土木工程智能材料的应用发展研究

摘要：针对智能材料的特点，介绍了光导纤维材料、形状记忆合金、压磁材料、碳纤维混凝土、压电材料等智能材料的基本特征，在分析了各智能材料的优势后，重点分析了智能材料在土木工程结构中的应用现状。根据相关研究成果，对智能材料发展过程中所存在的问题做了阐述，并就智能材料未来的研究及发展前景提出了建议。

关键词：智能材料；土木工程；混凝土；应用前景

0引言

随着材料技术的快速发展，越来越多的高新技术被运用到工程材料的研发中，各种新型材料层出不穷，以复合材料为基础发展而来的智能材料，为解决相应材料的力学问题提供了科学牢靠的途径。作为有着多学科交叉背景的综合学科，智能材料为土木工程中日益复杂的结构提供了实现的可能性，因此这一学科的研究也日益受到重视。诸如大跨度桥梁、高层建筑、水利枢纽、海洋钻井平台以及油气管网系统之类的基建设施，在其较长的使用期中，外界各种不利作用会使得组成这些结构的材料发生不可逆的变化，从而导致结构出现不同程度地性能衰减、功能弱化，甚至会诱发重大工程事故。若是能将智能材料运用到对这些超规模的工程结构物中，能够时刻评定相应的安全性能、监控损伤，并智能修复，则将为未来工程建设提供新的发展思路。所谓智能材料，是指随时能够对环境条件及内部状态的变化做出精准、高效、合适的响应，同时还具备自主分析、自我调整、自动修复等功能的新材料。受仿生学科的启发，其目标是要开发出能运用到具体工程中、将无机材料变得有生命活力。二十世纪90年代初逐渐兴起的智能材料结构系统，吸引了包括物理、化学、电子、航空航天、土木工程等领域的研究者涉足其中，取得了丰硕的成果。

1智能材料的概念及特点

智能材料发源于“自适应材料”（AdaptiveMate-rial），在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系统逐渐受到全世界各国官方机构的认可与重视，发展迅速。智能材料（IntelligentMaterial，IM）当前没有一个明确的定义，不过大体上都是根据功能做出相应的定义，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，具有不可限量的前景。智能材料产生的背景决定了其所具有的独特优势，决定了其终将会带来材料科学的重大革新。通常而言，智能材料主要以下七大功能：（1）传感：能够对内外部的作用进行监控与鉴别；（2）反馈：将监控获取的信息进行传输以及反馈；（3）信息识别与积累：识别并记忆反馈来的信息；（4）响应：对内外部的变化做出灵活有效的反应；（5）自诊断：对内外部信息实施自行诊断、分析、评判等；（6）自修复：依特定的方法修复系统的故障；（7）自适应：待外部作用消失后可恢复原状。在具体的工程中，若要实现这么多的功能，仅仅依靠单一材料是无法实现的，因此通常情况下都是通过多种智能材料的组合才能达到目的。

2智能材料在土木工程结构中的应用

2.1光导纤维

光纤维的主要化学成分为二氧化硅，作为信息传递的绝佳介质，有着其他任何材料无法比拟的传导能力。材料主要由内层圆柱形透明介质和外层圆环形透明介质组成，内层为纤芯，外层为包层。内外层折射率的差异能够保证携带信息的光在纤维里面能量损失少，传输距离大。将光纤维植入到混凝土结构中，制成光纤维混凝土结构。当混凝土结构因外部因素的变化而产生变形时，植入砼结构中的纤维也随之发生变化，进而导致纤维中的光发生改变，相应的传感器能够直接获取变化，从而间接确定混凝土结构的各种性能变化，实现对结构的全方位监测，为工程的可持续性提供技术指导。并且，分布监控的模式可保证混凝土结构任何部位的改变均能被监测到，相当于在混凝土结构中创造了一个全覆盖、光角度、无死角的监测网络，两者组合而成的光纤维混凝土可以认为是一种具有强大自我调节的智能材料。当前，光纤维混凝土结构主要的工程应用包括：混凝土的温度及温度应力监测、混凝土结构裂缝的监测与诊断、混凝土结构强度与变形监测、混凝土结构配合的钢索应力和变形监测等。

2.2形状记忆合金

何谓记忆合金，即材料具有形状记忆能力。当材料的形状被改变后，其内在的记忆效应可被激发出来，进而自动产生回复应力与应变，驱使材料恢复原状。同时，合金材料能够传输能量并实现能量储存。鉴于此，工程中可将记忆材料安置在结构中，当结构出现变形、裂缝、损伤以及外界动荷载影响时，大部分的能量可被记忆合金材料消耗掉，可极大提高结构的稳定性，若将材料运用到多震地区的建筑结构中，则会实现对地震能力的吸收与耗散，极大地提高建筑物的抗震性能，此举属于材料的智能被动控制。形状记忆合金材料所具有的相变超弹性，使其可用来制作耗能阻尼器，这种阻尼器实现了智能被动控制。同时，由于其相变会引起超弹性滞回环的产生，使得材料具有极高的抗疲劳性，以此为基础制作的阻尼器使用周期远胜于普通的阻尼器，可实现结构品质的大幅度提高。

2.3压磁材料

土木工程领域中常规的压磁材料主要包括磁流变材料和磁致伸缩智能材料等。在外部磁场作用下，磁流变液悬浮体系的黏弹塑性会发生明显的变化，并且这种变化是可逆的。当外部磁场超过一定强度后，磁流变也会在极短的时间内变成固态，微观上表现为材料的分散相颗粒沿着磁场方向结成了链状结构。磁流变液介于液体与固体之间的这种独特的可变属性，以及对这种特性实施控制时耗能低、变化范围广、成本低等特性，使得磁流变液成为工程结构中作动器件的重要材料。当前，磁流变液主要被应用到元器件的控制桥路以及电源的高速开关等多个领域。且磁流变液在土木工程领域的应用主要集中在高层建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度结构等。同时，有着高磁致伸缩效应的磁致伸缩智能材料，可以保证材料在机械与电磁直接进行可逆转换，因此具有广阔的应用前景。

2.4碳纤维混凝土材料

工程中混凝土的作用范围很广泛，因此对混凝土材料的改善也日益得到科研人员和工程从业者的支持，碳纤维混凝土的产生正是这一领域发展的重要产物，在混凝土中掺加一定比例的碳纤维，可赋予混凝土材料以驱动功能和本征自感应。作为一种高强度、高弹性、大导电性的材料，碳纤维的加入能极大改善混凝土的强度与韧性，并且碳纤维之间会形成具有电阻的导电网络，在材料中起到阻隔导电的势垒，大大降低混凝土材料的电阻率，从而使得材料的导电能力得到数量级上的显著变化。不可忽视的是，这种混凝土的电导率与温度及应力的变化而表现出规律性的响应。同时，碳纤维混凝土在温度上表现为温度变化造成电阻的变化，并且材料内部的温差也会衍生出热电效应，在电场的作用下碳纤维混凝土会产生热变效应（热效应与变形）。碳纤维的含量和混凝土材料的结构共同影响材料的温敏性，当碳纤维的含量超过一定比例时，材料才有可能形成较为稳定的电动势。而碳纤维的掺入方式主要有两种：短切乱向分布和连续碳纤维束单向增强。采取不同的掺入方式能使得碳纤维混凝土的力学性能得到不同程度的强化与提高，工程实践表明：第一种方式更具有实用性。

2.5压电材料

具有压电效应的压电材料，经常被用作驱动元件和传感元件。当压电材料受到外部因素作用时会因为其自身发生变形而产生电势，而对材料再施加一定电压时又会改变材料的尺寸，压电效应由此而来。利用这一特点，压电材料可用作传感元件，通过压电元件的变化来判断元件所在位置处结构的变形量。与此同时，若能在压电元件外部形成电场，进而对压电元件内部的正负电子施加定向电场力，从而迫使元件发生变形，制成驱动元件。利用驱动元件，可改变材料的应力状态，甚至会影响材料的结构变形。压电材料的变化均在极短时间内完成，因此压电效应主要适用于对结构振动的控制上。

3智能材料的未来发展

3.1智能材料性能的发展

智能材料有着独特的优越性能、广阔的发展前景，但是由于这一领域处于多学科交叉的研究前沿，所存在问题也亟待深究：（1）形状记忆合金的发现，改变了很多传统理念，胡克定律在合金材料这里基本上不再适用了，其所具有的智能功能使得传统的力学研究方法难以合理地解释其内在的机理，因此需要研究者另辟蹊径，从宏观与微观的角度重新去探究这种新材料的原理，建立一些实用性较强的理论和模型，以对具体的工程实际进行规范化的指导。同时，当前形状记忆合金还不完善，耗能高、功能单一等缺点使得其实用性不强，能够开发出低能耗、出力大、多功能的控制器则是未来研究的重要方向。（2）可以预见，压电材料将会成为工程结构中力学测量的首选感测元件，但是其存在的主要问题就是驱动力小，虽然已经有一些技术来弥补这一缺陷，但是对于大规模的土木工程结构而言，压电材料并不能直接应用，复杂的理论分析、高难度的集成技术研发，以及压电驱动器的开发技术和设计方法难度较大，都是制约压电材料未来发展的瓶颈，是研究的难点、热点和重点。（3）压磁材料所面临的问题是在长期的放置之后，会产生固体颗粒沉降，这种沉降对材料的稳定性有着怎样的影响效应也需要更深入的研究。并且，其温度适应范围较小，若能够拓宽温度作用范围，将使得压磁材料有着更广的发展前景。

3.2智能材料研究难题

针对材料本身所面临的主要问题，未来在土木工程领域的应用研究主要有下列一些难题：（1）结构的健康监测与保养；（2）形状自适应材料与结构；（3）结构减振抗震抗风降噪的自适应控制。这些问题的进一步研究将有助于工程质量的提高，有助于降低工程灾害性事故的概率，有助于强化工程的安全可靠性，有助于推动土木工程领域的高技术发展，有助于为土木工程领域注入新的发展动力与机遇。

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作者:胡仁桂 单位:江苏省建工建材质量检测中心有限公司