智能材料特征及其在土木工程中的應用

摘要：隨著人們對土木工程質量和使用功能的要求不斷提高，包括光纖、壓磁、壓電、記憶合金等各種智能材料在土木工程領域得到了廣泛的應用，有效解決了土木工程中結構構件的強度和剛度變化以及形變等問題，有關智能材料的研究越來越受到世界各國研究人員的重視。

關鍵詞：土木工程;智能材料;應用

1智能材料特征

目前智能材料作為一種新型材料，學術界對其還沒有一個統一的定義。但在現有的智能材料的各種定義中仍然是大同小異的。智能材料就是指具有感知環境（包括內環境和外環境）刺激，對之進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應的智能特征的材料。這種材料的獨特之處就是可以自我發現故障，自我修復，并且還能夠根據實際情況而作出相應的優化反應，發揮控制功能。總的來說，智能材料可分為兩大類：一類為嵌入式智能材料，它是指在基體材料中，嵌入具有傳感、動作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測外界環境給予的信息，控制處理器指揮和激勵驅動元件，執行相應的動作。另一類為材料微觀結構本身就具有智能功能，能夠隨著環境和時間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時性能自衰減的Inp半導體等。具有以下特征：

在土木工程建筑建設中，其所使用到的智能材料，一般具備以下幾個基本特征：自適應功能、自我修復建筑結構的功能、識別和積累信息的功能、相應功能、自診斷功能、傳感功能和反饋功能等。而目前在土木工程建設的過程中，所使用的智能材料主要具有以下特征：①智能材料能夠準確地感知外界環境，還能對環境中存在的刺激及其強度進行精準的檢測，如應變量、化學能、核輻射、熱能、光能及應力等;②智能材料還具備驅動功能，能夠適應外界的相應變化;③智能材料還能根據預先設計的方式，對自身進行相應的控制，并能夠對具體的方式進行相應的選擇;④智能材料還能快速地對外界的刺激進行反應，且這一反映非常恰當;⑤智能材料能夠在外界的刺激消失之后，以最短的時間、最快的速度恢復到最初的狀態。

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，植入砼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。

2.2壓電材料

在傳統的建筑結構中，一般應用的壓電體為集成式，其主要是通過傳感壓電的原件對建筑結構的振動模式和狀態加以感知，并根據其輸出的感知結果，來確定控制算法應輸入的壓電體，以實現結構振動的主動控制，這也是智能結構中展開壓電類研究與應用的前沿領域。目前，一些研究人員主要利用陶瓷壓電體作為加速驅動與傳感器，對控制主動振動及主被動阻尼在壓電層合結構中的問題進行相應的研究。近年來，隨著堆技術與壓電材料的不斷發展，促使智能材料中的壓電類材料的研究與應用也變得更加廣泛。目前，土木工程建設中應用的壓電材料，一般更注重健康監測、安全評定、控制靜變形能及主動控制噪聲等方面，并且取得了非常好的效果。

2.3形狀記憶合金

形狀記憶合金是具有形狀記憶效應的一種智能合金材料，在將其形狀改變后，在一定的條件下其形狀記憶效應可被激發出來，產生強大的回復應力和回復應變，同時形狀記憶合金也具備較強的能量傳輸儲存能力，因此在土木工程中可將其置于結構中，實現對結構的自我診斷、增加材料的韌性和強度等，在結構出現變形、裂縫、損傷以及受到外界振動影響時，較大部分的能量都可被形狀記憶合金吸收并耗散掉，因此增加了結構的安全可靠性，最常用的是利用其這一優點實現對地震作用的被動控制，工程實踐中，將形狀記憶合金安置于結構層間、底部或建筑物四角等受地震力作用較大部位，實現對地震能量的吸收和消耗。

2.4壓磁材料

在外界加磁場的影響下，磁留懸浮變液體系所具備的各種流變性質均能產生非常顯著的可逆變化。當臨界值低于外加場強時，這一變液就會從液體狀態快速轉變成固體狀態，同時利用顯微鏡進行觀察，可以看到：在磁場的作用下，這一變液的相分散顆粒能夠順著磁場的方向逐漸形成連狀結構。處于固體與液體之間的變液，其能夠結合自身的特點，即可逆性質、可控性質及快速性等，對流體的特性實時控制，但此時需要的能量較低，因而在土木工程建設的智能結構中，一般動器件所用的材料主要為磁流變液。同時，在土木工程建設領域，大跨度的橋梁、高層建筑及電視塔等結構，其所使用的壓磁材料，主要是用于半主動控制地震。另外，在壓磁材料的相關研究中，磁致伸縮的材料也獲得了社會的廣泛關注。這種智能材料的磁致伸縮功能非常強，機械能及電磁能之間能夠實現有效的逆轉換，因而在土木工程建設中具有十分廣闊的應用前景，這一智能材料主要適用于控制精密定位、聲吶系統、超聲大功率器件等各個建筑領域。

3智能材料未來發展趨勢

智能材料有著獨特的優越性能、廣闊的發展前景。在土木工程建設中，智能材料未來的發展趨勢主要表現如下：首先，對結構狀態進行實時檢測和監控，在土木工程建筑結構中，驅動元件及集成傳感的原件，能夠利用網絡對結構狀態進行實時監控，從而確保土木工程的基礎結構和設施的可靠性與安全性;其次，能夠對土木工程建設的結構形狀與材料進行自適應，這樣土木工程結構就能對運動進行承載和傳遞，同時還能對結構的特性進行檢測與改變;最后，能夠對抗震、降噪、抗風及減振等進行自適應控制。

4結論

智能材料作為一種具有相當廣闊應用前景的新興材料，正越來越受到重視。但由于土木工程結構十分龐大，因此，我們在評估鋼筋混凝土結構的強度以及建筑結構的完整性時，它們作為土木工程中一項很重要的技術，它們能對建筑結構的性能進行預先的檢測和作出相應的預報，這樣不僅可以減少結構的維護費用。

參考文獻：

[1]土木工程中的智能材料結構系統分析[J].李嘉興.農家參謀.2018（22）.

[2]淺談智能材料結構系統應用在土木工程中的研究[J].代永紅.城市地理.2017（20）.

作者簡介：張海軍（1975年6月-）男，本科，主要從事土木工程工作。