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(ShapeMemoryAlloy,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。
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