土木工程智能材料的應(yīng)用發(fā)展研究

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摘要：針對智能材料的特點，介紹了光導(dǎo)纖維材料、形狀記憶合金、壓磁材料、碳纖維混凝土、壓電材料等智能材料的基本特征，在分析了各智能材料的優(yōu)勢后，重點分析了智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。根據(jù)相關(guān)研究成果，對智能材料發(fā)展過程中所存在的問題做了闡述，并就智能材料未來的研究及發(fā)展前景提出了建議。

關(guān)鍵詞：智能材料；土木工程；混凝土；應(yīng)用前景

0引言

隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的高新技術(shù)被運用到工程材料的研發(fā)中，各種新型材料層出不窮，以復(fù)合材料為基礎(chǔ)發(fā)展而來的智能材料，為解決相應(yīng)材料的力學(xué)問題提供了科學(xué)牢靠的途徑。作為有著多學(xué)科交叉背景的綜合學(xué)科，智能材料為土木工程中日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提供了實現(xiàn)的可能性，因此這一學(xué)科的研究也日益受到重視。諸如大跨度橋梁、高層建筑、水利樞紐、海洋鉆井平臺以及油氣管網(wǎng)系統(tǒng)之類的基建設(shè)施，在其較長的使用期中，外界各種不利作用會使得組成這些結(jié)構(gòu)的材料發(fā)生不可逆的變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度地性能衰減、功能弱化，甚至?xí)T發(fā)重大工程事故。若是能將智能材料運用到對這些超規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)物中，能夠時刻評定相應(yīng)的安全性能、監(jiān)控損傷，并智能修復(fù)，則將為未來工程建設(shè)提供新的發(fā)展思路。所謂智能材料，是指隨時能夠?qū)Νh(huán)境條件及內(nèi)部狀態(tài)的變化做出精準、高效、合適的響應(yīng)，同時還具備自主分析、自我調(diào)整、自動修復(fù)等功能的新材料。受仿生學(xué)科的啟發(fā)，其目標是要開發(fā)出能運用到具體工程中、將無機材料變得有生命活力。二十世紀90年代初逐漸興起的智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，吸引了包括物理、化學(xué)、電子、航空航天、土木工程等領(lǐng)域的研究者涉足其中，取得了豐碩的成果。

1智能材料的概念及特點

智能材料發(fā)源于“自適應(yīng)材料”（AdaptiveMate-rial），在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系統(tǒng)逐漸受到全世界各國官方機構(gòu)的認可與重視，發(fā)展迅速。智能材料（IntelligentMaterial，IM）當前沒有一個明確的定義，不過大體上都是根據(jù)功能做出相應(yīng)的定義，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計材料之后的第四代材料，具有不可限量的前景。智能材料產(chǎn)生的背景決定了其所具有的獨特優(yōu)勢，決定了其終將會帶來材料科學(xué)的重大革新。通常而言，智能材料主要以下七大功能：（1）傳感：能夠?qū)?nèi)外部的作用進行監(jiān)控與鑒別；（2）反饋：將監(jiān)控獲取的信息進行傳輸以及反饋；（3）信息識別與積累：識別并記憶反饋來的信息；（4）響應(yīng)：對內(nèi)外部的變化做出靈活有效的反應(yīng)；（5）自診斷：對內(nèi)外部信息實施自行診斷、分析、評判等；（6）自修復(fù)：依特定的方法修復(fù)系統(tǒng)的故障；（7）自適應(yīng)：待外部作用消失后可恢復(fù)原狀。在具體的工程中，若要實現(xiàn)這么多的功能，僅僅依靠單一材料是無法實現(xiàn)的，因此通常情況下都是通過多種智能材料的組合才能達到目的。

2智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1光導(dǎo)纖維

光纖維的主要化學(xué)成分為二氧化硅，作為信息傳遞的絕佳介質(zhì)，有著其他任何材料無法比擬的傳導(dǎo)能力。材料主要由內(nèi)層圓柱形透明介質(zhì)和外層圓環(huán)形透明介質(zhì)組成，內(nèi)層為纖芯，外層為包層。內(nèi)外層折射率的差異能夠保證攜帶信息的光在纖維里面能量損失少，傳輸距離大。將光纖維植入到混凝土結(jié)構(gòu)中，制成光纖維混凝土結(jié)構(gòu)。當混凝土結(jié)構(gòu)因外部因素的變化而產(chǎn)生變形時，植入砼結(jié)構(gòu)中的纖維也隨之發(fā)生變化，進而導(dǎo)致纖維中的光發(fā)生改變，相應(yīng)的傳感器能夠直接獲取變化，從而間接確定混凝土結(jié)構(gòu)的各種性能變化，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的全方位監(jiān)測，為工程的可持續(xù)性提供技術(shù)指導(dǎo)。并且，分布監(jiān)控的模式可保證混凝土結(jié)構(gòu)任何部位的改變均能被監(jiān)測到，相當于在混凝土結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造了一個全覆蓋、光角度、無死角的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，兩者組合而成的光纖維混凝土可以認為是一種具有強大自我調(diào)節(jié)的智能材料。當前，光纖維混凝土結(jié)構(gòu)主要的工程應(yīng)用包括：混凝土的溫度及溫度應(yīng)力監(jiān)測、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測與診斷、混凝土結(jié)構(gòu)強度與變形監(jiān)測、混凝土結(jié)構(gòu)配合的鋼索應(yīng)力和變形監(jiān)測等。

2.2形狀記憶合金

何謂記憶合金，即材料具有形狀記憶能力。當材料的形狀被改變后，其內(nèi)在的記憶效應(yīng)可被激發(fā)出來，進而自動產(chǎn)生回復(fù)應(yīng)力與應(yīng)變，驅(qū)使材料恢復(fù)原狀。同時，合金材料能夠傳輸能量并實現(xiàn)能量儲存。鑒于此，工程中可將記憶材料安置在結(jié)構(gòu)中，當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、裂縫、損傷以及外界動荷載影響時，大部分的能量可被記憶合金材料消耗掉，可極大提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，若將材料運用到多震地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中，則會實現(xiàn)對地震能力的吸收與耗散，極大地提高建筑物的抗震性能，此舉屬于材料的智能被動控制。形狀記憶合金材料所具有的相變超彈性，使其可用來制作耗能阻尼器，這種阻尼器實現(xiàn)了智能被動控制。同時，由于其相變會引起超彈性滯回環(huán)的產(chǎn)生，使得材料具有極高的抗疲勞性，以此為基礎(chǔ)制作的阻尼器使用周期遠勝于普通的阻尼器，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)品質(zhì)的大幅度提高。

2.3壓磁材料

土木工程領(lǐng)域中常規(guī)的壓磁材料主要包括磁流變材料和磁致伸縮智能材料等。在外部磁場作用下，磁流變液懸浮體系的黏彈塑性會發(fā)生明顯的變化，并且這種變化是可逆的。當外部磁場超過一定強度后，磁流變也會在極短的時間內(nèi)變成固態(tài)，微觀上表現(xiàn)為材料的分散相顆粒沿著磁場方向結(jié)成了鏈狀結(jié)構(gòu)。磁流變液介于液體與固體之間的這種獨特的可變屬性，以及對這種特性實施控制時耗能低、變化范圍廣、成本低等特性，使得磁流變液成為工程結(jié)構(gòu)中作動器件的重要材料。當前，磁流變液主要被應(yīng)用到元器件的控制橋路以及電源的高速開關(guān)等多個領(lǐng)域。且磁流變液在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在高層建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度結(jié)構(gòu)等。同時，有著高磁致伸縮效應(yīng)的磁致伸縮智能材料，可以保證材料在機械與電磁直接進行可逆轉(zhuǎn)換，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4碳纖維混凝土材料

工程中混凝土的作用范圍很廣泛，因此對混凝土材料的改善也日益得到科研人員和工程從業(yè)者的支持，碳纖維混凝土的產(chǎn)生正是這一領(lǐng)域發(fā)展的重要產(chǎn)物，在混凝土中摻加一定比例的碳纖維，可賦予混凝土材料以驅(qū)動功能和本征自感應(yīng)。作為一種高強度、高彈性、大導(dǎo)電性的材料，碳纖維的加入能極大改善混凝土的強度與韌性，并且碳纖維之間會形成具有電阻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在材料中起到阻隔導(dǎo)電的勢壘，大大降低混凝土材料的電阻率，從而使得材料的導(dǎo)電能力得到數(shù)量級上的顯著變化。不可忽視的是，這種混凝土的電導(dǎo)率與溫度及應(yīng)力的變化而表現(xiàn)出規(guī)律性的響應(yīng)。同時，碳纖維混凝土在溫度上表現(xiàn)為溫度變化造成電阻的變化，并且材料內(nèi)部的溫差也會衍生出熱電效應(yīng)，在電場的作用下碳纖維混凝土?xí)a(chǎn)生熱變效應(yīng)（熱效應(yīng)與變形）。碳纖維的含量和混凝土材料的結(jié)構(gòu)共同影響材料的溫敏性，當碳纖維的含量超過一定比例時，材料才有可能形成較為穩(wěn)定的電動勢。而碳纖維的摻入方式主要有兩種：短切亂向分布和連續(xù)碳纖維束單向增強。采取不同的摻入方式能使得碳纖維混凝土的力學(xué)性能得到不同程度的強化與提高，工程實踐表明：第一種方式更具有實用性。

2.5壓電材料

具有壓電效應(yīng)的壓電材料，經(jīng)常被用作驅(qū)動元件和傳感元件。當壓電材料受到外部因素作用時會因為其自身發(fā)生變形而產(chǎn)生電勢，而對材料再施加一定電壓時又會改變材料的尺寸，壓電效應(yīng)由此而來。利用這一特點，壓電材料可用作傳感元件，通過壓電元件的變化來判斷元件所在位置處結(jié)構(gòu)的變形量。與此同時，若能在壓電元件外部形成電場，進而對壓電元件內(nèi)部的正負電子施加定向電場力，從而迫使元件發(fā)生變形，制成驅(qū)動元件。利用驅(qū)動元件，可改變材料的應(yīng)力狀態(tài)，甚至?xí)绊懖牧系慕Y(jié)構(gòu)變形。壓電材料的變化均在極短時間內(nèi)完成，因此壓電效應(yīng)主要適用于對結(jié)構(gòu)振動的控制上。

3智能材料的未來發(fā)展

3.1智能材料性能的發(fā)展

智能材料有著獨特的優(yōu)越性能、廣闊的發(fā)展前景，但是由于這一領(lǐng)域處于多學(xué)科交叉的研究前沿，所存在問題也亟待深究：（1）形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)，改變了很多傳統(tǒng)理念，胡克定律在合金材料這里基本上不再適用了，其所具有的智能功能使得傳統(tǒng)的力學(xué)研究方法難以合理地解釋其內(nèi)在的機理，因此需要研究者另辟蹊徑，從宏觀與微觀的角度重新去探究這種新材料的原理，建立一些實用性較強的理論和模型，以對具體的工程實際進行規(guī)范化的指導(dǎo)。同時，當前形狀記憶合金還不完善，耗能高、功能單一等缺點使得其實用性不強，能夠開發(fā)出低能耗、出力大、多功能的控制器則是未來研究的重要方向。（2）可以預(yù)見，壓電材料將會成為工程結(jié)構(gòu)中力學(xué)測量的首選感測元件，但是其存在的主要問題就是驅(qū)動力小，雖然已經(jīng)有一些技術(shù)來彌補這一缺陷，但是對于大規(guī)模的土木工程結(jié)構(gòu)而言，壓電材料并不能直接應(yīng)用，復(fù)雜的理論分析、高難度的集成技術(shù)研發(fā)，以及壓電驅(qū)動器的開發(fā)技術(shù)和設(shè)計方法難度較大，都是制約壓電材料未來發(fā)展的瓶頸，是研究的難點、熱點和重點。（3）壓磁材料所面臨的問題是在長期的放置之后，會產(chǎn)生固體顆粒沉降，這種沉降對材料的穩(wěn)定性有著怎樣的影響效應(yīng)也需要更深入的研究。并且，其溫度適應(yīng)范圍較小，若能夠拓寬溫度作用范圍，將使得壓磁材料有著更廣的發(fā)展前景。

3.2智能材料研究難題

針對材料本身所面臨的主要問題，未來在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要有下列一些難題：（1）結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與保養(yǎng)；（2）形狀自適應(yīng)材料與結(jié)構(gòu)；（3）結(jié)構(gòu)減振抗震抗風(fēng)降噪的自適應(yīng)控制。這些問題的進一步研究將有助于工程質(zhì)量的提高，有助于降低工程災(zāi)害性事故的概率，有助于強化工程的安全可靠性，有助于推動土木工程領(lǐng)域的高技術(shù)發(fā)展，有助于為土木工程領(lǐng)域注入新的發(fā)展動力與機遇。

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作者:胡仁桂 單位:江蘇省建工建材質(zhì)量檢測中心有限公司