在疲勞效應、腐蝕效應、材料老化等不利因素的影響下，結構不可避免地會產生損傷累積、抗力衰減甚至導致意外事故。為了有效避免意外事故的發生，延長結構的使用壽命，有必要對此類結構進行實時的“健康”監測，並及時修復。現有的無損檢測方法，如X射線和C掃描的聲學檢測，只能定性檢測，不能定量和數字化，更重要的是不能實現實時監測。因此，很難甚至不可能監測結構的內部狀態和估計損傷。傳統的混凝土結構維修方法主要是對受損部位進行外部加固，而對受損的原有結構進行修復，特別是對結構內部的損傷進行修復是比較困難的。隨著現代社會向智能化發展，這種停留在被動和計劃模式的檢測和修復模式，已經不能滿足現代多功能、智能化建築對混凝土材料的要求。因此，研究和開發具有結構自診斷、自調節、自修復和恢復功能的智能混凝土已成為結構與功能壹體化(智能化)的發展趨勢[1]。
1智能混凝土的定義和發展歷史
智能材料是指能夠“感知環境條件並做出相應動作”的材料。它能夠模仿生命系統，同時具有感知和激勵雙重功能，能夠感知外界環境的變化因素並自動做出及時決策。反應靈敏恰當，具有自診斷、自調節、自修復和壽命預測功能。智能混凝土是在混凝土原有成分的基礎上，結合智能成分，使混凝土具有自我感知、記憶、自適應、自我修復等特性的多功能材料。根據這些特性，可以有效預測混凝土材料的內部損傷，滿足結構自身安全檢測需求，預防混凝土結構潛在的脆性破壞，並根據檢測結果自動修復混凝土結構，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。如上所述，智能混凝土具有自我意識、自我記憶和自適應能力。自修復等功能缺壹不可，以目前的科技水平，制備完美的智能混凝土材料相當困難。然而，近年來出現了損傷自診斷混凝土和溫度自調節混凝土。仿生自愈合混凝土等壹系列智能混凝土相繼出現；為智能混凝土的研究奠定了堅實的基礎。
1.1損傷自診斷混凝土
自診斷混凝土具有壓力敏感性和溫度敏感性等自感知功能。普通混凝土材料本身不具有自感功能，而是在混凝土基材中結合壹些其他材料成分，使混凝土本身具有內在的自感功能。目前常用的材料成分有:聚合物、碳、金屬、光纖。其中，碳、金屬和光纖是最常用的。下面主要介紹目前研究中比較流行的兩種損傷自診斷混凝土。
1.1.1碳纖維智能混凝土
碳纖維是壹種具有高強度、高彈性和良好導電性的材料。在水泥基材料中添加適量的碳纖維，不僅可以顯著提高強度和韌性，還可以顯著改善其物理性能，尤其是電性能。它可以作為傳感器，以電信號輸出的形式反映自身的應力和內部損傷。在混凝土材料中加入壹定形狀、尺寸和用量的短碳纖維，可以使混凝土具有自感知內部應力、應變和運行程度的功能。通過觀察發現，水泥基復合材料的電阻變化與內部結構變化相對應。在結構構件的彈性階段，碳纖維水泥基材料的抗力變化率隨內應力呈線性增加，當接近構件的極限荷載時，抗力逐漸增大，預示著構件即將破壞。而基準水泥基材料的電導率幾乎不變，直到接近破壞，電阻變化率急劇增加，反映了混凝土中的應力應變關系。根據纖維混凝土的這壹特點，通過測試纖維混凝土的工作狀態，可以在線監測結構的工作狀態[2]。在碳纖維損傷自診斷混凝土中，碳纖維混凝土本身就是壹個傳感器，可以監測混凝土在拉伸、壓縮、彎曲靜載和動載等外界因素作用下的彈性變形、塑性變形和損傷開裂。通過在水泥漿中加入適量的碳纖維，發現應變傳感器的靈敏度遠高於壹般的電阻應變片。在疲勞試驗中還發現，無論是拉伸還是壓縮，碳纖維混凝土的體積電導率都會隨著疲勞次數的增加而不可逆地降低。因此，這壹現象可以用來監測混凝土材料的疲勞損傷。通過對這種自感知混凝土進行校準，研究人員可以確定阻抗和負載之間的關系，從而確定用自感知混凝土建造的道路上的車輛方位、負載和速度等參數，為交通管理的智能化提供了物質基礎。
碳纖維混凝土不僅對壓力敏感，而且對溫度敏感，即溫度變化引起電阻變化(溫度電阻)和碳纖維混凝土內部的溫差產生電位差的熱電(塞貝克效應)。實驗表明，在最大溫度70℃和最大溫差65438±05℃範圍內，熱電勢(E)與溫差T之間存在良好而穩定的線性關系。當碳纖維含量達到臨界值時，其熱電電動勢率有壹個最大值，靈敏度高，因此這種材料可以用來實現對建築物內部和周圍環境變化的實時監測。還可實現大體積混凝土溫度的自我監測，可用於有溫度控制和火災報警要求的智能混凝土結構中，如熱敏元件和火災報警器。
除了自感功能，碳纖維混凝土還可以用於工業防靜電結構。公路路面和機場跑道除冰融雪。鋼筋混凝土結構中鋼筋的陰極保護。住宅和農場等的電熱結構。
1.1.2光纖傳感智能混凝土
光纖傳感智能混凝土[3]，即在混凝土結構的關鍵部位埋設光纖傳感器或其陣列，檢測混凝土在碳化和加載過程中的內部應力應變變化，實時監測外力和疲勞引起的變形、裂縫和膨脹破壞。在光纖傳輸過程中，光容易受到外界環境因素的影響，如溫度、壓力、電場和磁場的變化，引起光強、相位、頻率和偏振態的變化。因此發現，如果能測量光波量的變化，就可以知道引起光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。於是，光纖傳感技術出現了。近年來，國內外研究了光纖傳感器在鋼筋混凝土結構和建築物檢測中的應用，研究了混凝土結構內部狀態如應力、應變和裂縫發生發展的光纖傳感器技術，包括混凝土硬化過程中的監測和結構的長期監測。光纖在傳感器中的應用為土木結構的智能化和內部狀態提供了壹種實時、在線的無損檢測手段，有利於結構的安全監測、整體評估和維護。到目前為止，光纖傳感器已經在許多工程中得到應用，如加拿大Caleary公司建造的壹座名為BeddingtonTail的雙跨公路橋的內部應變狀態監測。美國Winooski某水電站大壩振動監測:國內項目有渝長高速公路紅草坊大橋監測、蕪湖長江大橋長期監測與安全評估系統等。
1.2自調整智能混凝土
自調節智能混凝土具有電效應和電熱效應。除了正常的荷載外，人們還希望混凝土結構在臺風、地震等自然災害中，能夠調整自身的承載能力，減緩結構的振動。但由於混凝土本身是壹種惰性材料，要達到自調節的目的，就需要復合具有驅動功能的組分材料，如形狀記憶合金(SMA)、電流變液(er)。形狀記憶合金具有形狀記憶效應。如果在室溫下受到超過彈性範圍的拉伸塑性變形，當加熱到至少超過相變溫度時，原來的殘余變形可以消失並恢復到原來的尺寸。將形狀記憶合金嵌入混凝土中，利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和在不同溫度下恢復相應形狀的功能。當混凝土結構受到異常荷載擾動時，通過記憶合金的形狀變化，使混凝土結構的內應力重新分布，產生壹定的預應力，從而提高混凝土結構的承載能力。電流變液是壹種懸浮液體，其粘度、彈性等流變特性可以通過外加電場來控制。電流變液在外加電場的作用下，可在0.1ms內結合成鏈狀或網狀結構的固體凝膠，其初始程度隨外加電場的增大而變化至完全凝固，當外加電場撤除後，其流變狀態仍可恢復。當混凝土結構遭受臺風和地震襲擊時，結合混凝土中的電流變液，可以調節混凝土結構的流變特性，改變結構的自振頻率和阻尼特性，達到減緩結構振動的目的。
有些建築對室內濕度有嚴格的要求，如各種展廳、博物館、美術館等。為了實現穩定的濕度控制，常常需要許多濕度傳感器、控制系統和復雜的布線，它們的成本和維護成本都很高。日本學者研發的可自動調節環境溫度的混凝土材料，可以檢測室內環境濕度，根據需要進行調節。這種具有自動調節環境濕度功能的混凝土材料的關鍵成分是沸石粉。其機理是沸石中的矽酸鈣含有(3-9) x 10-10m的孔隙。這些孔可以選擇性地吸附水分、NOx和S0x氣體。通過選擇沸石的種類，可以制備自動調節環境濕度的混凝土復合材料。它具有以下特點:(1)優先吸附水；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕能力大；吸濕和脫濕與溫度有關，溫度升高時釋放水分，溫度下降時吸收水分。
1.3自修復智能混凝土
在混凝土結構的使用過程中，大部分結構都是與接縫壹起工作的。混凝土出現裂縫不僅降低強度，空氣中的CO2、酸雨、氯化物也容易通過裂縫侵入混凝土內部，使混凝土碳化，腐蝕混凝土中的鋼筋，對地下結構或含有危險品的處理設施尤其不利。混凝土壹旦出現裂縫，就很難檢查和維修。自修復混凝土就是應這壹需求而產生的。在人類的現實生活中，我們可以看到皮膚被切開後，經過壹段時間後會自然長好，而且是無縫修復；骨頭斷了以後，只要縫接好，斷骨就會自動愈合。自愈混凝土[4]是壹種模仿生物組織，自動向受傷部位分泌某種物質，使受傷部位愈合的功能。智能仿生自愈神經網絡系統是通過結合混凝土傳統組分中的特征組分(如液芯纖維或含粘結劑的膠囊)在混凝土中形成的，模仿動物的骨組織結構和創傷後的再生恢復機制。將粘結材料與基體材料相結合，制成壹種具有材料損傷後自愈合和再生功能的新型復合材料，可以恢復甚至提高材料性能。在日本，由東北大學教授Hirofumi Mitsuhashi領導的日本學者將含有粘合劑的膠囊或中空玻璃纖維混合到混凝土材料中。壹旦混凝土在外力作用下開裂，部分膠囊或中空玻璃纖維斷裂，粘結液流出造成深裂縫。粘結液可以使混凝土裂縫重新愈合。美國伊利諾伊大學的CarolynDry在1994中采用了類似的方法，將人乙縮醛的聚合物溶液作為粘結劑註入到中空玻璃纖維中，埋入人體混凝土中，使混凝土具有自愈合功能。在此基礎上，CarolynDry還嘗試根據動物骨骼的結構和形成機理來制備仿生混凝土材料。基本原理是以磷酸鈣骨水泥(含單體)為基質材料，在其中加入多孔編織纖維網。在水泥水化硬化過程中，多孔纖維釋放聚合引發劑和單體聚合成高聚物，聚合反應留下的水參與水泥水化。這樣，在纖維網的表面形成了大量的有機和無機物質，這些物質相互穿插、相互粘結。最終的復合材料是類似於動物骨骼結構的無機和有機材料的組合，並且具有優異的強度和延展性。而且在材料使用過程中，如果出現損傷，多孔有機纖維會釋放聚合物，愈合損傷。
2智能混凝的研究現狀及應註意的問題
上面提到的自診斷、自調整、自修復混凝土是智能混凝土研究的初級階段。它們只具備智能混凝土的壹些基本特征，是智能混凝土的簡化形式。所以也有人稱之為智能混凝土。但是，這種功能單壹的混凝土並不能起到智能混凝土的作用。目前，人們致力於組裝兩種以上功能的所謂智能組裝混凝土材料的研究。混凝土材料智能組裝是將具有自感應、自固化、自修復成分的材料與混凝土基材結合並根據結構需要進行排列，實現混凝土結構內部損傷的智能自診斷、自修復和抗震減振。
智能混凝土具有廣闊的應用前景，但作為壹種新型功能材料，如果投入實際工程，還有很多問題需要進壹步研究:比如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電極布置、耐久性等；光纖混凝土光纖傳感器陣列的優化布置:自愈合混凝土修復用粘結劑的選擇。封人的方法和愈合後混凝土耐久性的提高。解決這些問題將對智能混凝土的未來發展產生深遠的影響。為了促進智能混凝土研究的順利開展，有必要對以下幾點形成* * *認識:
(1)發展要有針對性。所謂針對性，就是針對混凝土性能劣化和結構損傷考慮不同的智能方法。對於這些現象，很難想象開發出壹種手段來應對所有這些情況。因此，需要縮小智能的範圍，以某壹功能為目標，從而開發出相對最適應的方法。
(2)實施上要可行。混凝土澆築多在施工現場進行，所以作為智能混凝土的壹種施工方法，技術工藝要求不能太高。我們應該在原有流程的基礎上開發壹個相對簡單的方法。所選材料應具有化學穩定性，有利於安全使用，不揮發任何刺激性氣味和其他有害物質，用途廣泛，成本低廉。
(3)設計要全面。利用智能可以提高材料的耐久性，但也會帶來負面影響。如果使用某種材料可以控制和改善某種劣化現象，但是否會影響強度等其他性能，所有這些正反問題都要在判斷和設計中綜合考慮和權衡。
3結論
智能混凝土是智能時代的產物。它在監測重大民用基礎設施的應變、無損評估損傷、及時修復以及減輕臺風和地震的影響等方面具有巨大潛力，對確保建築物的安全性和長期耐久性具有重要意義。
相信經過以上的介紹，大家對智能混凝土的研發已經有了壹定的了解。歡迎訪問仲達咨詢了解更多信息。
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