促進智能混凝土研究應重視的三個要點

隨著現代材料的不斷進步，作為主要建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強度、高性能、多功能和智能化發展。停留在被動和計劃模式的混凝土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，研究和開發具有主動、自動地對結構進行自診斷、自調節、自修復、恢復的智能混凝土已成為結構+功能（智能）一體化的發展趨勢。

一、智能混凝土的定義和發展歷史

智能材料，指的是“能感知環境條件，做出相應行動”的材料。它能模仿生命系統，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環境變化因素產生感知，自動作出適時、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的內部損傷，滿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進行修復，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。如上所述，智能混凝土是自感知和記憶、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。但近年來損傷自診斷混凝土、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的基礎。

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的其他材料組分可使混凝土本身具備自感應功能。常用的材料組分有聚合類、碳類、金屬類和光纖，其中常用的是碳類、金屬類和光纖。碳纖維智能混凝土和光纖傳感智能混凝土是目前主要的兩種研究比較成熟的損傷自診斷混凝土。

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。混凝土結構除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風、地震等災害期間，能夠調整承

載能力和減緩結構振動。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彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。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干擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結構內部應力重分布并產生一定的預應力，從而提高混凝土結構的承載力。

有些建筑物對其室內的濕度有嚴格的要求，如各類展覽館、博物館及美術館等，為實現穩定的濕度控制，往往需要許多濕度傳感器、控制系統及復雜的布線等，其成本和使用維持的費用都較高。日本學者研制的自動調節環境溫度的混凝土材料，自身即可完成對室內環境濕度的探測，并根據需要對其進行調控。這種混凝土材料帶來自動調節環境濕度功能的關鍵組分是沸石粉。其機理是沸石中的硅酸鈣含有孔隙，這些孔隙可以對水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對沸石種類進行選擇，可以制備符合實際需要的自動調節環境濕度的混凝土復合材料。它具有優先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕等特點。

3.自修復智能混凝土

混凝土結構在使用過程中，大多數結構是帶縫工作的。混凝土產生裂縫，不僅強度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等易通過裂縫侵入混凝土內部，使混凝土發生碳化，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生的。在人類現實生活中可以見到人的皮膚劃破后，經一段時間皮膚會自然長好，而且修補得天衣無縫，骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合。自愈合混凝土就是模仿生物組織，對受創傷部位自動分泌某種物質，而使創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（如含有黏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系統，模仿動物的這種骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理。采用黏結材料和基材相復合，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，以東北大學三橋博三教授為首的日本學者將內含黏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生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，黏結液流出并深入裂縫。黏結液可使混凝土裂縫重新愈合。

二、智能混凝土研究現狀和應注意的問題

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化形式。因此有人也稱之為機敏混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發揮智能混凝土作用，人們正致力于將兩種以上功能進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、自調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行排列，以實現混凝土結構的內部損傷自診斷、自修復和抗震減震的智能化。

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，如果投入實際工程，還有很多問題需要進一步研究。如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的優排布方式；自愈合混凝土的修復黏結劑的選擇；封入的方法以及愈

合后混凝土耐久性能的改善等。

為促進智能混凝土研究工作的順利開展，有必要就以下幾點達成共識。

1.開發應有針對性。所謂針對性就是要針對混凝土性能發生惡化和結構發生破壞等現象，考慮不同的智能方法。如針對這些現象，設想開發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，從而開發出相對適應的方法是必要的。

2.實施中應具有可行性。澆注混凝土多在施工現場進行，因而作為智能混凝土的施工方法，對其技術與工藝要求不能過高，應以原有工藝為基礎開發相應的較為簡單的方法。選用的材料應具有化學穩定性，要有利于安全使用，不揮發任何有刺激的氣味和其他有害物質，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，但也會帶來負面作用。如由于使用了某種材料雖然能對某種惡化現象進行控制和改善，但是否會對強度等其他性能有所影響，所有這些正反兩方面的問題都必須在判斷和設計時進行綜合考慮和權衡。

三、結語

智能混凝土是智能化的產物，它在對重大土木基礎設施應變的實量監測，損傷的無損評估，及時修復以及減輕臺風、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期的耐久性都具有重要性。而且在建筑向智能化發展的背景下，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域的高新技術，為傳統建材的未來發展注入了新的和活力，也提供了全新的機遇。其發展必將使混凝土材料的應用具有更廣闊的前景和產生巨大的效益。隨著現代材料的不斷進步，作為主要建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強度、高性能、多功能和智能化發展。停留在被動和計劃模式的混凝土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，研究和開發具有主動、自動地對結構進行自診斷、自調節、自修復、恢復的智能混凝土已成為結構+功能（智能）一體化的發展趨勢。

一、智能混凝土的定義和發展歷史

智能材料，指的是“能感知環境條件，做出相應行動”的材料。它能模仿生命系統，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環境變化因素產生感知，自動作出適時、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的內部損傷，滿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進行修復，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。如上所述，智能混凝土是自感知和記憶、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。但近年來損傷自診斷混凝土、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的基礎。

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的其他材料組分可使混凝土本身具備自感應功能。常用的材料組分有聚合類、碳類、金屬類和光纖，其中常用的是碳類、金屬類和光纖。碳纖維智能混凝土和光纖傳感智能混凝土是目前主要的兩種研究比較成熟的損傷自診斷混凝土。

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。混凝土結構除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風、地震等災害期間，能夠調整承

載能力和減緩結構振動。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彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。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干擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結構內部應力重分布并產生一定的預應力，從而提高混凝土結構的承載力。

有些建筑物對其室內的濕度有嚴格的要求，如各類展覽館、博物館及美術館等，為實現穩定的濕度控制，往往需要許多濕度傳感器、控制系統及復雜的布線等，其成本和使用維持的費用都較高。日本學者研制的自動調節環境溫度的混凝土材料，自身即可完成對室內環境濕度的探測，并根據需要對其進行調控。這種混凝土材料帶來自動調節環境濕度功能的關鍵組分是沸石粉。其機理是沸石中的硅酸鈣含有孔隙，這些孔隙可以對水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對沸石種類進行選擇，可以制備符合實際需要的自動調節環境濕度的混凝土復合材料。它具有優先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕等特點。

3.自修復智能混凝土

混凝土結構在使用過程中，大多數結構是帶縫工作的。混凝土產生裂縫，不僅強度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等易通過裂縫侵入混凝土內部，使混凝土發生碳化，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生的。在人類現實生活中可以見到人的皮膚劃破后，經一段時間皮膚會自然長好，而且修補得天衣無縫，骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合。自愈合混凝土就是模仿生物組織，對受創傷部位自動分泌某種物質，而使創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（如含有黏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系統，模仿動物的這種骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理。采用黏結材料和基材相復合，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，以東北大學三橋博三教授為首的日本學者將內含黏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生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，黏結液流出并深入裂縫。黏結液可使混凝土裂縫重新愈合。

二、智能混凝土研究現狀和應注意的問題

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化形式。因此有人也稱之為機敏混凝土。然而這種功能單一的混凝土并不能發揮智能混凝土作用，人們正致力于將兩種以上功能進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、自調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行排列，以實現混凝土結構的內部損傷自診斷、自修復和抗震減震的智能化。

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，如果投入實際工程，還有很多問題需要進一步研究。如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的優排布方式；自愈合混凝土的修復黏結劑的選擇；封入的方法以及愈

合后混凝土耐久性能的改善等。

為促進智能混凝土研究工作的順利開展，有必要就以下幾點達成共識。

1.開發應有針對性。所謂針對性就是要針對混凝土性能發生惡化和結構發生破壞等現象，考慮不同的智能方法。如針對這些現象，設想開發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，從而開發出相對適應的方法是必要的。

2.實施中應具有可行性。澆注混凝土多在施工現場進行，因而作為智能混凝土的施工方法，對其技術與工藝要求不能過高，應以原有工藝為基礎開發相應的較為簡單的方法。選用的材料應具有化學穩定性，要有利于安全使用，不揮發任何有刺激的氣味和其他有害物質，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，但也會帶來負面作用。如由于使用了某種材料雖然能對某種惡化現象進行控制和改善，但是否會對強度等其他性能有所影響，所有這些正反兩方面的問題都必須在判斷和設計時進行綜合考慮和權衡。

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