智能混凝土在地下空間工程中的應用現狀*

孟 錚 李亦堯 李艷南 李景云 田云鵬 吳金花

（1.河北水利電力學院 土木工程系，河北 滄州 061000；2.河北省巖土工程安全與變形控制重點實驗室(河北水利電力學院)，河北 滄州 061000；3.滄州市巖土及地下工程安全與變形控制技術創新中心（河北水利電力學院），河北 滄州 061000）

混凝土是當代最主要的土木工程材料之一，傳統混凝土經歷了普通結構建材轉變為復合材料，再發展革新為功能材料，這一階段性成果，滿足了人類物質文明和現代建筑發展的需要?，F如今，新興科技與新型材料的日益發展，使得現代社會的交通、社區、工廠等各個組分向著更加智能化、便捷化發展?；炷敛牧现悄芑谕聊竟こ讨械膽眯枨笕遮咃@著。在土木工程領域，把現代技術融入混凝土，以達到相應強度和穩定性要求，這是現代混凝土的研究趨勢。地下空間工程作為土木工程中重要的組成部分，其特殊地位使得其對智能混凝土的需求也日益凸顯，基于地下空間工程的特點，論述了智能混凝土的特點及應用，介紹了智能混凝土在地下空間工程中的應用優勢，展望了其發展趨勢。

1 智能混凝土概述

智能材料是一種可以感應外界環境并做出相應響應的材料，可對周圍環境變化產生感知，并具有自我預警、自我診療、自我調控和自我修復等功能。智能混凝土是在普通混凝土原本的成分中添加新的組成材料，使其具備更多優良性能。它可以模仿生態系統，同時使普通混凝土具有自我適應和自我調整、自我修復等多種功能[1]。智能混凝土材料通過添加智能組分、外加劑等成分來調整常規混凝土材料中的不佳特性，更好發揮混凝土的性能優勢[2]。

智能混凝土屬于智能材料的重要組成部分，其興起發展可溯源到20 世紀60 年代，蘇聯科學家初次試驗以碳黑為導電組分，制成了水泥基導電復合材料[3]。1993年，在美國開設了關于新型智能材料研究與智能結構的工廠[4]。新型混凝土的發展是當代科技與建筑材料的相互a 融合，是傳統混凝土所無法比擬的，現有智能混凝土有損傷自診斷混凝土和自修復混凝土等。

損傷自診斷混凝土具有壓敏型和溫敏性等多種自感應功能，并能根據特定的感知做出相應的修復。普通的混凝土材料并無自我感知響應的功能?，F今建筑物中用的復合材料有陶瓷、碳、金屬和光纖等[5]。其中纖維狀碳化合物之一的碳纖維是通過有機纖維在惰性氣氛中高溫碳化而產出，其優點有質量低、強度高、抗疲勞性好、耐高溫性好、耐腐蝕性好及導電性好等。正因如此，溫阻性和壓敏性是碳纖維混凝土的兩個主要性質，其中溫阻性是混凝土內部溫差產生熱電性效應的原因，電阻隨著溫度的變化而變化。利用溫阻性這一性質可實現對大體積混凝土溫度自監控，在未來可能應用于對溫度有高要求的建筑物，如預防火災的混凝土結構中[6]。光纖混凝土在其結構中添加限位傳感器用來監測混凝土的碳化程度，并監測混凝土內部的應力和應變趨勢，對損傷混凝土進行實時監測[7]。

混凝土結構除承受上部恒荷載之外，還承受臺風地震等可變荷載的負荷。在承受自然災害等不可預料的荷載時，希望混凝土通過自我調節的功能來增大承載力，減緩混凝土結構的開裂與震動，自修復混凝土應運而生，它是一種具有自我調控和自我修復的新型混凝土。自修復混凝土是由水泥、水和粗細骨料等惰性材料按一定比例配合攪拌，經一定時間硬化而成，電流變體(ER)和形狀記憶合金(SMA智能元件)等[8]的添加組分使其具備自我驅動性能。自修復混凝土采用有修膠黏劑和混凝土材料相復合的方法，是模仿自然生物受到創傷后自我愈合的機理，以達到自修復功能。如美國伊利諾伊斯大學的CarolynDry[9]在20 世紀90年代通過修膠黏劑和混凝土材料相復合的方法，粘結劑使用縮醛高分子溶液，注入空心玻璃纖維中，隨后置入普通混凝土中使其具備復生、自恢復能力。

微膠囊自修復混凝土是一種新型的自修復材料，由于微膠囊是一種球形的載體，它可以在任意位置與潛在損傷接觸，并在外界環境刺激下將其中的膠凝材料釋放出來，可以提高修復的準確率，把修復材料存放在微膠囊中，對普通混凝土起到一定修補。膠囊的尺寸可以根據工程需要進行調整，把修復劑放入微膠囊中無疑是對膠凝材料得最好保護。但是，修復材料應當完好無損地包裹進膠囊里是關鍵。天津的圣工科技[10]發展有限公司利用微膠囊包裹瀝青再生劑及各種油料等，將其與瀝青成比例混合制備，以增強瀝青的自修復能力，達到延長瀝青老化和保護環境的效果。微膠囊自修復材料研發的新型瀝青產品可廣泛地應用于各類防水瀝青及公路橋梁瀝青、核電設備、軍事基地設施等特殊領域中。徐晶等[11]將細菌與含乳酸鈣和谷氨酸鈣的營養物質按照一定的配合比摻入普通砂漿試塊來達到自修復的目的。

2 智能混凝土應用現狀

自我調節和仿生是智能混凝土兩個非常重要的特點。智能混凝土可對建筑物的結構性能進行預先檢測，研究人員可根據檢測結果出具一系列報告，利用報告中的數據可以達到減少維護結構所需要的費用的目的。同時，智能混凝土還可防止因結構破壞而產生的嚴重危害。普通混凝土中常添加的組分有水泥、水、砂、石和化學外加劑，而智能混凝土中加入了新的組分，改善了混凝土的一些使用性能，同時加入了一些功能型、智能型的添加物，提供了現在倡導的節能、綠色生態等功能。因此，智能混凝土在建筑中有著非常實用的作用。

電堿屏蔽混凝土可以改善混凝土的使用性能，延長建筑物的使用壽命；調濕混凝土是在普通混凝土的基本組成條件下加入了納米組分的天然沸石粉，由于傳統的方法是采用溫度、濕度感應器調控室內溫度，因此，采用調濕混凝土能顯著降低建筑造價；透水混凝土具有良好的透水性，此外較大的透氣面積可以較好地控制環境的溫度和濕度，降低了城市熱島效應發生的頻率，為植物生長提供了良好的環境，地下水位有了較為持久的穩定[12]；抗菌混凝土是在普通混凝土原有組分的基礎上添加防止產生霉菌的納米組分材料，這樣即使在較為潮濕的環境條件下混凝土的功能也能得到很好的發揮[13]；凈水生態混凝土可以凈化水質，并提供生物棲息地，保證了凈化淡水資源和海水資源的同時也可以提供一定的景觀效果[14]；凈化空氣混凝土是在普通混凝土基本組分的基礎上加入二氧化鈦，這樣在有陽光照射和雨水沖刷時，危害空氣的物質將被分解，它的作用機理是形成光催化混凝土；再生混凝土是回收再利用廢棄的混凝土替代天然骨料，配制出新型混凝土，這種混凝土的出現大大減少了城市垃圾；溫度自監控混凝土可以對建筑內部和周圍進行溫度測量，大體積的混凝土尤其會因為溫度的急劇變化產生溫度裂縫，因此對大體積混凝土實施溫度監測是至關重要的。

3 智能混凝土在地下空間工程中的應用

當今，隨著我國越來越向城市化進程邁進，造成了土地資源緊缺，尤其是制約了城市的發展。于是，為有效緩解交通擁堵問題，人們將目光轉向了地下，尋求可以提高城市防災能力和改善地面環境的途徑。在未來，我們應學會科學利用地下空間，探求地下空間的新發展。受地質、水文等因素影響，地下工程施工環境十分復雜，較大的工程施工難度，較高的投資成本，對將來城區地下工程的施工提出了新的挑戰。相比于地上空間，地下空間有著其獨特之處：溫度恒定，絕熱和蓄熱功能良好；對于地震的沖擊、核輻射、放射性污染有較高的防護性；封閉功能容易得到滿足，具有良好的遮蔽性和隔音性；相對隔離的地下環境使地下空間溫度相對穩定。

舉世矚目的港珠澳大橋，作為一座跨海橋梁，施工難度大，高溫、高濕、多鹽的水下條件對混凝土的抗滲性、抗凍性、耐腐蝕性提出了挑戰。傳統的混凝土材料抗拉能力弱，易裂縫，為解決此問題，利用納米材料在納米尺度上做了改進，有機聚合物的加入可以促進硅酸鹽凝膠成網，這樣混凝土的抗拉強度也有了明顯的提高。在水凝膠單體中加入水泥基材料，大大提高了抗拉強度。有機與無機交混的納米復合材料可有效調節混凝土水化時釋放的熱量，有效改善混凝土使用中出現裂縫的情況，進而提高混凝土的持久性，延長混凝土的使用壽命。

北盤江特大橋應用了能自己流動均勻的機制砂自密實混凝土，相比于傳統的滾筒工具振蕩混凝土，這種智能混凝土保證了施工質量，機械設備運行更為高效，避免了橋梁空洞的問題。伊朗研制出一種在砂子和水泥的基礎上混合石英砂和各種纖維的超高性能混凝土，它不僅能抵抗較大的壓迫，而且更柔韌、耐用。

白鶴灘水電站右側地下洞室群體存在片幫、巖爆、崩塌、巖化、泥化、風化等問題，該工程采用了低熱硅酸鹽水泥混凝土，由于其具有放熱速率慢、強度增進速率慢等特點，可以減少開裂現象。此外，壩體澆筑的混凝土中還埋設了溫度傳感器和循環冷卻水管，冷卻水直接供應到溫度升高的地方，進行無死角地降溫處理。

4 總結與展望

相比于普通混凝土，智能混凝土具有更多優勢，智能混凝土可以對臺風、地震等做出監測和評估，并在建筑構件出現裂縫之后，可自行調節與修復，不僅提高建筑物的安全性，還大大增加了其耐久性。智能混凝土研究還處于初級階段，缺少在工程中的應用，尤其表現在智能元件與混凝土的連接性，修復混凝土的可靠性等，這為今后研究指明了方向。深入研究使智能混凝土更能適應當代需求，更能滿足工程需要，使建筑材料煥發出新的活力，將為國家節省大量建設成本，為建筑領域做出了卓越的貢獻。