Sensytec 的智能水泥
近年来，我们看待科学技术的方式，以及新概念和新进步应用于日常生活的方式发生了变化。智能混凝土具有彻底重塑建筑环境的潜力，是建筑行业创新的光辉典范。它有多种形式，如自感应混凝土、自修复混凝土等，是材料科学的一项突破，打破了传统的定义。它既智能又灵活，能够满足当代世界的需求。
自感应混凝土是混凝土产品和建筑可持续发展的“明智”决策。它将在传统混凝土材料领域带来深刻的变革，这对社会、环境和经济都是有利的。许多这些框架也将了解趋势并改变当前社会状态的方式。此外，它提供了改善建筑环境的更有效方法。
什么是智能混凝土？
NOWlab 的智能混凝土墙
自感应混凝土、自调节混凝土和自修复混凝土都属于被称为“智能混凝土”的一大类材料。它是监测钢筋混凝土结构状况的替代方法。由于其天生具有感知和响应外部刺激的能力，因此它与传统混凝土不同。其显著特点包括使用寿命更长、机械性能优越、安装方便、维护要求低。
与传统混凝土相比，智能混凝土采用创新材料或添加剂，具有独特的品质，如更高的耐用性、自我修复或自我感知。这将有助于实现多种目标，包括确保结构的完整性和安全性、延长结构的使用寿命、提高交通安全性和效率、指导结构和交通设计、减少能源和资源消耗等等。
自感应混凝土是智能混凝土的一个分支，也是最早被提出并经过广泛研究的领域。自修复混凝土不仅可以提高可持续性，还可以提高混凝土结构的耐久性和环保性。
智能混凝土的制造
剑桥大学 3D 打印混凝土结构
智能混凝土的基础是尖端技术与新材料的结合。为了加固目的，其体积的 0.2% 至 0.5% 由碳纤维制成。这可以在混凝土结构断裂之前检测出其中的应力或应变。
智能混凝土的制造与传统混凝土的制造相当，它由水泥、水、沙子或二氧化硅和纳米材料组成。当使用旋转搅拌机将碳纳米管或黑碳融入浆料中时，通常使用的水灰比为 0.22 至 0.60。然后将混合物倒入涂有油脂的模具中，并使其固化一天。之后，将样品成型并在潮湿的环境中固化 28 天。通常，这些样品会在烤箱中烘干以备实验室检查。
此外，修复裂缝并延长结构寿命的自修复系统采用微生物、聚合物或携带修复化学物质的胶囊。碳纳米管、矿物掺合料和形状记忆合金是一些重要的添加剂，可以改善智能混凝土的独特性能。值得注意的是，这种方法经常需要加入高效减水剂或消泡剂。
然而，将碳纳米材料分散或分离成其组成部分却非常具有挑战性。它们的高表面能导致它们团聚和聚集。
智能混凝土的应用
自我监测水泥 – Sensytec
智能混凝土具有广泛的突破性应用，有可能彻底改变多个行业。物联网 (IoT) 和智能混凝土将共同打造网络化基础设施网络，促进全球效率、可持续性和弹性。
此外，与传统混凝土不同，碳纤维的加入可以调节开裂过程，防止裂缝的灾难性发展。它可用于创建一条高速公路，跟踪每辆车的位置以及其重量和速度。在道路上，车辆可以在正常行驶时进行称重。此外，它还可用于在高速公路上称重车辆。
自感应混凝土是智能混凝土的一个组成部分，可用于施工过程。从设计到施工和持续维护，它在每个阶段都被精心融入到施工过程中。为了实现预期功能，在混合步骤中加入了精确数量的添加剂。在基础设施的整个生命周期中，通过先进的监控系统实现实时数据收集，可以实现预防性维护和性能优化。
智能建筑市场预计将继续扩大，从而加速智能混凝土在建筑和建筑行业的应用。这是因为智能混凝土不仅具有识别小裂缝的基本能力，而且还有助于阻止裂缝的扩展并修复裂缝。此外，它还能承受更大的能量，而不会断裂和弯曲。
高层建筑、高速公路、桥梁、机场跑道、高速列车的连续板式枕木、水坝和核电站只是智能混凝土在民用基础设施应用的几个例子。它在交通检测、边境和军事安全以及结构健康监测领域也具有很大的潜力。
智能混凝土的优势
因此，当混凝土被拉伸或变形时，纤维和水泥基体之间的接触会受到影响，进而影响混凝土的体积电阻率。然后测量电阻程度以计算应变。碳纤维将使额外材料的成本增加约 30%，但即便如此，它仍将比将传感器连接或嵌入结构中便宜得多。
由于智能混凝土中添加了碳纤维，因此其弹性比普通混凝土更大。它在断裂前吸收更多能量，弯曲时需要更多应变。两个因素——混凝土作为复合材料的使用日益增多以及其低应变耐受性——可能推动智能混凝土市场的发展。这表明，为了确保及时修复，必须监测裂缝。还有其他评估裂缝的方法，例如插入传感器并将其固定在结构上。然而，部署传感器的成本较高。相比之下，它更便宜。
© RMIT Engineering
总之，智能混凝土标志着建筑行业新篇章的开始，智能和灵活性共同打造未来城市。为了改变混凝土对应变或压力的反应方式，使用传统的混凝土搅拌机将少量碳纤维添加到混凝土中。它用于评估结构的内部状况，特别是在地震之后，因为它能够识别出哪怕是最轻微的结构缺陷。建造能够检测汽车位置、重量和速度的道路是智能混凝土的另一个用途。
随着研究人员和工程师不断突破材料科学和技术的界限，智能混凝土的革命性潜力将为子孙后代的建筑环境留下不可磨灭的印记。
