摘 要：智能混凝土是現代建筑材料與現代科技相結合的產(chǎn)物，是傳統混凝土材料發(fā)展的高級階段�；仡櫫酥悄芑炷�土的發(fā)展歷史和研究現狀，展望了智能混凝土的發(fā)展趨勢和應用前景，闡述了研究中應注意的問(wèn)題。

　　關(guān) 鍵 字：智能；混凝土

　　隨著(zhù)現代材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，作為最主要的建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強、高性能、多功能和智能化發(fā)展。用它建造的混凝土結構也趨于大型化和復雜化。然而混凝土結構在使用過(guò)程中由于受環(huán)境荷載作用。疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素的影響，結構將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，甚至導致突發(fā)事故。為了有效地避免突發(fā)事故的發(fā)生，延長(cháng)結構的使用壽命，必須對此類(lèi)結構進(jìn)行實(shí)時(shí)的“健康”監測，并及時(shí)進(jìn)行修復�，F有的無(wú)損檢測方法，如聲波檢測X射線(xiàn)及C掃描等，只能定性檢測，而不能定量、數據化處理，更主要的是不能實(shí)現實(shí)時(shí)監測。因而對結構內部狀態(tài)的監測和損傷估計還比較困難，甚至是不可能的職稱(chēng)論文。傳統的混凝土結構的維修方式主要是在損傷部位進(jìn)行外部的加固，而對損傷的原結構進(jìn)行維修比較困難，尤其是對結構內部的損傷修復更是非常困難。隨著(zhù)現代社會(huì )向智能化的發(fā)展，這種停留在被動(dòng)和計劃模式的檢測與修復方式已不能適應現代多功能和智能建筑對混凝土材料提出的要求。因此，研究和開(kāi)發(fā)具有主動(dòng)、自動(dòng)地對結構進(jìn)行自診斷、自調節、自修復、恢復的智能混凝土已成為結構一功能（智能）一體化的發(fā)展趨勢[1]

　　1、智能混凝土的定義和發(fā)展歷史

　　智能材料，指的是“能感知環(huán)境條件，做出相應行動(dòng)”的材料。它能模仿生命系統，同時(shí)具有感知和激勵雙重功能，能對外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，自動(dòng)作出適時(shí)。靈敏和恰當的響應，并具有自我診斷、自我調節、自我修復和預報壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎上復合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶，自適應，自修復特性的多功能材料。根據這些特性可以有效地預報混凝土材料內部的損傷，滿(mǎn)足結構自我安全檢測需要，防止混凝土結構潛在脆性破壞，并能根據檢測結果自動(dòng)進(jìn)行修復，顯著(zhù)提高混凝土結構的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和記憶、自適應。自修復等多種功能的綜合，缺一不可，以目前的科技水平制備完善的智能混凝土材料還相當困難。但近年來(lái)?yè)p傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現；為智能混凝土的研究打下了堅實(shí)的基礎。

　　1.1 損傷自診斷混凝土

　　自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應功能，但在混凝土基材中復合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類(lèi)、碳類(lèi)、金屬類(lèi)和光纖。其中最常用的是碳類(lèi)、金屬類(lèi)和光纖。下面主要介紹2種當前研究比較熱門(mén)的損傷自診斷混凝土。

　　1.1.1 碳纖維智能混凝土

　　碳纖維是一種高強度、高彈性且導電性能良好的材料。在水泥基材料中摻入適量碳纖維不僅可以顯著(zhù)提高強度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學(xué)性能也有明顯的改善，可以作為傳感器并以電信號輸出的形式反映自身受力狀況和內部的損傷程度。將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知內部應力、應變和操作程度的功能。通過(guò)觀(guān)測，發(fā)現水泥基復合材料的電阻變化與其內部結構變化是相對應的。碳纖維水泥基材料在結構構件受力的彈性階段，其電阻變化率隨內部應力線(xiàn)性增加，當接近構件的極限荷載時(shí)，電阻逐漸增大，預示構件即將破壞。而基準水泥基材料的導電性幾乎無(wú)變化，直到臨近破壞時(shí)，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內部的應力一應變關(guān)系。根據纖維混凝土的這一特性，通過(guò)測試碳纖維混凝土所處的工作狀態(tài)，可以實(shí)現對結構工作狀態(tài)的在線(xiàn)監測[2]。在入碳纖維的損傷自診斷混凝土中，碳纖維混凝土本身就是傳感器，可對混凝土內部在拉、壓、彎靜荷載和動(dòng)荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及損傷開(kāi)裂進(jìn)行監測。試驗發(fā)現，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應變傳感器，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應變片。在疲勞試驗中還發(fā)現，無(wú)論在拉伸或是壓縮狀態(tài)下，碳纖維混凝土材料的體積電導率會(huì )隨疲勞次數發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應用這一現象對混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監測。通過(guò)標定這種自感應混凝土，研究人員決定阻抗和載重之間的關(guān)系，由此可確定以自感應混凝土修筑的公路上的車(chē)輛方位、載重和速度等參數，為交通管理的智能化提供材料基礎。

　　碳纖維混凝土除具有壓敏性外，還具有溫敏性，即溫度變化引起電阻變化（溫阻性）及碳纖維混凝土內部的溫度差會(huì )產(chǎn)生電位差的熱電性（Seebeck效應）。試驗表明，在最高溫度為70℃，最大溫差為15℃的范圍內，溫差電動(dòng)勢（E）與溫差t之間具有良好穩定的線(xiàn)性關(guān)系。當碳纖維摻量達到一臨界值時(shí)，其溫差電動(dòng)勢率有極大值，且敏感性較高，因此可以利用這種材料實(shí)現對建筑物內部和周?chē)�環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監控；也可以實(shí)現對大體積混凝土的溫度自監控以及用于熱敏元件和火警報警器等可望用于有溫控和火災預警要求的智能混凝土結構中。

　　碳纖維混凝土除自感應功能外，還可應用于工業(yè)防靜電構造。公路路面、機場(chǎng)跑道等處的化雪除冰。鋼筋混凝土結構中的鋼筋陰極保護。住宅及養殖場(chǎng)的電熱結構等。

　　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(guān)鍵部位埋人入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過(guò)程中內部應力、應變變化，并對由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴展等損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。光在光纖的傳輸過(guò)程中易受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的變化而引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態(tài)的變化。因此人們發(fā)現，如果能測量出光波量的變化，就可以知道導致光波量變化的溫度、壓力、磁場(chǎng)等物理量的大小。于是，出現了光纖傳感技術(shù)。近年來(lái)，國內外進(jìn)行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結構和建筑檢測這一領(lǐng)域的研究，開(kāi)展了混凝土結構應力、應變及裂縫發(fā)生與發(fā)展等內部狀態(tài)的光纖傳感器技術(shù)的研究，這包括在混凝土的硬化過(guò)程中進(jìn)行監測和結構的長(cháng)期監測。光纖在傳感器中的應用，提供了對土建結構智能及內部狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線(xiàn)無(wú)損檢測手段，有利于結構的安全監測和整體評價(jià)和維護。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大Caleary建設的一座名為Beddington Tail的一雙跨公路橋內部應變狀態(tài)監測；美國Winooski的一座水電大壩的振動(dòng)監測；國內工程有重慶渝長(cháng)高速公路上的紅槽房大橋監測和蕪湖長(cháng)江大橋長(cháng)期監測與安全評估系統等。

　　1.2 自調節智能混凝土

　　自調節智能混凝土具有電力效應和電熱效應等性能�；炷�土結構除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風(fēng)、地震等自然災害期間，能夠調整承載能力和減緩結構振動(dòng)，但因混凝土本身是惰性材料，要達到自調節的目的，必須復合具有驅動(dòng)功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。形狀記憶合金具有形狀記憶效應（SME），若在室溫下給以超過(guò)彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過(guò)相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來(lái)的尺寸。在混凝土中埋入形狀記憶合金，利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復相應形狀的功能，在混凝土結構受到異常荷載于擾時(shí)，通過(guò)記憶合金形狀的變化，使混凝土結構內部應力重分布并產(chǎn)生一定的預應力，從而提高混凝土結構的承載力。

　　電流變體（ER）是一種可通過(guò)外界電場(chǎng)作用來(lái)控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場(chǎng)的作用下，電流變體可于0.1ms級時(shí)間內組合成鏈狀或網(wǎng)狀結構的固凝膠，其初度隨電場(chǎng)增加而變調到完全固化，當外界電場(chǎng)拆除時(shí)，仍可恢復其流變狀態(tài)。在混凝土中復合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當混凝土結構受到臺風(fēng)，地震襲擊時(shí)調整其內部的流變特性，改變結構的自振頻率、阻尼特性以達到減緩結構振動(dòng)的目的。

　　有些建筑物對其室內的濕度有嚴格的要求，如各類(lèi)展覽館、博物館及美術(shù)館等，為實(shí)現穩定的濕度控制，往往需要許多濕度傳感器、控制系統及復雜的布線(xiàn)等，其成本和使用維持的費用都較高。日本學(xué)者研制的自動(dòng)調節環(huán)境溫度的混凝土材料自身即可完成對室內環(huán)境濕度的探測，并根據需要對其進(jìn)行調控。這種混凝土材料帶來(lái)自動(dòng)調節環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。其機理為：沸石中的硅酸鈣含有的孔隙。這些孔隙可以對水分、N0x和 S0x氣體選擇性的吸附。通過(guò)對沸石種類(lèi)進(jìn)行選擇，可以制備符合實(shí)際應用需要的自動(dòng)調節環(huán)境濕度的混凝土復合材料。它具有如下特點(diǎn)：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時(shí)放濕，溫度下降時(shí)吸濕。

　　1.3 自修復智能混凝土混凝土結構在使用過(guò)程中，大多數結構是帶縫工作的�；炷�土產(chǎn)生裂縫，不僅強度降低，而且空氣中的CO₂、酸雨和氯化物等極易通過(guò)裂縫侵人混凝土內部，使混凝土發(fā)生碳化，并腐蝕混凝土內的鋼筋，這對地下結構物或盛有危險品的處理設施尤為不利，一旦混凝土發(fā)生裂縫，要想檢查和維修都很困難。自修復混凝土就是應這方面的需要而產(chǎn)生的。在人類(lèi)現實(shí)生活中可以見(jiàn)到人的皮膚劃破后，經(jīng)一段時(shí)間皮膚會(huì )自然長(cháng)好，而且修補得天衣無(wú)縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會(huì )自動(dòng)愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物組織，對受創(chuàng )傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng )傷部位得到愈合的機能，在混凝土傳統組分中復合特性組分（如含有粘結劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統，模仿動(dòng)物的這種骨組織結構和受創(chuàng )傷后的再生、恢復機理。采用粘結材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高材料性能的新型復合材料。在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內含粘結劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結液流出并深人裂縫。粘結液可使混凝土裂縫重新愈合。美國伊利諾伊斯大學(xué)的Carolyn Dry在1994年采用類(lèi)似的方法，將在空心玻璃纖維中注人縮醛高分子溶液作為粘結劑埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基礎上Carolyn Dry還根據動(dòng)物骨骼的結構和形成機理，嘗試制備仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，在其中加人多孔的編織纖維網(wǎng)。在水泥水化和硬化過(guò)程中，多孔纖維釋放出聚合反應引發(fā)劑與單聚物聚合成高聚物，聚合反應留下的水分參與水泥水化。這樣便在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機與無(wú)機物，它們相互穿插粘結，最終形成的復合材料是與動(dòng)物骨骼結構相似的無(wú)機與有機相結合的材料，具有優(yōu)異的強度及延性等性能。而且在材料使用過(guò)程中，如果發(fā)生損傷，多孔有機纖維會(huì )釋放高聚物，愈合損傷。

　　2、智能混凝規究現狀和應注意的問(wèn)題

　　前面所述的自診斷、自調節和自修復混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡(jiǎn)化形式。因此有人也稱(chēng)之為機敏混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發(fā)揮智能混凝土作用，目前人們正致力于將2種以上功能進(jìn)行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。智能組裝混凝土材料是將具有自感應、自凋節和自修復組件材料等與混凝土基材復合并按照結構的需要進(jìn)行排列，以實(shí)現混凝土結構的內部損傷自診斷、自修復和抗震減振的智能化。

　　智能混凝土具有廣闊的應用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實(shí)際工程，還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復粘結劑的選擇。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解決上述一系列問(wèn)題將對智能混凝土今后的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。為促進(jìn)智能混凝土研究工作的順利開(kāi)展有必要就以下幾點(diǎn)形成共識：

　�。�1）開(kāi)發(fā)應有針對性。所謂針對性就是要針對混凝土性能發(fā)生惡化和結構發(fā)生破壞等現象，考慮不同的智能方法，如針對這些現象，設想開(kāi)發(fā)出一種能應對所有這些情況的手段是很困難的，因此，縮小智能化范圍，以某種功能為對象，從而開(kāi)發(fā)出相對最適應的方法是必要的。

　�。�2）實(shí)施中應具有可行性。澆注混凝土多在施工現場(chǎng)進(jìn)行，因而作為智能混凝土的施工方法，對其技術(shù)與工藝要求不能過(guò)高。應以原有工藝為基礎開(kāi)發(fā)相應的較為簡(jiǎn)單的方法。選用的材料應具有化學(xué)穩定性，要有利于安全使用，不揮發(fā)任何有刺激的氣味和其它有害物質(zhì)，并能大量應用而且成本較低。

　�。�3）設計應具有綜合性。采用智能化，雖然可以提高材料的耐久性，但也會(huì )帶來(lái)負面作用。如由于使用了某種材料雖然能對某種惡化現象進(jìn)行控制和改善，但是否會(huì )對強度等其它性能有所影響，所有這些正反兩方面的問(wèn)題都必須在判斷和設計時(shí)進(jìn)行綜合考慮和權衡。

　　3、結 語(yǔ)

　　智能混凝土是智能化時(shí)代的產(chǎn)物，它在對重大土木基礎設施應變的實(shí)量監測、損傷的無(wú)損評估、及時(shí)修復以及減輕臺風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全和長(cháng)期的耐久性都具有重要性。而且在現代建筑向智能化發(fā)展的背景下，對傳統的建筑材料的研究、制造、缺陷預防和修復等都提出了強烈的挑戰。智能混凝土材料作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，為傳統建材的未來(lái)發(fā)展注入了新的內容和活力，也提供了全新的機遇。其發(fā)展必將使混凝土材料的應用具有更廣闊的前景和產(chǎn)生巨大的社會(huì )經(jīng)濟效益。