摘要:智能混凝土是現代建筑材料與現代科技相結合的產物，是傳統混凝土材料發展的高級階段?；仡欀悄芑炷恋陌l展歷史和研究現狀，并展望智能混凝土的發展趨勢和應用前景。

   關鍵詞:智能混凝土；自感應混凝土；自調節混凝土；自修復混凝土

   混凝土作為最主要的建筑材料，經歷了漫長的從普通的結構材料———復合材料———功能材料的發展過程，而每一個發展階段都凝聚了時代科技進步的成果，并順應了人們物質和精神生活的需要。目前，隨著現代電子信息技術和材料科學的迅猛發展，促使社會及其各個組成部分，如交通系統、辦公場所、居住社區等等向智能化方向發展?；炷敛牧献鳛楦黜椊ㄖ幕A，其智能化的研究和開發自然成為人們關注的熱點。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機敏混凝土的相繼出現為智能混凝土的研究和發展打下了堅實的基礎。作為混凝土材料發展的高級階段，智能混凝土的研究和開發方興未艾，本文系統總結了近10年來智能混凝土的發展歷史和研究現狀，并對其今后的發展趨勢提出若干看法和設想。

   1智能混凝土的定義和發展歷史

   智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎上復合智能型組分，使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應、自修復特性的多功能材料。智能混凝土是智能材料的一個研究分支，其起源可追溯到本世紀60年代，當時蘇聯學者首先采用碳黑為導電組分嘗試制備了水泥基導電復合材料。80年代末，日本土木工程界的研究人員設想并著手開發構筑高智能結構的所謂“對環境變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。

   1993年在國家自然科學基金資助下，美國開辦了與土木建筑有關的智能材料與智能結構的工廠。然而，正如上面所述，智能混凝土材料是自感知和記憶、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，制備完善的智能混摘要:智能混凝土是現代建筑材料與現代科技相結合的產物，是傳統混凝土材料發展的高級階段?；仡欀悄芑炷恋陌l展歷史和研究現狀，并展望智能混凝土的發展趨勢和應用前景。

   1.1自感應混凝土

   混凝土材料本身并不具備自感應功能，但在混凝土基材中復合部分導電相可使混凝土具備本征自感應功能。目前常用的導電組分可分3類:聚合物類、碳類和金屬類，其中最常用的是碳類和金屬類。碳類導電組分包括:石墨、碳纖維及碳黑，金屬類材料則有金屬微粉末、金屬纖維、金屬片、金屬網等。如美國的D.D.L.Chung等在1989年首先發現將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入混凝土材料中，可以使材料具有自感知內部應力、應變和損傷程度的功能。通過對材料的宏觀行為和微觀結構變化進行觀測，發現水泥基復合材料的電阻變化與其內部結構變化是相對應的，如電阻率的可逆變化對應于可逆的彈性變形，而電阻率的不可逆變化對應于非彈性變形和斷裂。而且這種復合材料可以敏感有效地監測拉、彎、壓等工況及靜態和動態荷載作用下材料的內部情況。當在水泥凈漿中摻加0.5%(體積)的碳纖維時，它作為應變傳感器的靈敏度可達700，遠遠高于一般的電阻應變片。在疲勞試驗中還發現，無論是在拉伸或是壓縮狀態下，碳纖維混凝土材料的體積電導率會隨疲勞次數發生不可逆的降低。因此，可以應用這一現象對混凝土材料的疲勞損傷進行監測。通過標定這種自感應混凝土，研究人員能決定阻抗和載重之間的關系，由此可確定以自感應混凝土做的公路上車輛的方位、重量和速度等參數，為交通管理的智能化提供了材料基礎。

   含有碳纖維的混凝土還會產生熱電效應(Seebeck效應)。在最高溫度為70℃、最大溫差為15℃的范圍內，溫差電動勢E與溫差△t之間具有良好穩定的線性關系。當碳纖維摻量達到一臨界值時，其溫差電動勢率有極大值，且敏感性較高。因此可以利用這種材料實現對建筑物內部和周圍環境溫度變化的實時監控。

   將短切碳纖維加到混凝土中的額外費用將提高大約30%，但與粘貼或埋入傳感器的做法相比仍然非常便宜，而且除了自感應功能外，這種混凝土材料還可應用于工業防靜電結構、公路路面、機場跑道等處化雪除冰、鋼筋混凝土結構中鋼筋的陰極保護、住宅及養殖場的電熱結構等。此外，采用高鋁水泥和石墨、碳纖維等耐高溫導電組分可以制備出耐高溫的混凝土材料，用作新型發熱源。

   1.2自調節混凝土

   混凝土結構除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風、地震等自然災害期間，能夠調整承載能力和減緩結構振動。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。90年代初，日本建設省建筑研究所曾與美國國家科學基金會合作研制了具有調整建筑結構承載能力的自調節混凝土材料。其基本方法是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下，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土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能力。近年來，同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室也曾嘗試在混凝土中復合電粘性流體(一種在外界電場作用下可產生粘性、塑性和彈性等流變性能雙向變化的懸膠液)來研制自調節混凝土材料。利用電粘性流體的電—流變效應，在混凝土結構受地震或臺風襲擊時調整其內部的流變特性，改變結構的自振頻率和阻尼特性以達到減振的目的。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濕度的混凝土材料自身即可完成對室內環境濕度的探測，并根據需求對其進行調控。這種為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。其機理為:沸石中的硅鈣酸鹽含有3×10-10～9×10-10m的孔隙，這些孔隙可以對水分、NOx和SOx氣體選擇性吸附。通過對沸石種類進行選擇(天然的沸石有40多種)，可以制備符合實際應用需要的自動調節環境濕度的混凝土復合材料，它具有如下特點:優先吸附水分；水蒸氣壓低的地方，其吸濕容量大；吸放濕與溫度相關，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。這種材料已成功用于多家美術館的室內墻壁，取得非常好的效果。

   1.3自修復混凝土

   自修復混凝土是模仿動物的骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理，采用粘接材料和基材相復合的方法，對材料損傷破壞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。日本學者將內含粘接劑的空心膠囊摻入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下發生開裂，空心膠囊就會破裂而釋放粘結劑，粘結劑流向開裂處，使之重新粘結起來，起到愈傷的效果。美國伊利諾伊斯大學的Caro1ynDry在1994年采用類似的方法，所不同的是以玻璃空心纖維替代空心膠囊，其內注入縮醛高分子溶液作為粘接劑。在此基礎上，Caro1ynDry還根據動物骨骼的結構和形成機理，嘗試制備仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥(含有單聚物)為基體材料，其中加入多孔的編織纖維網，在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應引發劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應留下的水分參與水泥水化。因此，在纖維網的表面形成大量有機及無機物質，它們互相穿插粘結，最終形成的復合材料是與動物骨骼結構相似的無機有機相結合的復合材料，具有優異的強度及延性等性能。而且，在材料使用過程中，如果發生損傷，多孔有機纖維會釋放高聚物，愈合損傷。

   2智能混凝土的研究現狀

   前面所述的自感應混凝土、自調節混凝土和自修復混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只是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的作用，目前人們正致力于將2種或2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、自修復和抗震減振的智能化。

   當前較為典型的研究熱點是自診斷、自愈合智能混凝土材料。該材料是混凝土中埋入形狀記憶合金(SMA)絲和液芯光纖，從而在混凝土中形成密集分布的自診斷、自修復網絡。激光管發出的光通過耦合器進入液芯光纖，光纖的出射光由光敏管接收，通過數據采集處理系統顯示出混凝土內部損傷的位置、類型及程度，并且驅動控制電路工作，激勵局部SMA絲，產生局部壓應力，使損傷處的液芯光纖斷裂，膠液流出，對損傷處進行自修補。如果當混凝土結構內發生開裂、分層、脫膠等損傷時，激勵損傷處的SMA絲將產生壓應力，使結構恢復原有形狀，這將有利于提高對混凝土結構的修復質量。而且，當液芯光纖內所含的粘接劑流到損傷處后，SMA激勵時所產生的熱量，將大大提高固化的質量，使自修復完成得更好。

   同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室正在研究的仿生自診斷和自修復智能混凝土是模仿生物神經網絡對創傷的感知和生物組織對創傷部位愈合的機能，在混凝土傳統組分中復合特殊組分，如仿生傳感器、含粘結劑的液芯纖維等，使混凝土內部形成智能型仿生自診斷、自愈合神經網絡系統。當混凝土材料內部出現損傷時，仿生傳感器可以及時預警；當內部出現微裂紋時，部分液芯纖維破裂，粘接劑流出深入裂縫，使混凝土裂縫重新愈合，恢復并提高混凝土材料的性能。該智能復合材料的研究可實現對混凝土材料的能動診斷、實時監測和及時修復，以超前意識確保混凝土結構的安全性，延長混凝土構筑物的使用壽命。

   3智能混凝土的發展趨勢

   智能混凝土材料的研究經歷了初級階段和智能組裝過渡階段的探索后，正向著最終的智能階段發展，綜觀國內外該領域的研究趨勢可歸納為以下幾個方面:

3.1混凝土中智能組件的集成化和小型化

   智能混凝土是在現代材料科學的基礎上，進一步融入了信息科學的內容，如感知、辨識、尋優和控制驅動等。因此，智能混凝土在傳統材料中必須引入傳感元件、執行元件、信息處理元件等。而智能組件的集成化和小型化無疑將有利于與混凝土基材的更好復合。

   3.2開發智能控制材料

   控制材料是智能組件集成化的關鍵，神經中樞網絡控制材料不但為智能混凝土材料獲得實時動態響應、提供學習和決策功能，而且能夠對環境變化進行適應性調控，從而達到適應環境、調節環境、材料和結構健康狀況的自診斷和自修復等目的。因此，必須花大力氣探索和開發神經中樞網絡控制材料的模型，挖掘新的研究方法和新的制造工藝。

   3.3實現混凝土材料結構—智能一體化

   未來的智能混凝土材料既是高性能的建筑結構材料，同時又具有優異的智能特征，真正達到了混凝土材料結構—智能一體化的境界。并且具有多種完善的仿生功能，包括類似骨骼系統(基材)以提供承載能力，神經系統(內埋傳感網絡)提供監測、感知能力，肌肉系統(驅動元件)提供調整適應響應，免疫系統(修復元件)提供康復能力，神經中樞系統(控制元件)提供學習和決策能力。

   4結語

   智能混凝土是智能化時代的產物，它在對重大土木基礎設施的應變的實量監測、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極具重要性。而且在現代建筑向智能化發展的背景下，對傳統的建筑材料研究、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領域的高新技術，為傳統建材的未來發展注入了新的內容和活力，也提供了全新的機遇。通過對其基礎理論及其應用技術深入研究將使傳統的混凝土材料發展步入科技創新軌道，使傳統混凝土工業獲得新的、突破性的飛躍。