智能混凝土研究进展.docx
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1、 智能混凝土研究进展 邢思朋 祝斯月 李苗苗 何冲 张天昊摘要:从自感应、自修复、自调节和高阻尼等方面分类概况了智能混凝土的研究进展,分析了各类智能混凝土的优势,及研究中存在的问题。同时结合研究现状对智能混凝土的未来研究和应用进行了展望。Abstract: This paper summarizes the research progress of intelligent concrete from the aspects of self-induction, self-repairing, self-regulating and high damping, analyzing the adv
2、antages of various intelligent concrete and the existing questions in the research. Meanwhile, the future research and application of intelligent concrete are prospected combining with the current state of research.关键词:智能混凝土;自感应;自修复;自调节;高阻尼Key words: intelligent concrete;self-induction;self-repair;s
3、elf-regulating;high damping:TU528 :A :1006-4311(2020)31-0256-020 引言随着科技的迅猛发展以及人们需求的增加,混凝土作为建筑中最常用且不可或缺的一种材料,正向着智能化的方向转变,智能混凝土也得到国内外学者的广泛关注与研究。本文根据智能混凝土的使用功能,分类总结了不同智能混凝土的研究进展,并对其应用前景与发展趋势进行分析。1 自感应智能混凝土1.1 碳纤维智能混凝土 碳纤维是一种耐高温易导电导热的材料,在混凝土中加入适量的碳纤维可使混凝土获得良好的导电性且改善温度敏感性,可用于大型基础设施的监测。目前学者们主要专注于探索其材料组成和制
4、备工艺对其导电性与物理力学性能的影响。然而,碳纤维在混凝土中的分散性不足导致其导电性及其它性能的稳定性不足是限制其大规模使用的关键因素。葛宇川等研究指出大掺量下的碳纤维会因无法均匀分散而导致混凝土导电性和整体性变差1。此外,一些研究也指出利用碳纤维混凝土粗骨料的压敏性可为智能交通监控系统提供了一种性能优良且价格低廉的材料2。但目前研究还处于起步阶段,需要进一步深入研究。1.2 光纤传感智能混凝土 光纤是一种灵敏度较高,形状任意化,传感信息多样化并且可用于高压高温等恶劣环境的材料,因此它可以用于桥梁,码头等土木结构的监测。叶宇霄等对比位移计和光纤测得的混凝土荷载-挠度曲线,验证了光纤可以准确的监
5、测混凝土裂缝的出现及发展3。刘宏月等提出可以将光纤传感技术引入到港口工程混凝土結构碳纤维材料损伤状态监测领域,从而实现对混凝土内部碳纤维材料损伤状态的监测4。但目前光纤传感器的灵敏度还有待提高,同时光纤传感技术在监测混凝土内部荷载领域的应用也值得深入探索。陈江等研究指出现阶段常用于工程中混凝土监测的普通紧套光纤无法进行混凝土内部的长距离监测,并且无法在恶劣条件下展开铺设5。研发可以解决这些问题的专门的分布式传感光缆产品将是未来的趋势所在。1.3 纳米碳纤维混凝土 纳米碳纤维与碳纤维相比可以使混凝土获得更优良的压敏性能和耐久性能,并且纳米碳纤维的造价低于碳纤维。因此,纳米碳纤维作为智能混凝土的添
6、加材料更具可行性。但与碳纤维混凝土类似,大掺量下的纳米纤维在混凝土中的分散性不良制约了纳米碳纤维混凝土的发展。因此,如何提高纳米碳纤维的分散性是未来的一个亟待解决的研究方向。1.4 石墨烯混凝土 石墨烯是一种碳原子单层排列的蜂窝状晶格结构,石墨烯作为介质加入后可使混凝土具有良好的电学性能、力学性能、抗冻融性能和耐久性,在大型建筑的损伤减震方面有相关应用。然而,高昂的成本限制了石墨烯混凝土的发展,不少学者将研究内容转为同类可替代材料如氧化石墨烯混凝土。2 自调节混凝土2.1 形状记忆合金(SMA)混凝土 形状记忆合金混凝土即在混凝土中加入形状记忆合金,利用其形状记忆效应、伪弹性、相变滞后、高强度
7、比等特性,可有效控制混凝土的变形和裂缝,提高其阻尼性能,在混凝土裂缝自诊断自修复、结构抗震等领域受到广泛关注。现有的研究集中于研究不同因素对于修复效果的影响,取得了丰硕的成果。然而,SMA的超弹性特性对混凝土的力学性能的改善越来越受到重视。李宏男对SMA混凝土采用循环加载方式分别测定SMA混凝土梁和普通混凝土梁的承载力、残余变形和残余裂缝等指标,发现超弹性SMA混凝土的力学性能相比普通混凝土有所提高,同时修复能力也有提高6。未来SMA的超弹性特性对混凝土的力学性能的改善值得深入研究。2.2 电流变体混凝土 电流变体混凝土利用电流变体的流变作用,通过外加电场改变电流变体材料的黏塑性,改变频率,减
8、少共振影响,减缓结构振动,使混凝土结构具有良好的稳定性与耐久性。电流变体的力学性能中工程应用最关心的是在不同电场强度下的电致屈服应力值,其中最重要的是在最高允许电场强度下的最大屈服应力值。逯静洲等研究中所选用的电流变体在4kV/mm的电场强度下动态屈服应力超过20kPa,虽然相对于砂浆的屈服应力还比较小,但随着电场的变化仍能引起比较明显的频率变化,说明电流变效应确实对整体结构的振动性能产生影响7。然而从实用的角度来说,现有的电流变体的屈服应力还偏小,研究开发新型高电流变效益的电流变体是急待解决的问题。3 自修复混凝土3.1 微生物自修复混凝土 微生物自修复混凝土即在混凝土中掺入固载的微生物,在
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