. Carbon fiber reinforced concrete for smart structures capable of nondestructive flow detection. Smart Material and Structure ,2 , 1993

3 　D. D. L. Chung. Carbon fiber reinforced concrete as an instrinsically smart concrete for damage assessment during dynamic loading ,Journal of Ceramics society ,78(3) ,1995

4 　Hiraishi H. Smart structure system,Concrete Journal ,36(1) ,1998

5 　Fu X,Chung D DL. Effect of curing age on the self2monitoring bethavior of carbon fiber reinforced mortar. Cement and Concrete Research , 27 (9) ,1997

6 　姚武,吴科如. 水泥基材料自愈合的理论与方法,2000 年科学与工程新进展. 北京:冶金工业出版社,2001

7 　姚武,李杰,周钟鸣. 聚丙烯纤维对混凝土抗拉强度的影响. 混凝土,2001 , (10)