土木工程中智能材料的應用研究與發展

周 成 峰

(建發房地產集團長沙有限公司，湖南 長沙 410000)

·建筑材料及應用·

土木工程中智能材料的應用研究與發展

周 成 峰

(建發房地產集團長沙有限公司，湖南 長沙 410000)

針對智能材料的特點，詳細介紹了光導纖維材料、形狀記憶合金、壓磁材料、碳纖維混凝土、壓電材料等智能材料的基本特征，在分析了各智能材料的優勢后，重點分析了智能材料在土木工程結構中的應用現狀,并根據相關研究成果，對智能材料發展過程中存在的問題做了闡述，并就智能材料未來的研究及發展前景提出了幾點建議。

智能材料，土木工程，混凝土，應用前景

0 引言

材料技術的快速發展，使得越來越多的高新技術被運用到工程材料的研發中，各種新型材料層出不窮，以復合材料為基礎發展而來的智能材料，為解決相應材料的力學問題提供了科學牢靠的途徑。作為有著多學科交叉背景的綜合學科，智能材料為土木工程中日益復雜的結構提供了實現的可能性，因此這一學科的研究也日益受到重視。

諸如大跨度橋梁、高層建筑、水利樞紐、海洋鉆井平臺以及油氣管網系統之類的基建設施，在其較長的使用期中，外界各種不利作用會使得組成這些結構的材料發生不可逆的變化，從而導致結構出現不同程度地性能衰減、功能弱化，甚至會誘發重大工程事故[1]。若是能將智能材料運用到這些超規模的工程結構物中，時刻能夠評定相應的安全性能、監控損傷，并智能修復，將為未來工程建設提供新的發展思路。

所謂智能材料，是指隨時能夠對環境條件及內部狀態的變化做出精準、高效、合適的響應，同時還具備自主分析、自我調整、自動修復等功能的新材料。受仿生學科的啟發，其目標是要開發出能運用到具體工程中、且類似于AI的各項功能，將無機材料變的有生命活力[2]。20世紀90年代初逐漸興起的智能材料結構系統，吸引了包括物理、化學、電子、航空航天、土木工程等領域的研究者涉足其中，取得的成果也極為豐碩。

1 智能材料的概念及特點

發源于“自適應材料”(Adaptive Material)，在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系統逐漸受到全世界各國官方機構的認可與重視，發展迅速。智能材料(Intelligent Material，IM)，當前沒有一個明確的定義，不過大體上，都是根據功能做出相應的定義，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，具有不可限量的未來前景。

智能材料產生的背景決定了其所具有的獨特優勢，決定了其終將會帶來材料科學的重大革新。通常而言，智能材料主要有以下七大功能：

1)傳感：能夠對內外部的作用進行監控與鑒別；

2)反饋：將監控獲取的信息進行傳輸以及反饋；

3)信息識別與積累：識別并記憶反饋來的信息；

4)響應：對內外部的變化做出靈活有效的反應；

5)自診斷：對內外部信息實施自行診斷、分析、評判等；

6)自修復：依特定的方法修復系統的故障；

7)自適應：待外部作用消失后可恢復原狀。

當然，在具體的工程中，若要實現這么多的功能，僅僅依靠單一材料肯定是無法實現的，因此通常情況下都是通過多種智能材料的組合才能達成目的。

2 智能材料在土木工程結構中的應用

2.1光導纖維

光纖維的主要化學成分為二氧化硅，作為信息傳遞的絕佳介質，有著其他任何材料無法比擬的傳導能力。材料主要由內層圓柱形透明介質和外層圓環形透明介質組成，內層為纖芯，外層為包層。內外層折射率的差異能夠保證攜帶信息的光在纖維里面能量損失少，傳輸距離大。

將光纖維植入到混凝土結構中，制成光纖維混凝土結構。當混凝土結構因外部因素的變化而產生變形時，植入混凝土結構中的纖維也隨之發生變化，進而導致纖維中的光發生改變，相應的傳感器能夠直接獲取變化，從而間接確定混凝土結構的各種性能變化，實現對結構的全方位監測，為工程的可持續性提供技術指導。并且，分布監控的模式可保證混凝土結構任何部位的改變均能被監測到，相當于在混凝土結構中創造了一個全覆蓋、光角度、無死角的監測網絡，兩者組合而成的光纖維混凝土可以認為是一種具有強大自我調節的智能材料。

當前，光纖維混凝土結構主要的工程應用包括：混凝土的溫度及溫度應力監測、混凝土結構裂縫的監測與診斷、混凝土結構強度與變形監測、與混凝土結構配合的鋼索應力和變形監測等。

2.2形狀記憶合金(SMA)

何謂記憶合金，顧名思義，材料具有形狀記憶能力。當材料的形狀被改變后，其內在的記憶效應可被激發出來，進而自動產生回復應力與應變，驅使材料恢復原狀。同時，合金材料能夠傳輸能量并實現能量儲存。

鑒于此，工程中可將記憶材料安置在結構中，當結構出現變形、裂縫、損傷以及外界動荷載影響時，大部分的能量可被記憶合金材料消耗掉，極大地提高了結構的穩定性，若將材料運用到多震地區的建筑結構中，則會實現對地震能力的吸收與耗散，極大的提高建筑物的抗震性能，此舉屬于材料的智能被動控制。

形狀記憶合金材料所具有的相變超彈性，使得其可以用來制作耗能阻尼器，這種阻尼器實現了智能被動控制[3]。同時，由于其相變會引起超彈性滯回環的產生，使得材料具有極高的抗疲勞性[4]，以此為基礎制作的阻尼器使用周期遠勝于普通的阻尼器，實現了結構品質的大幅度提高。

2.3壓磁材料

土木工程領域，常規的壓磁材料主要包括磁流變材料和磁致伸縮智能材料等。

在外部磁場作用下，磁流變液懸浮體系的黏彈塑性會發生明顯的變化，并且這種變化是可逆的[5]。當外部磁場超過一定強度后，磁流變也會在極短的時間內變成固態，微觀上表現為材料的分散相顆粒沿著磁場方向結成了鏈狀結構。

磁流變液介于液體與固體之間的這種獨特的可變屬性，以及對這種特性實施控制時耗能低、變化范圍廣、成本低等特性，使得磁流變液成為工程結構中作動器件的重要材料[6]。當前，磁流變液主要被應用到元器件的控制橋路以及電源的高速開關等多個領域。且磁流變液在土木工程領域的應用主要集中在高層建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度結構等。

同時，有著高磁致伸縮效應的磁致伸縮智能材料，可以保證材料在機械與電磁之間進行可逆轉換，因此具有廣闊的應用前景。

2.4碳纖維混凝土材料

工程中混凝土的作用范圍很廣泛，因此對混凝土材料的改善也日益得到科研人員和工程從業者的支持，碳纖維混凝土的產生正是這一領域發展的重要產物，在混凝土中摻加一定比例的碳纖維，可賦予混凝土材料以驅動功能和本征自感應。作為一種高強度、高彈性、大導電性的材料，碳纖維的加入能極大地改善混凝土的強度與韌性，并且碳纖維之間會形成具有電阻的導電網絡，從而在材料中起到阻隔導電的勢壘，大大降低混凝土材料的電阻率，從而使得材料的導電能力得到數量級上的顯著變化[7]。不可忽視的是，這種混凝土的電導率與溫度及應力的變化表現出規律性的響應[8]。

同時，碳纖維混凝土在溫度上表現為溫度變化造成電阻的變化，并且材料內部的溫差也會衍生出熱電效應，在電場的作用下碳纖維混凝土會產生熱變效應(熱效應與變形)。碳纖維的含量和混凝土材料的結構共同影響材料的溫敏性，當碳纖維的含量超過一定比例時，材料才有可能形成較為穩定的電動勢。

而碳纖維的摻入方式主要有兩種：短切亂向分布和連續碳纖維束單向增強。采取不同的摻入方式能使得碳纖維混凝土的力學性能得到不同程度的強化與提高，工程實踐表明：第一種方式更具有實用性。

2.5壓電材料

具有壓電效應的壓電材料，經常被用作驅動元件和傳感元件。當壓電材料受到外部因素作用時會因為其自身發生變形而產生電勢，而對材料再施加一定電壓時又會改變材料的尺寸，壓電效應由此而來。利用這一特點，壓電材料可用作傳感元件，通過壓電元件的變化來判斷元件所在位置處結構的變形量。與此同時，若能在壓電元件外部形成電場，進而對壓電元件內部的正負電子施加定向電場力，從而迫使元件發生變形，制成驅動元件。利用驅動元件，可改變材料的應力狀態，甚至會影響材料的結構變形。考慮到壓電材料的變化均在極短時間內完成，因此壓電效應主要適用于對結構振動的控制上。

3 智能材料的未來發展

3.1智能材料性能的發展

智能材料有著獨特的優越性能廣闊的發展前景，但是由于這一領域處于多學科交叉的研究前沿，所存在的問題也亟待深究：

1)形狀記憶合金的發現，改變了很多傳統理念，胡克定律在合金材料這里基本上不再適用了，其所具有的智能功能使得傳統的力學研究方法難以合理地解釋其內在的機理，因此需要研究者另辟蹊徑，從宏觀與微觀的角度重新去探究這種新材料的原理，建立一些實用性較強的理論和模型，以對具體的工程實際進行規范化的指導。

同時，當前形狀記憶合金還不完善，耗能高、功能單一等缺點使得其的實用性不強，能夠開發出低能耗、出力大、多功能的控制器則是未來研究的重要方向。

2)可以預見壓電材料將會成為工程結構中力學測量的首選感測元件，但是其存在的最主要的問題就是驅動力小，雖然已經有一些技術來彌補這一缺陷，但是對于大規模的土木工程結構而言，壓電材料并不能直接應用，復雜的理論分析、高難度的集成技術研發，以及壓電驅動器的開發技術和設計方法難度較大，都是制約壓電材料未來發展的瓶頸，是研究的難點、熱點和重點。

3)壓磁材料所面臨的問題是在長期的放置之后，會產生固體顆粒沉降，這種沉降對材料的穩定性有著怎樣的影響效應也需要更深入的研究。并且，其溫度適應范圍較小，若能夠拓寬溫度作用范圍，將使得壓磁材料有著更大的發展前景。

3.2智能材料研究難題

針對材料本身所面臨的問題主要有以上三種，而對于整個智能材料研究領域而言，未來在土木工程領域的應用研究主要有下列一些難題：

1)結構的健康監測與保養；

2)形狀自適應材料與結構；

3)結構減振抗震抗風降噪的自適應控制。

這些問題的進一步研究，將有助于工程質量的提高，降低工程災害性事故的概率，強化工程的安全可靠性，推動土木工程領域的高技術發展，為土木工程領域注入新的發展的動力與機遇。

[1] 曹照平,王社良.光纖傳感器在土木工程中的應用[J].南京建筑工程學院學報(自然科學版),2000(4):47-50.

[2] 張亞東.智能材料在土木工程中的應用研究[J].科技資訊,2011(30):49.

[3] 王社良,蘇三慶,沈亞鵬.形狀記憶合金拉索被動控制結構地震響應分析[J].土木工程學報,2000,33(1):56-62.

[4] 王社良,蘇三慶.形狀記憶合金的超彈性恢復力模型及其結構抗震控制[J].工業建筑,1999,29(3):49-52.

[5] Dyke S J,Spencer B F J,Sain M K,et al.Modeling and control of magnetorheological dampers for seismic response reduction[J].Smart Materials & Structures,1996,5(5):565.

[6] 歐進萍,關新春.磁流變耗能器及其性能[J].地震工程與工程振動,1998,18(3):74-81.

[7] 張其穎.碳纖維增強水泥混凝土復合材料的研究與應用[J].纖維復合材料,2001,18(2):49-50.

[8] 姚 武.高性能機敏混凝土的研究[A].新世紀海峽兩岸高性能混凝土研究與應用學術會議[C].2002.

Applicationanddevelopmentofintelligentmaterialsincivilengineeringstructures

ZhouChengfeng

(ChangshaLimitedCompany,JianfaRealEstateGroup,Changsha410000,China)

According to the characteristics of intelligent materials, we introduce the basic characteristics of material, including the shape memory alloy, the magnetic materials, the piezoelectric materials, the carbon fiber reinforced concrete and the fiber optic smart materials. In the analysis of the intelligent material advantage, we focus on the analysis of the application of intelligent materials in civil engineering structure. According to the research results, the problems in the development of smart materials are described, and some suggestions for the future research and development of smart materials are put forward.

intelligent materials, civil engineering, concrete, application prospect

TB381

A

1009-6825(2017)26-0116-03

2017-07-03

周成峰(1992- )，男，工程師