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智能混凝土(一)智能材料简介定义：智能材料(Smart/IntelligentMaterials)是指模仿生命系统、感知环境变化，并可实时改变自身的性能参数,作出人们所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合.又被称为智能材料系统(Smart/IntelligentMaterialSystem)它是20世纪60年代出现并于90年代迅速发展的新型功能材料在结构中复合智能材料可改善结构的性能、提高结构对环境的敏感度和自适应能力，从而可提高结构自身的“智商”智能材料的主要特点：具有感知功能具有驱动及响应环境变化功能能以设定的方式选择和控制响应功能具有反应灵敏的功能具有形状记忆功能应用于智能结构中的智能材料应具备三个基本要素：感知、处理、驱动智能材料的工作机制智能材料信息处理器判断与处理信息指令智能元件驱动材料结构改变材料结构的性态使材料结构适应环境感知压力应力温度电磁场腐蚀光材料因素一种水泥基智能材料0-3型水泥基压电智能材料0-3型水泥基压电智能材料组成图被极化的水泥基压电材料样品水泥基压电智能材料的工作原理0-3型水泥基压电陶瓷复合材料置入水泥砂浆中成为传感器=======0-3型水泥基压电智能材料性能0204060801001201401601015202530354045505560Ceramiccontant:70%(volume)polarizingvoltage:6500Vd33constantTime(day)Polarizingtime:2min30min120min0-3型水泥基压电智能材料极化性能—不同极化电压下d33与时间的关系0204060801001201401600510152025303540455055Ceramiccontent:70%(volume)Polarizingtime:10mind33constanttime(day)Polarizingvoltage:500V4000v6500v0-3型水泥基压电智能材料极化性能—不同压电陶瓷粉掺量下d33与时间的关系020406080100120140160510152025303540455055Polarizingvoltage:6500VPolarizingtime:10mind33constantTime(day)Ceramiccontent:(Volume)70%50%Experiments12Makingthesensors,method1CementMultiFac1Fac1ElectrodeElectrode传感器效应测试装置加载程序图0369121518212427050100150200250TimeLoadLoadingprocessFrequencyfixed传感器效应测试结果60708090100110120130140-26-24-22-20-18-16-14originaldataLowPassFilteroforiginaldatavoltage(mV)Time(sec)结果分析02468100510152025303540455055606570SlopePiezooutputamplitude~Loadinputamplitude(meantopeak)1.6KN=1Mpavoltage(mV)Input(KN)0.1Hz0.2Hz0.4Hz0.7Hz1.0Hz2.0Hz3.0Hz4.0Hz5.0Hz6.0Hz8.0Hz10.0Hz12.0Hz15.0Hz20.0Hz压电特性与频率的关系051015200510152025Data:Data1_BModel:BoxLucas1Chi^2=0.06947R^2=0.99883a39.08251±1.77687b0.04636±0.00289G(f)(mV/kN)Frequency(Hz)G1(f)BoxLucasfittingcurve05101520051015202530Data:Data1_CModel:BoxLucas1Chi^2=1.05274R^2=0.98565a27.26237±1.37027b0.1259±0.01284G(f)(mV/kN)Frequency(Hz)G2(f)BoxLucasfittingcurveResultsandAnalysis18CAsystem(Kistler)–Fac3inbeamAFac3sensorspecimenisembeddedintoasmallconcretebeamontheuppercenterposition,thereforeitisundercompressionduring4-pointbendingtest.振动试验(二)智能混凝土基体水泥、砂浆或混凝土复合智能型组分光纤材料压电陶瓷形状记忆合金电流变体碳纤维高分子材料等智能混凝土自自自感适修知应复功能预报混凝土材料内部损伤实现砼结构自身安全检测防止砼结构潜在脆性破坏实现材料及结构自动修复提高结构安全性和耐久性应用损伤自诊断混凝土自修复智能混凝土自调节智能混凝土温度自控智能混凝土反射与吸收电磁波的智能混凝土E0E0EE=01.损伤自诊断智能混凝土自诊断混凝土是指在普通砼中复合导电、传感器等其它材料组分使砼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,等主要种类：碳纤维智能砼光纤智能砼压电智能砼分别利用碳纤维、光纤、压电元件对电、光、振动等外界作用的敏感性实现混凝土的自诊断(1)碳纤维智能混凝土＋碳纤维智能混凝土受力－电阻特点混凝土等水泥基材料短切碳纤维（具有高强度、高弹性且良好的导电性能）电阻内应力弹性受力，电阻变化率随应力线性增加无损伤非弹性受力，电阻变化率随应力非线性增加有损伤接近破坏荷载作用，电阻变化率随应力突增断裂破坏碳纤维混凝土应力电阻关系碳纤维砼电阻率的变化可反映材料结构内部处于安全、损伤、破坏各阶段碳纤维砼具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能（即自诊断功能）工程应用材料结构在线损伤实时监测原理：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：在砼结构的埋入光纤传感器或其阵列，探测砼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光纤传感器钢筋钢筋混凝土简支梁将光纤传感器埋入钢筋砼中以测量砼微裂纹的引伸、发展规律(2)光纤传感智能混凝土P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砼中，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，从而实现砼材料结构的实时监测压电传感器钢筋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放大器测量系统动态荷载P(t)(3)压电智能混凝土压电传感器钢筋当砼构件承受静荷载、环境因素引起的砼材质变化、各种作用导致砼裂缝开展等情况，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）静态变化钢筋混凝土简支梁放大器测量系统静荷载作用P当此部分混凝土材质发生变化或发生裂缝的开展等，均对声波产生改变利用逆压电效应，在交变电压作用下，使压电元件产生声振动将声波信号转换为电信号，通过分析信号的改变来监测混凝土结构的损伤声发射声接收原理：在砼中内置充满粘结剂的空心纤维管、空心胶囊、多孔纤维网，当纤维管等受拉破裂后，粘结剂流入砼裂缝中实现自愈合内装缩醛高分子溶液粘结剂的空心纤维管，沿受拉向布置砼开始出现裂缝，但纤维管不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2.自修复智能混凝土荷载原理:在砼中复合具有驱动功能的智能材料(元件),可使砼具有自调节能力,以提高结构抗御地震、强风等各种环境作用的能力常见的驱动功能材料形状记忆合金（SMA）电流变/磁流变体（ER/MR）等承载力自调节混凝土梁外荷载作用形状记忆合金通电加热控制系统当混凝土梁受荷作用过大，控制系统自动通电使形状记忆合金受热产生（类似于预应力的）回复力，从而提高梁的承载能力3.自调节智能混凝土碳纤维具有热敏性和导电性，因而具有两个特性：热电效应:温度变化引起电阻变化(温阻性)及碳纤维砼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,实现监控砼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电热效应:利用碳纤维砼的导电性,对其施加电场,则在砼中产生热效应。可将碳纤维掺入砼中，制成碳纤维砼，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暖及融雪除冰，设备多、费用高、施工复杂路面局部采用碳纤维混凝土进行融雪除冰,设备少、施工简单路面局部采用碳纤维混凝土电源(三)需进一步研究的问题进一步研究各种智能砼的工作机理开发适合于智能砼的新型智能材料，为研制新的智能砼提供基础研发同时具有传感、处理、控制等多种功能的智能砼，提高其集成化程度开展智能砼材料—工程结构—智能体系的一体化研究，推动砼在工程中应用的进度开展现有智能砼材料及结构的优化设计研究，如光纤砼的光纤传感阵列的最优布置方式开展智能砼复合材料中各种材料组分之间相互作用的微观分析研究，建立相应的分析理论和分析方法开展智能砼材料及结构的实验研究，特别是将智能砼复合于结构中所进行的结构及体系的实验研究建立智能砼材料及结构的设计理论和设计方法