[關鍵詞] 智能混凝土；電介質；極化

1　引　言

在實際設計中，為了保證建筑結構的可靠性，設計方案通常是建立在大大超過基本安全設計要求的基礎之上。即便如此，某些設計或人為因素造成的建筑失效仍屢屢出現。人們用光纖、壓電陶瓷等功能材料作為傳感器對建筑結構的力學狀況進行實時在線健康監測。然而這些傳感器件的傳感信號意義不易確定，設備環境要求高、安裝復雜、價格昂貴等問題，限制了這一技術的廣泛應用。發展一種能準確反映結構性能狀況，實時在線監控其健康狀況且成本較低廉，應用簡便的建筑結構力學狀況傳感系統成為當務之急。研究發現，混凝土具有電、磁、熱、力耦合特性，其自身的電、磁信號的輸出變化能夠反映其溫度和受力狀態的變化。但普通混凝土的這一特性較弱，人們通常要用一些方法以增強其耦合特性。我們把具有較強的電、磁、熱、力耦合特性，并能夠明顯反映出溫度、受力等狀態變化的混凝土材料或結構稱為智能混凝土。

2　已有研究狀況

1991年，Banthia等^[3]研究了不同碳纖維和鋼纖維增強水泥的電阻率特性，發現纖維能有效地增強混凝土的導電性。他們認為，其導電的原因是由于纖維之間連接成了一個連通的網絡。張躍等^{[4 ]}也于1992年發現，在混凝土中加入少量的短切碳纖維就能大大降低混凝土的電阻率。他們認為，這一現象可能是由智能混凝土中的電子通過分散在基體中的導電材料形成網絡，并通過隧道效應連通網絡的絕緣間隔進行傳導引起的。從1993年起，Chung等^[5-6]研究了碳纖維與鋼纖維混凝土的電阻率變化與加載的關系，發現二者成一定的近似比例關系，同時電阻率變化的部分不可逆性表明電阻率變化能夠反映材料結構的損傷。他們認為電阻率隨加載變化的原因僅僅是由于纖維與混凝土的接觸電阻增加(壓入)和減少(拉出)引起的。

毛起等人^[7]也研究了智能混凝土的壓阻特性。他們引用張躍等^[4]的解釋，并認為受壓時混凝土中的缺陷閉合，電子更易通過勢壘阻礙；壓力增大后，既有老裂紋閉合，又有新裂紋產生，在壓力一定范圍內變化不大，處于平衡狀態；壓力達到一定值后，新裂紋貫通擴展，導電網絡破壞，電阻迅速增大。

最近，Mingqing Sun^[8]等人發現，混凝土同時也具有壓電性，當對混凝土加4kN/s的力時，混凝土會產生幾個毫伏的電壓，并且素混凝土的壓電性優于含導電纖維的混凝土。他們認為這一現象可用固液界面雙層模型解釋:混凝土的孔洞中含有導電的電解液，電解液與固體形成固液雙層界面；一些電荷吸附在液體界面上，而相反的電荷吸附在固體界面上，故而造成了混凝土的壓電性。

與此同時，智能混凝土在其他領域的應用也正被廣泛探索，如電阻率隨溫度變化、電磁屏蔽、電加熱性能、溫差產生電壓等。

3　研究進展

前述研究只是在實驗基礎上獲得的感性認識，它們并不能從理論上真正認識智能混凝土外部熱力學表象的內部機理。作者用鋼纖維和銅纖維智能混凝土作了電阻率、電壓與拉伸、壓縮加載關系的初步試驗發現：

(1)在剛加上低壓直流電壓時，智能混凝土的電阻率很快達到一較小值，然后逐漸增大，同時增幅逐漸減小，過了很長一段時間(約兩個小時)智能混凝土的電阻率才穩定下來；而加高壓直流電壓時，電阻率很快達到與加低壓直流電壓最初時相同的電壓值，且不會變化；

(2)電阻率值與智能混凝土的尺寸、纖維的多少不成正比關系，分散性很大；

(3)鋼纖維智能混凝土的電阻率變化不受拉伸加載的影響，但與壓縮加載的壓力成比例；

(4)銅纖維智能混凝土的電阻率變化與加載成近似比例關系；

(5)材料損傷后，智能混凝土的電阻率不再變化；

(6)混凝土自身由于自極化，即使未受外作用也會產生幾十毫伏可測量的電壓，且電極反向后電壓也相應變為負值；

(7)智能混凝土加載后會產生電壓變化，并且電壓變化與壓力變化成一定比例關系。

到目前為止，沒有見到關于上述(1)、(2)、(6)三點的研究報道。

我們發現，智能混凝土的這些性質是一種典型的電介質性質，普通混凝土的電阻率很大，加導電雜質后，其電阻率產生了幾個數量級的變化；智能混凝土最初的電阻率是由絕緣層電容充電產生的，電容放電一段時間后某個時間表現出的電阻率是材料結構的電導電阻率。這一電導主要由導電雜質及表面濕度引起，材料結構由于極化而產生的感應電阻率在這一階段相對較小而不明顯；電容放電完畢并且混凝土極化完成后表現出的電阻率是材料的感應電阻率與電導電阻率之和(圖1)。

多且距離較近的預應力主、次梁，各梁內預應力筋張拉后對樓板產生的預壓應力已經能夠控制樓板的收縮變形裂縫，因此，新航站樓的樓板內沿縱向沒有配置通長直線的抗裂無粘結預應力筋。新航站樓的橫向(短向)各框架梁距離為15m，各梁內預應力筋張拉后對樓板產生的預壓應力尚不能有效控制樓板的收縮變形裂縫，故新航站樓的樓板內沿橫向配置了分布的通長直線的抗裂無粘結預應力筋。

4　小　結

在混凝土結構的構件內施加預應力能夠有效地控制變形和裂縫，但預應力混凝土構件在建筑整體結構中不能獨立存在，因此，設計預應力混凝土構件時，除分析計算配筋外，尚需進行大量的節點設計和構造設計。當建筑整體結構為非常規結構時，為實現整體結構設計目的，節點設計和構造設計尤為重要。本文以濟南遙墻機場新航站樓為例，分析介紹了超大平面、大跨度、圓柱框架結構大型公共建筑預應力樓蓋的構造設計特點，包括:預應力筋張拉長度、分段位置和張拉端及錨固端構造設計；預應力損失最大部位的構件抗裂構造設計；梁、柱節點布筋方式構造設計；集中荷載作用點抗彎剪構造設計；超長樓板的抗裂構造設計。這些設計方法僅是針對具體工程的具體方法，但可以提供給其它類似工程作為參考。

[參考文獻]

[ 1 ]GB50204- 92，混凝土結構工程施工及驗收規范[S].

[ 2 ]JGJ/T92-93，無粘結預應力混凝土結構技術規程[S].