1、混凝土混凝土演讲者：范理诚合作者：严丛城市一瞥城市一瞥长江三峡大坝长江三峡大坝2009年6月27日凌晨5点30分左右，当大部分上海市民都还在睡梦中的时候，家住上海闵行区莲花南路、罗阳路附近的居民却被“轰”的一声巨响吵醒，伴随的还有一些震动，没多久，他们知道不是发生地震，而是附近的小区“莲花河畔景苑”中一栋13层的在建的住宅楼倒塌了。 四川雅安地震后的废墟图片怎样才能避免房屋倒塌或者让损坏减到最低？智能混凝土，是在混凝土原有的组分基础上复合智能型智能混凝土，是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修组分，使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的
2、多功能材料。自九十年代中期，国内外先后开复特性的多功能材料。自九十年代中期，国内外先后开展了功能型和智能型水泥基材料的研究，并取得了一些展了功能型和智能型水泥基材料的研究，并取得了一些有价值的研究成果。如同济大学研究了碳纤维水泥基材有价值的研究成果。如同济大学研究了碳纤维水泥基材料特性等，哈尔滨工业大学研究了光纤传感智能混凝土，料特性等，哈尔滨工业大学研究了光纤传感智能混凝土，国外还对水泥基磁性复合材料、自动调节温度与湿度的国外还对水泥基磁性复合材料、自动调节温度与湿度的水泥基复合材料等进行了研究。但是，有关自修复混凝水泥基复合材料等进行了研究。但是，有关自修复混凝土的研究还很少，如何快速、适
3、时地愈合混凝土材料的土的研究还很少，如何快速、适时地愈合混凝土材料的内部损伤，以及对自修复混凝土机理的研究，目前只有内部损伤，以及对自修复混凝土机理的研究，目前只有美国、日本等少数国家进行研究，且处于实验室探索阶美国、日本等少数国家进行研究，且处于实验室探索阶段段智能混凝土智能混凝土基基 体体水泥、砂浆水泥、砂浆 或混凝土或混凝土复合智能型组分复合智能型组分光纤材料光纤材料 压电陶瓷压电陶瓷形状记忆合金形状记忆合金 电流变体电流变体碳纤维碳纤维 高分子材料高分子材料 等等 智能混凝土智能混凝土 自自 自自 自自 感感 适适 修修 知知 应应 复复 功功 能能l 预报混凝土材料内部损伤预报混凝土
4、材料内部损伤l 实现砼结构自身安全检测实现砼结构自身安全检测l 防止砼结构潜在脆性破坏防止砼结构潜在脆性破坏l 实现材料及结构自动修复实现材料及结构自动修复l 提高结构安全性和耐久性提高结构安全性和耐久性应用应用损伤自诊断混凝土损伤自诊断混凝土自修复智能混凝土自修复智能混凝土自调节智能混凝土自调节智能混凝土温度自控智能混凝土温度自控智能混凝土反射与吸收电磁波反射与吸收电磁波的智能混凝土的智能混凝土1. 损伤自诊断智能混凝土损伤自诊断智能混凝土 自诊断混凝土是指在普通中复合导电、传感器等其它材料 组分，使混凝土本身具备自诊断和自感知功能 常用智能材料组分：聚合物类、碳类、金属类和光纤,等 主要种
5、类： 碳纤维智能混凝土 光纤智能混凝土 压电智能混凝土 分别利用碳纤维、分别利用碳纤维、光纤、压电元件对光纤、压电元件对电、光、振动等外电、光、振动等外界作用的敏感性实界作用的敏感性实现混凝土的自诊断现混凝土的自诊断(1) 碳纤维智能混凝土碳纤维智能混凝土 碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水
6、泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测。碳纤维智能混凝土碳纤维智能混凝土受力电阻特点受力电阻特点混凝土等水泥基材料混凝土等水泥基材料短切碳纤维短切碳纤维（具有高强度、高弹性（具有高强度、高弹性 且良好的导电性能）且良好的导电性能）内内应应力力接近破坏荷载作用
7、，接近破坏荷载作用，电阻变化率随应力突电阻变化率随应力突增增 断裂破坏断裂破坏非弹性受力，电阻非弹性受力，电阻变化率随应力非线变化率随应力非线性增加性增加 有损伤有损伤弹性受力，电阻变弹性受力，电阻变化率随应力线性增化率随应力线性增加加 无损伤无损伤碳纤维混凝土应力电阻关系碳纤维混凝土应力电阻关系碳纤维砼电阻率的碳纤维砼电阻率的变化可反映材料结变化可反映材料结构内部处于安全、构内部处于安全、损伤、破坏各阶段损伤、破坏各阶段碳纤维砼具有自感碳纤维砼具有自感知内部应力、应变知内部应力、应变和损伤程度的功能和损伤程度的功能（即自诊断功能）（即自诊断功能）工程应用工程应用材料结构在线材料结构在线损伤实
8、时监测损伤实时监测电电 阻阻碳纤维混凝土样品图案碳纤维混凝土样品图案 原理：原理：利用光在光纤传输过程中受温度、压力等外界因素对光强度、相位、频率、偏振态等光波量的影响规律而开发的一种传感技术 应用：应用：在混凝土结构的埋入光纤传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测初始微裂纹初始微裂纹光纤传感器光纤传感器钢筋钢筋钢筋混凝土简支梁钢筋混凝土简支梁将光纤传感器埋入钢将光纤传感器埋入钢筋砼中以测量砼微裂筋砼中以测量砼微裂纹的引伸、发展规律纹的引伸、发展规律 (2) 光纤传感智能混凝土光纤传感智能混凝土P光纤传感智
9、能混凝土光纤传感智能混凝土美国Winooski的一座水电大坝的振动监测 加拿大Calgary一双跨公路桥内部应变状态监测 钢筋的应力状态监测用于加拿大一桥梁柱內被侵蚀监测用江苏润扬长江公路大桥长期监测与安全评估系统光纤传感器光纤传感器 原理：原理：将压电敏感元件（如压电石英、压电陶瓷）按一定的排列方式埋入混凝土中，并形成阵列网络。压电敏感元件可将结构内的应力、应变变化转换成电信号输出，从而实现混凝土材料结构的实时监测压电传感器压电传感器钢筋钢筋v 当砼构件承受动力荷载作用时，可直接埋入压电传感器以实时监测砼结构的动态变化 钢筋混凝土简支梁钢筋混凝土简支梁放大器放大器测量系统测量系统动态荷载动态
10、荷载P(t)(3) 压电智能混凝土压电智能混凝土压电传感器压电传感器钢筋钢筋v 当混凝土构件承受静荷载、环境因素引起的混凝土材质变化、当混凝土构件承受静荷载、环境因素引起的混凝土材质变化、各种作用导致混凝土裂缝开展等情况，利用压电效应或逆压电效各种作用导致混凝土裂缝开展等情况，利用压电效应或逆压电效应的压电元件组成阵列，以实时监测结构内部的（准）静态变化应的压电元件组成阵列，以实时监测结构内部的（准）静态变化钢筋混凝土简支梁钢筋混凝土简支梁放大器放大器测量系统测量系统静荷载作用静荷载作用P当此部分混凝土材当此部分混凝土材质发生变化或发生质发生变化或发生裂缝的开展等，均裂缝的开展等，均对声波产生
11、改变对声波产生改变利用逆压电效应，利用逆压电效应，在交变电压作用在交变电压作用下，使压电元件下，使压电元件产生声振动产生声振动将声波信号转换为将声波信号转换为电信号，通过分析电信号，通过分析信号的改变来监测信号的改变来监测混凝土结构的损伤混凝土结构的损伤声发射声发射声接收声接收2. 自修复智能混凝土自修复智能混凝土自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结自修复智能混凝土是模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生、恢复机理，采用修复构受创伤后的再生、恢复机理，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能，恢料损伤破坏具有自修复和再生的功能
12、，恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。原理：原理：内装缩醛高内装缩醛高分子溶液粘分子溶液粘结剂的空心结剂的空心纤维管，沿纤维管，沿受拉向布置受拉向布置砼开始出现裂缝，砼开始出现裂缝，但纤维管不破裂但纤维管不破裂裂缝进一步扩展，纤维管破裂，裂缝进一步扩展，纤维管破裂，粘结剂流入裂缝，实现自愈合粘结剂流入裂缝，实现自愈合荷载原理原理: :在混凝土中复合具有驱动功能的智能材料在混凝土中复合具有驱动功能的智能材料( (元件元件),),可使砼可使砼具有自调节能力具有自调节能力, ,以提高结构抗御地震、强风等各种环境作用的以提高结构抗御地震、强风等各种环境作用的能
13、力能力常见的驱动功能材料常见的驱动功能材料v 形状记忆合金（形状记忆合金（SMASMA）v 电流变电流变/ /磁流变体（磁流变体（ER/MRER/MR）等）等承载力自调节混凝土梁承载力自调节混凝土梁外 荷 载 作 用外 荷 载 作 用形 状 记形 状 记忆 合 金忆 合 金通电加热通电加热控制系统控制系统当混凝土梁受荷作用当混凝土梁受荷作用过大，控制系统自动过大，控制系统自动通电使形状记忆合金通电使形状记忆合金受热产生（类似于预受热产生（类似于预应力的）回复力，从应力的）回复力，从而提高梁的承载能力而提高梁的承载能力3. 自调节智能混凝土自调节智能混凝土温度变化引起电阻变化(温阻性)及碳纤维混
14、凝土内部的温差会产生电位差的热电性。可将碳纤维混凝土制成热电偶，埋入混凝土结构中,实现 监控混凝土结构内部和建筑物周围环境的温度分布及变化监控混凝土结构内部和建筑物周围环境的温度分布及变化 大体积混凝土的温度自监控大体积混凝土的温度自监控 有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构 4. 温度自控智能混凝土温度自控智能混凝土利用碳纤维混凝土的导电性,对其施加电场, 则在混凝土中产生热效应。可将碳纤维掺入混凝土中，制成碳纤维混凝土，浇入工程结构中,实现: 机场跑道、桥梁、道路路面等自动融雪和除冰机场跑道、桥梁、道路路面等自动融雪和除冰 寒冷地区混凝土墙体升温以便于房
15、屋采暖寒冷地区混凝土墙体升温以便于房屋采暖采用供热系统进行地面采用供热系统进行地面采暖及融雪除冰，设备采暖及融雪除冰，设备多、费用高、施工复杂多、费用高、施工复杂路面局部采用碳纤维路面局部采用碳纤维混凝土进行融雪除冰混凝土进行融雪除冰,设 备 少 、 施 工 简 单设 备 少 、 施 工 简 单路面局部采用路面局部采用碳纤维混凝土碳纤维混凝土电源电源反射与吸收电磁波的智能混凝土反射与吸收电磁波的智能混凝土 随着电子信息时代的到来，各种电器电子设备的数量爆炸式地增长，导致电磁泄漏问题越来越严重，而且电磁泄露场的频率分布极宽，从超低频到毫米波，它可能正常的通信，导航，甚至危害人体健康。因此电磁污染
16、是影响我国城市化可是续发展的灾害之一。 在普通混凝土中加入导电增强介质诸如短切碳纤维，钢纤维制成的智能混凝土能够吸收和吸收电磁辐射，利用智能混凝土的这种特性可以研制EMI防护罩。在当今社会，电磁辐射已经成为社会污染的一个严重问题，EMI防护罩的重要性已经是显而易见的。在混凝土中掺入体积含量为百分之一点五，直径为0.1的短切碳纤维，其对1GHz的电磁波的反射强度为40dB，要比普通混凝土对1Hz的电磁波的反射强度高10dB，且其反射强度比透射强度高29dB，而普通混凝土反射强度低3-11dB。研究表明，对碳纤维微丝经臭氧处理后在掺入混凝土中，不但能提高混凝土反射电磁波的能力，而且可以提高混凝土的
17、抗拉强度。采用这种混凝土作为车道两侧导航标记，可实现自动化高速公路的导航。汽车上的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波，经过反射，由汽车上的电磁波接收器接收，在再过汽车上的电脑系统进行处理，即可判断并控制汽车的行驶线路。采用这种混凝土作导航标记，其成本低，可靠性好，准确度高。 需进一步研究的问题需进一步研究的问题结语 智能混凝土是智能化时代的产物，它在对重大土木基础设施应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期的耐久性都具有重要性。而且在现代建筑向智能化发展的背景下，对传统的建筑材料的研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。其发展必将使混凝土材料的应用具有更广阔的前景和产生巨大的社会经济效益。thank you!
