導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇智能混凝土，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

 

引言

現代材料科學的不斷進步與發展，促進材料的不斷創新與發展，混凝土作為最主要的建筑材料已逐漸向高強、高性能、多功能和智能化發展。然而混凝土結構在使用過程中由于受環境荷載作用、疲憊效應、腐蝕效應和材料老化等各種不利因素的影響，結構將不可避免地產生損傷積累、抗力衰減，甚至導致突發失穩破壞。為了有效地避免突發事故的發生，提高結構的性能，延長結構的使用壽命，就必須對此類結構進行實時的“健康”監測，并及時進行調節和修復。因此，研究和開發具有主動、自動地對結構進行自診斷、自調節、自修復的智能混凝土已成為混凝土發展的趨勢。

1.智能混凝土的定義

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。它能模擬生命系統，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環境變化因素產生感知，自動作出適時的靈敏和恰當的響應，并具有自我診斷、自我調節、自我修復和預壽命等功能。論文參考。

2.智能混凝土的分類

2.1 自診斷混凝土

自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應功能。由于普通的混凝土材料本身不具有自感應功能,所以需要在混凝土基材中復合部分其它材料使得混凝土具有自感應功能。目前常用的復合材料是碳類、金屬類和光纖等。

1） 碳纖維混凝土

碳纖維是有機纖維在惰性氣氛中經高溫碳化而成的纖維狀的碳化合物，具有重量輕、高強度，抗疲勞和阻尼特性好，耐高溫，耐腐蝕以及良好的導電性等優點。在水泥基材中添加少量的碳纖維，可以顯著增強其力學性能，改善其電學性能。碳纖維混凝土材料的電阻變化與其內部結構變化是相對應的，利用這一原理生產的混凝土，通過阻抗和載重之間的關系可確定公路上車輛的方位、重量和速度等參數，為交通管理的智能化提供了材料基礎。另外碳纖維混凝土除具有壓敏性外 ,還具有溫敏性，即溫度變化引起電阻變化（ 溫阻性） 及碳纖維混凝土內部的溫度差會產生電位差的熱電性效應。利用纖維混凝土的這種溫阻現象可以實現對大體積混凝土的溫度自監控，將來有望應用于有溫控和火災預警要求的混凝土結構中。論文參考。

2）光纖維混凝土

光纖維混凝土，即在混凝土結構的關鍵部位埋入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過程中內部應力、應變變化，并對由于損傷進行實時監測。當光纖維混凝土結構因受力或溫度變化產生變形和裂縫時 ,埋在混凝土中的光纖就會相應的產生變形 ,從而導致通過光纖的光的光波量發生變化，通過對光纖中反射光的信息進行分析 ,可以對裂縫進行定位。光纖維混凝土已經應用到實際中，如重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監測和蕪湖長江大橋長期監測與安全評估系統等。

3）納米混凝土

納米混凝土是將某各納米材料添加到普通混凝土中，從而使混凝土一種具有優異綜合性能和特殊功能的智能復合材料。納米材料比表面積大，因而容易極易團聚，有利于發揮其特殊的改性作用，但與此同時納米混凝土中易產生薄弱區，不利于混凝土的性能。因此，納米材料的粒徑大小應適中，制備時應做好控制使得其在基體中的均勻分布。納米混凝土具有應變感知性能，其機理可以基于隧道效應理論（由微觀粒子波動性所確定的量子效應）來解釋，混凝土內微小的應變就可導致較大的電阻變化。實驗表明對于摻納米微粒的從接觸導電理論和碳纖維的特性對其進行智能砂漿的水化產物結構均勻、質地密實、結合緊密、沒有明顯的結晶體、水泥石的微觀結構得到改善，故提高了混凝土的力學性能。

2.2 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、減緩結構振動。由于混凝土本身屬于惰性材料，必須復合具有驅動功能的組件材料,才達到自調節的目的。這種材料通常具有電力效應和電熱效應等性能。如形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。

1)形狀記憶合金

形狀記憶合金（SME）具有形狀記憶效應。論文參考。形成記憶合金通常由兩種以后金屬合成，當合金在高溫時發生定形，冷卻后存有殘余形變。再次加熱時，殘余形變消失，合金恢復到高溫時所具有的形狀。這就像合金記憶了高溫狀態的形狀一樣。將記憶合金埋入混凝土中, 利用形狀記憶合金對溫度的敏感性以及在不同溫度下恢復相應形狀的功能, 使得混凝土結構在受到異常荷載干擾時，混凝土結構內部應力發生重分布, 從而提高混凝土結構的承載力。

2）電流變體

電流變體（ERF） 也叫電場致流變體 。它是一種可通過外界電場作用來控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下, 電流變體可于迅速組合成鏈狀或網狀結構的固凝膠, 當外界電場撤去時,其可恢復其流變狀態。在混凝土中加入電流變體, 當混凝土結構受到臺風、地震襲擊時，混凝土土通過自動調整其內部的流變特性, 改變結構的自振頻率、阻尼特性，從而達到減緩結構振動，提高混凝土結構的穩定性和耐久性。

3.3 自修復混凝土

自修復混凝土是一種具有感知和修復性能的混凝土。自修復混凝土模仿生物機體受創傷后的再生、恢復機理，采有修膠粘劑和混凝土材料相復合的方法，對材料的損傷具自修復和再生功能。據此國內外學者們提出具有自修復行為的智能材料模型，即在材料的基體中布有許多細小纖維管道，管道中裝有可流動的物質（類似血管）——修復物質（類似血液）。當材料在外界各種因素的作用下,基體發生開裂，纖維管道發生破裂，其內修復物質流至裂縫處，發生化學反應從而實現自動粘聚愈合，提高開裂部分的強度，起到抑制開裂和修復材料的作用。1997年南京航空航天大學研究出就利用形狀記憶合金和液芯光纖對復合材料結構中的損傷進行自診斷、自修復。

3.研究現狀及發展趨勢

目前所研究的自診斷、自調節和自修復混凝土還只是智能混凝土研究的初級階段 ,它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，有人也它們稱之為機敏混凝土。目前人們正致力于將兩種以上功能進行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。在實際工程中仍存在著許多的問題需要解決。如對于自診斷混凝土，目前所制作的傳感器初始電阻率和應變感知性能存在一定的離散性，將影響對于小應變測量的準確性。對于自修復混凝土，其結構耐久性與混凝土的斷裂匹配的相容性、多次可愈合性、分布特性以及愈合的可靠性和可行性等一系列問題研究尚不完全。此外對于混凝土智能化所會帶來負作用，如復合的材料對混凝土強度、耐久性等的影響。因此實際工作中，對自能混凝土的利用應綜合考慮各種因素

參考文獻

1.李化建 ,蓋國勝等.智能混凝土.清華大學材料系粉體研究室, 2002 01

2. 劉鵬 ,賈平等.自修復混凝土研究進展.濟南大學學報(自然科學版).2006 04

3. 朱鈞,邢曉潔. 混凝土智能化發展方向. 科技創新導報. 2008 10

篇2

隨著現代材料科學的不斷進步，作為最主要的建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強、高性能、多功能和智能化發展。用它建造的混凝土結構也趨于大型化和復雜化。然而混凝土結構在使用過程中由于受環境荷載作用。疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素的影響，結構將不可避免地產生損傷積累、抗力衰減，甚至導致突發事故。為了有效地避免突發事故的發生，延長結構的使用壽命，必須對此類結構進行實時的“健康”監測，并及時進行修復。現有的無損檢測方法，如聲波檢測X射線及C掃描等，只能定性檢測，而不能定量、數據化處理，更主要的是不能實現實時監測。因而對結構內部狀態的監測和損傷估計還比較困難，甚至是不可能的。傳統的混凝土結構的維修方式主要是在損傷部位進行外部的加固，而對損傷的原結構進行維修比較困難，尤其是對結構內部的損傷修復更是非常困難。隨著現代社會向智能化的發展，這種停留在被動和計劃模式的檢測與修復方式已不能適應現代多功能和智能建筑對混凝土材料提出的要求。因此，研究和開發具有主動、自動地對結構進行自診斷、自調節、自修復、恢復的智能混凝土已成為結構一功能（智能）一體化的發展趨勢[1]

1智能混凝土的定義和發展歷史

智能材料，指的是“能感知環境條件，做出相應行動”的材料。它能模仿生命系統，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環境變化因素產生感知，自動作出適時。靈敏和恰當的響應，并具有自我診斷、自我調節、自我修復和預報壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎上復合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶，自適應，自修復特性的多功能材料。根據這些特性可以有效地預報混凝土材料內部的損傷，滿足結構自我安全檢測需要，防止混凝土結構潛在脆性破壞，并能根據檢測結果自動進行修復，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和記憶、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凝土材料還相當困難。但近年來損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現；為智能混凝土的研究打下了堅實的基礎。

1.1損傷自診斷混凝土

自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應功能，但在混凝土基材中復合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。下面主要介紹2種當前研究比較熱門的損傷自診斷混凝土。

1.1.1碳纖維智能混凝土

碳纖維是一種高強度、高彈性且導電性能良好的材料。在水泥基材料中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學性能也有明顯的改善，可以作為傳感器并以電信號輸出的形式反映自身受力狀況和內部的損傷程度。將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知內部應力、應變和操作程度的功能。通過觀測，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。碳纖維水泥基材料在結構構件受力的彈性階段，其電阻變化率隨內部應力線性增加，當接近構件的極限荷載時，電阻逐漸增大，預示構件即將破壞。而基準水泥基材料的導電性幾乎無變化，直到臨近破壞時，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內部的應力一應變關系。根據纖維混凝土的這一特性，通過測試碳纖維混凝土所處的工作狀態，可以實現對結構工作狀態的在線監測[2].在入碳纖維的損傷自診斷混凝土中，碳纖維混凝土本身就是傳感器，可對混凝土內部在拉、壓、彎靜荷載和動荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及損傷開裂進行監測。試驗發現，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應變傳感器，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應變片。在疲勞試驗中還發現，無論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，研究人員決定阻抗和載重之間的關系，由此可確定以自感應混凝土修筑的公路上的車輛方位、載重和速度等參數，為交通管理的智能化提供材料基礎。

碳纖維混凝土除具有壓敏性外，還具有溫敏性，即溫度變化引起電阻變化（溫阻性）及碳纖維混凝土內部的溫度差會產生電位差的熱電性（Seebeck效應）。試驗表明，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變化的實時監控；也可以實現對大體積混凝土的溫度自監控以及用于熱敏元件和火警報警器等可望用于有溫控和火災預警要求的智能混凝土結構中。

碳纖維混凝土除自感應功能外，還可應用于工業防靜電構造。公路路面、機場跑道等處的化雪除冰。鋼筋混凝土結構中的鋼筋陰極保護。住宅及養殖場的電熱結構等。

1.1.2光纖傳感智能混凝土

光纖傳感智能混凝土[3]，即在混凝土結構的關鍵部位埋人入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過程中內部應力、應變變化，并對由于外力、疲勞等產生的變形、裂紋及擴展等損傷進行實時監測。光在光纖的傳輸過程中易受到外界環境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等的變化而引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態的變化。因此人們發現，如果能測量出光波量的變化，就可以知道導致光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。于是，出現了光纖傳感技術。近年來，國內外進行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結構和建筑檢測這一領域的研究，開展了混凝土結構應力、應變及裂縫發生與發展等內部狀態的光纖傳感器技術的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進行監測和結構的長期監測。光纖在傳感器中的應用，提供了對土建結構智能及內部狀態進行實時、在線無損檢測手段，有利于結構的安全監測和整體評價和維護。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大Caleary建設的一座名為Beddington Tail的一雙跨公路橋內部應變狀態監測；美國Winooski的一座水電大壩的振動監測；國內工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監測和蕪湖長江大橋長期監測與安全評估系統等。

1.2自調節智能混凝土

自調節智能混凝土具有電力效應和電熱效應等性能。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，但因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，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。形狀記憶合金具有形狀記憶效應（SME），若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。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于擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結構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力。

電流變體（ER）是一種可通過外界電場作用來控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下，電流變體可于0.1ms級時間內組合成鏈狀或網狀結構的固凝膠，其初度隨電場增加而變調到完全固化，當外界電場拆除時，仍可恢復其流變狀態。在混凝土中復合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當混凝土結構受到臺風，地震襲擊時調整其內部的流變特性，改變結構的自振頻率、阻尼特性以達到減緩結構振動的目的。

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溫度的混凝土材料自身即可完成對室內環境濕度的探測，并根據需要對其進行調控。這種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：沸石中的硅酸鈣含有（3－9）X10－10m的孔隙。這些孔隙可以對水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對沸石種類進行選擇，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；水蒸氣壓力低的地方，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。

1.3自修復智能混凝土

混凝土結構在使用過程中，大多數結構是帶縫工作的。混凝土產生裂縫，不僅強度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等極易通過裂縫侵人混凝土內部，使混凝土發生碳化，并腐蝕混凝土內的鋼筋，這對地下結構物或盛有危險品的處理設施尤為不利，一旦混凝土發生裂縫，要想檢查和維修都很困難。自修復混凝土就是應這方面的需要而產生的。在人類現實生活中可以見到人的皮膚劃破后，經一段時間皮膚會自然長好，而且修補得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物組織，對受創傷部位自動分泌某種物質，而使創傷部位得到愈合的機能，在混凝土傳統組分中復合特性組分（如含有粘結劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經網絡系統，模仿動物的這種骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理。采用粘結材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，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。在日本，以東北大學三橋博三教授為首的日本學者將內含粘結劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結液流出并深人裂縫。粘結液可使混凝土裂縫重新愈合。美國伊利諾伊斯大學的Carolyn Dry在1994年采用類似的方法，將在空心玻璃纖維中注人縮醛高分子溶液作為粘結劑埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基礎上Carolyn Dry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，在其中加人多孔的編織纖維網。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。這樣便在纖維網的表面形成大量有機與無機物，它們相互穿插粘結，最終形成的復合材料是與動物骨骼結構相似的無機與有機相結合的材料，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智能混凝規究現狀和應注意的問題

前面所述的自診斷、自調節和自修復混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只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混凝土作用，目前人們正致力于將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、自凋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。

智能混凝土具有廣闊的應用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實際工程，還有很多問題需要進一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優排布方式；自愈合混凝土的修復粘結劑的選擇。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解決上述一系列問題將對智能混凝土今后的發展產生深遠的影響。為促進智能混凝土研究工作的順利開展有必要就以下幾點形成共識：

（1）開發應有針對性。所謂針對性就是要針對混凝土性能發生惡化和結構發生破壞等現象，考慮不同的智能方法，如針對這些現象，設想開發出一種能應對所有這些情況的手段是很困難的，因此，縮小智能化范圍，以某種功能為對象，從而開發出相對最適應的方法是必要的。

（2）實施中應具有可行性。澆注混凝土多在施工現場進行，因而作為智能混凝土的施工方法，對其技術與工藝要求不能過高。應以原有工藝為基礎開發相應的較為簡單的方法。選用的材料應具有化學穩定性，要有利于安全使用，不揮發任何有刺激的氣味和其它有害物質，并能大量應用而且成本較低。

（3）設計應具有綜合性。采用智能化，雖然可以提高材料的耐久性，但也會帶來負面作用。如由于使用了某種材料雖然能對某種惡化現象進行控制和改善，但是否會對強度等其它性能有所影響，所有這些正反兩方面的問題都必須在判斷和設計時進行綜合考慮和權衡。

篇3

1工程概況

德州至商丘高速公路聊城段位于山東省西部，縱貫山東西部地區。該公路在山東省“五縱四橫一環八連”高速公路網絡中是“一縱”及“一環”的重要組成部分。本項目的實施，既是貫徹落實山東省委省政府“突破菏澤，帶動西部”的經濟發展戰略部署的具體體現，也是進一步加快山東省高速公路網的形成、推進全省交通現代化建設的需要。此條高速公路是山東省第一條實施標準化建設的道路，要求標準高，質量嚴。這一項目在一定程度上加大了預應力混凝土橋梁工程的施工管理難度，因此要求建設單位以及監理單位根據《公路橋涵施工技術規范》中的相關規定進行預應力混凝土張拉與壓漿工作。并且在實際工作中還需要與技術經驗豐富的工作人員共同探討，從而保證工程的施工質量，避免因人為因素影響到工程的施工質量。

2預應力智能張拉系統

2.1預應力智能張拉系統的構成及工作原理

在橋梁工程施工過程中，智能張拉系統主要由主機、油泵、千斤頂三個部分構成。在其運行過程中，該系統主要是通過應力作為控制指標，然后采用其伸長量來控制其運行情況，這樣可以將誤差控制在可控的范圍之內。為了使系統能夠正常運行，我們還需要采用傳感技術作為控制系統采集其運行中的各種數據，然后對這些數據進行分析與判斷之后反饋給系圓通，從而實現智能張拉與壓漿工作，并對其誤差進行實時控制。在智能張拉系統中，主機的主要功能是接受并處理信息數據之后再將發出指令，從而控制每一臺設備的運行情況，完成橋梁工程預應力張拉工作。

2.2預應力智能張拉系統的技術特點

2.2.1施加應力時具有精確性

相對于人工張拉技術而言，智能張拉系統在施加應力的過程中可以降低其工作誤差，保證其精準性，便于工作人員的管理，提高工程的施工質量。

2.2.2可以及時對其伸長量進行校對，達到雙控的目的

在采用智能張拉系統的過程中，我們可以實時采集并計算鋼絞線伸長量，觀察其是否處于可控的范圍之內，避免因存在較大的誤差而導致工程出現質量問題，從而達到雙控的目的。

2.2.3預應力智能張拉系統在工作中達到對稱性與同步性

在橋梁工程施工中，我們只需要在其中設置一臺計算機就能夠對多臺千斤頂的工作進行統一控制，這樣也就能夠提高其施工效率，并且還能夠減小誤差，保證其施工質量。

2.2.4智能張拉系統在工作中可以降低預應力損失

通過計算機、遙感技術對智能張拉系統的控制，可以避免系統在工作中受到各種因素的影響，可以有效的提高其施工效率，達到工程設計的要求，降低在張拉過程中產生的預應力損失。

2.2.5實現遠程監控以及質量管理

在智能張拉系統運行過程中，技術人員可以通過計算機或者遙感技術對其實際施工質量進行全方位的監控，掌握其實際質量狀況，避免在施工中出現各種質量問題。

2.2.6試驗板張拉

本項目四合同聊城市公路工程總公司于2013年5月12預制了第一塊試驗板，王古路分離立交K157+672.5左3-2。7天后，混凝土強度達到設計強度的101%，進行了智能張拉，經檢測各項指標都達到預期要求。

3循環智能壓漿系統

3.1循環智能壓漿系統的構成及工作原理

循環智能壓漿系統主要是由主機、測控系統、循環壓降系統三個部分構成。其工作原理是：由于在循環智能壓漿系統中的管道進出口位置設置了一個傳感器，其主要作用是對其壓力進行全面的監測，然后再將這一監測數據直接傳輸到主機中，通過科學合理的判斷之后再對這一壓力值進行適當的調整，然后在一定數值的約束下達到壓漿的目的。這樣也就能夠保證其密實度，有效的解決了傳統壓漿技術難以克服的問題。

3.2循環智能壓漿系統的技術特點

3.2.1對施工材料水膠比進行精確的控制

循環智能壓漿系統在運行過程中，技術人員可以事先錄入相關信息，然后按照配合比自動控制其水膠比，使其達到施工的要求，提高工程的施工質量。

3.2.2實現一次性壓漿，提高工程的施工效率

在橋梁工程施工中，若與質量的跨徑小于50m，單孔長度不超過80m，那么我們可以采用循環智能壓漿系統進行一次性壓漿施工，這樣可以有效的降低工作強度，提高工程的施工效率，達到理想的施工效果。

3.2.3實現高速制漿工程，提高水泥漿液的質量

在循環壓降系統運行過程中，通過其中相應的設備可以將水泥、水、壓漿劑進行均勻的拌和，并且實現高速拌和的要求，通過這一工作也就達到了工程的施工要求，從而提高工程的施工質量。

3.2.4實現遠程監控

在循環壓降系統運行過程中，技術人員同樣需要采用一臺計算機進行合理的控制，這樣也就避免了工程受到人為因素的影響，并且對其運行的各個參數、指標進行全面控制，將其中的數據進行記錄并打印成報表，交給上級部門，使其對整個工程進行監控，以保證工程的施工質量。

3.2.5系統集成度高，簡單適用

系統將高速制漿機、儲漿桶、進漿測控儀、返漿測控儀、壓漿泵集成與一體，現場使用只須將進漿管、返漿管與預應力管道對接，即可進行壓漿施土。操作簡單，適用與各種預應力管道壓漿。

3.2.6漿液滿管路循環排除管道內空氣

管道內漿液從出漿口導流至儲漿桶，再從進漿口泵入管道，形成大循環回路漿液在管道內持續循環，通過調整壓力和流量，將管道內空氣通過出漿口和鋼絞線絲間空隙完全排出，還可帶出孔道內殘留雜質。

3.2.6試驗板壓漿

本項目四合同在預制梁場于2013年5月20日進行了第一塊試驗板智能壓漿。經檢測各項指標都達到預期要求。

4結語

在廠家技術人員的指導下，經過第一塊試驗板的預應力智能張拉和智能壓漿，發現預應力智能張拉與壓漿系統土作性能穩定，張拉與壓漿施土質量良好，工作效率很高，達到了較為理想的效果，為以后的施工打下了良好的基礎。

篇4

1.1行走液壓泵

行走液壓泵是攤鋪機的主要動力來源，其主要是利用發動機燃燒過程中所產生的熱能和動能，將這些能量轉化為壓力能，向液壓系統內提供壓力油，進而推動機械進行運轉。

1.2行走液壓馬達

該馬達屬于兩檔交變馬達，是將壓力油所提供的壓力能轉化為機械動能的重要結構，通過傳動軸的帶動，使得機械產生了行駛的動力，并將動力附加在驅動鏈輪上，實現了機械的整體運動。

1.3電液伺服閥

電液伺服閥是整個液壓動力控制系統當中的關鍵元件。當液壓系統的負載壓差達到一定程度時，電液伺服閥輸出壓力油流量和電流量呈正相關，如果輸入的電流是反向的，那么壓力油的輸出也必然是反向的。因此，攤鋪機的液壓馬達的轉動速度和運動方向都是由電液伺服閥的輸出流量來進行控制，使整個系統能夠被穩定控制。

1.4電磁溢流閥

電磁溢流閥是整個系統內的安全閥，主要被用來控制電-液系統所產生的壓力，使其保持在一個恒定的范圍之內，并對系統的最大輸出壓力值進行限制，保證系統能夠在安全的情況下運行，避免壓力過大損壞行走液壓系統。

1.5控制電路

攤鋪機的控制電路與其它機械的控制電路有著相同的作用，主要就是利用傳感器所發出的反饋信號向各結構進行傳輸。控制電路負責輸入指令信號，借助控制系統計算機的分析，對信號進行處理，并產生控制信號，進而操作攤鋪機的運行。

2瀝青混凝土攤鋪機行走液壓系統的工作原理

在攤鋪機的行走液壓馬達上設有速度傳感器，當液壓馬達開始運轉時，其轉速的信號就會被傳感器檢測到，并將其轉化為反饋信號發送到控制計算機當中，計算機接收到反饋信號后將其轉化為輸出信號，將相應的速度指令進行輸出，經過D/A轉換器將信號放大，進入到驅動電液伺服閥當中，通過伺服閥和電磁溢流閥來輸出和控制馬達的轉速和攤鋪機的行走速度。當所輸出的速度指令一定時，攤鋪機的驅動輪運轉速度就會恒定，而傳感器接收和反饋出的電壓信號則一定，使得計算機分析出的偏差電壓恒定，這樣就能夠保證瀝青混凝土攤鋪機能夠保證在一定的速度內進行恒速運動，使得瀝青和混凝土的澆筑均勻，保證路面施工質量。

3瀝青混凝土攤鋪機行走液壓系統的智能控制系統

攤鋪機本身屬于多系統所組成的耦合系統，其具有反應速度快、精密度高等優點，但授予電液伺服閥等結構會產生非線性參數，導致各類不確定因素影響系統的控制。因此，為了降低這些不確定因素所帶來的風險，可以利用智能控制理念當中的模糊控制來完善攤鋪機的行走液壓系統。模糊控制系統的核心是模糊控制器，其主要由三個環節構成，包括處理輸入信號的模糊量化環節、處理輸出信號的模糊控制算法功能環節、負責輸出模糊化控制信號的模糊判決環節。在構建模糊化控制器的過程中，最重要的就是將該系統的模糊控制算法建立起來，也就是制定模糊規則表，一般采用Mandani規則。在對控制量進行選取的過程中一定要注意防止超調，以系統穩定運行作為大前提。假設系統實際采樣的誤差量為e，則誤差的變化率為ec，而模糊控制規則為R，由此得出的模糊控制量u=e*R。該公式屬于合成規則，在應多不同變量的時產生的控制量公式為：un=e，通過該公式可以求得不同情況下的控制量，進而得出模糊集合，根據這一集合數據就能夠應對不同情況下系統的控制輸出信號，達到智能應對目的。

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0前言

進入二十一世紀以來，科學發展突飛猛進，現代材料不斷進步，日新月異。停留在被動和計劃模式的混凝土檢測與修復方式的建筑材料之一的混凝土已不能適應現代多功能和智能建筑對其提出的要求，高強、高性能、多功能和智能化已經逐漸成為混凝土發展的趨勢。因此，我們必須積極研究和開發具有主動、自動地對結構進行自診斷、自調節、自修復、恢復的智能混凝土，保證建筑物的結構一功能（智能）一體化。

1智能混凝土的定義和發展歷史

通常情況下，我們把“能感知環境條件，做出相應行動”的材料稱為智能材料。與普通材料不同的是雖然它不具有現實意義上的的生命形式，但是它具有感知和激勵雙重功能，能對外界環境變化因素產生感知，自動作出適時、靈敏和恰當的響應，并具有自我診斷、自我調節、自我修復和預報壽命等功能。換句話來說它能模仿生命系統，具有自感知和記憶，自適應，自修復特性的多功能，它保留了混凝土原有組分同時復合了智能型組分。

智能混凝土優點很多，諸如：有效地預報混凝土材料內部的損傷；自我檢測結構的安全性，防止混凝土結構潛在脆性破壞；自動進行修復，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝土集自感知和記憶、自適應、自修復等多種功能于一身，缺一不可。但是以當前科技發展水平，設計完善的智能混凝土材料還相當困難。但近年來損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現，為智能混凝土的研究打下了堅實的基礎。

1.1 損傷自診斷混凝土

普通的混凝土材料本身不具有自感應功能，但如果在混凝土基材中加入了其它材料，就使混凝土本身具備了本征自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中碳類、金屬類和光纖比較常用。現在社會上主要有2種研究比較熱門的損傷自診斷混凝土：碳纖維智能混凝土、光纖傳感智能混凝土。損傷自診斷混凝土的自感應功能包括壓敏性和溫敏性等。

1.2自調節智能混凝土

混凝土常常承受的偶然荷載包括：臺風、地震等。人們往往希望混凝土在承受這些荷載時，能夠調整承載能力和減緩結構振動。但是混凝土本身是惰性材料，無法實現這一功能。自調節智能混凝土應運而生，它同時具有電力效應和電熱效應等性能。所謂的自調節智能混凝土是在它內部復合具有驅動功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。這種材料具有形狀記憶效應，舉例來說，若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。因此當在混凝土中埋入形狀記憶合金時，可以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于擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結構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力。

一些建筑，如各類展覽館、博物館及美術館等，通常對其室內的濕度有嚴格的要求。為達到這一目的，可以布設許多濕度傳感器、控制系統及復雜的布線等。然而其成本和使用維持的費用都較高。日本學者研制了一種自動調節環境溫度的混凝土材料。這種混凝土材料中的關鍵組分沸石粉帶來自動調節環境濕度功能。自身即可完成對室內環境濕度的探測，并根據需要對其進行調控。其作用機理為：沸石中的硅酸鈣含有（3－9）X10－10m的孔隙。這些孔隙可以對水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對沸石種類進行選擇，可以制備符合實際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；水蒸氣壓力低的地方，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。

1.3自修復智能混凝土

當混凝土承受荷載時，就形甚至出現裂縫。帶縫工作的混凝土，強度會降低。如果空氣中的CO2、酸雨和氯化物等通過裂縫侵人混凝土內部，將會使混凝土發生碳化，腐蝕混凝土內的鋼筋，這對地下結構物或盛有危險品的處理設施尤為不利，同時要想檢查和維修混凝土的裂縫是很困難的。像現實生活中可以見到人的皮膚劃破后，經一段時間皮膚會自然長好，而且修補得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合一樣，自愈合混凝土就模仿了這一生物組織。當遭受創傷時，可以自動分泌某種物質，而使創傷部位得到愈合的機能。能夠在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經系統的組分是混凝土組分中的具有復合特性的材料，它促使混凝土模仿動物的這種骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理。采用粘結材料和基材相復合的，使材料損傷破壞后，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。

日本的東北大學三橋博三教授為首的日本學者的研究成果中，把內含粘結劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，如果在外力作用下，混凝土發生了開裂，粘結液流出并深人裂縫。具有剛強度粘結力的粘結液可使混凝土裂縫重新愈合。

2智能混凝土研究現狀和應注意的問題

不管是自診斷、自調節復混凝土還是自修復混凝土，都處在智能混凝土的初級階段，還遠遠沒有達到智能混凝土的全部要求。它們只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，可以稱之為機敏混凝土。它們的功能單一，并不囊括智能混凝土的各種功能。隨著對建筑材料的不斷認識，人們正致力于將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。這種混凝土將集合自感應、自凋節和自修復組件材料等，并把原始混凝土作為基材，各材料之間依據結構需要排列，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。

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Abstract: Intelligent is a modern concrete building materials and modern technology to combine the product of a traditional concrete material development of the advanced stage. Recalling the history of the development of concrete intelligence and research and look forward to a smart concrete development trends and application prospects on the research should pay attention to.

Key words: smart concrete development

前言

隨著現代材料科學的不斷進步，作為最主要的建筑材料之一的混凝土已逐漸向高強、高性能、多功能和智能化發展。用它建造的混凝土結構也趨于大型化和復雜化。然而混凝土結構在使用過程中由于受環境荷載作用。疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素的影響，結構將不可避免地產生損傷積累、抗力衰減，甚至導致突發事故。為了有效地避免突發事故的發生，延長結構的使用壽命，必須對此類結構進行實時的“健康”監測，并及時進行修復。現有的無損檢測方法，如聲波檢測X射線及C掃描等，只能定性檢測，而不能定量、數據化處理，更主要的是不能實現實時監測。因而對結構內部狀態的監測和損傷估計還比較困難，甚至是不可能的。傳統的混凝土結構的維修方式主要是在損傷部位進行外部的加固，而對損傷的原結構進行維修比較困難，尤其是對結構內部的損傷修復更是非常困難。隨著現代社會向智能化的發展，這種停留在被動和計劃模式的檢測與修復方式已不能適應現代多功能和智能建筑對混凝土材料提出的要求。因此，研究和開發具有主動、自動地對結構進行自診斷、自調節、自修復、恢復的智能混凝土已成為結構一功能（智能）一體化的發展趨勢[1]

1智能混凝土的定義和發展歷史

智能材料，指的是“能感知環境條件，做出相應行動”的材料。它能模仿生命系統，同時具有感知和激勵雙重功能，能對外界環境變化因素產生感知，自動作出適時。靈敏和恰當的響應，并具有自我診斷、自我調節、自我修復和預報壽命等功能。智能混凝土是在混凝土原有組分基礎上復合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶，自適應，自修復特性的多功能材料。根據這些特性可以有效地預報混凝土材料內部的損傷，滿足結構自我安全檢測需要，防止混凝土結構潛在脆性破壞，并能根據檢測結果自動進行修復，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和記憶、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凝土材料還相當困難。但近年來損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現；為智能混凝土的研究打下了堅實的基礎。

1.1損傷自診斷混凝土

自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應功能，但在混凝土基材中復合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。下面主要介紹2種當前研究比較熱門的損傷自診斷混凝土。

1.1.1碳纖維智能混凝土

碳纖維是一種高強度、高彈性且導電性能良好的材料。在水泥基材料中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學性能也有明顯的改善，可以作為傳感器并以電信號輸出的形式反映自身受力狀況和內部的損傷程度。將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知內部應力、應變和操作程度的功能。通過觀測，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。碳纖維水泥基材料在結構構件受力的彈性階段，其電阻變化率隨內部應力線性增加，當接近構件的極限荷載時，電阻逐漸增大，預示構件即將破壞。而基準水泥基材料的導電性幾乎無變化，直到臨近破壞時，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內部的應力一應變關系。根據纖維混凝土的這一特性，通過測試碳纖維混凝土所處的工作狀態，可以實現對結構工作狀態的在線監測[2].在入碳纖維的損傷自診斷混凝土中，碳纖維混凝土本身就是傳感器，可對混凝土內部在拉、壓、彎靜荷載和動荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及損傷開裂進行監測。試驗發現，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應變傳感器，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應變片。在疲勞試驗中還發現，無論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，研究人員決定阻抗和載重之間的關系，由此可確定以自感應混凝土修筑的公路上的車輛方位、載重和速度等參數，為交通管理的智能化提供材料基礎。

碳纖維混凝土除具有壓敏性外，還具有溫敏性，即溫度變化引起電阻變化（溫阻性）及碳纖維混凝土內部的溫度差會產生電位差的熱電性（Seebeck效應）。試驗表明，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變化的實時監控；也可以實現對大體積混凝土的溫度自監控以及用于熱敏元件和火警報警器等可望用于有溫控和火災預警要求的智能混凝土結構中。

碳纖維混凝土除自感應功能外，還可應用于工業防靜電構造。公路路面、機場跑道等處的化雪除冰。鋼筋混凝土結構中的鋼筋陰極保護。住宅及養殖場的電熱結構等。

1.1.2光纖傳感智能混凝土

光纖傳感智能混凝土[3]，即在混凝土結構的關鍵部位埋人入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過程中內部應力、應變變化，并對由于外力、疲勞等產生的變形、裂紋及擴展等損傷進行實時監測。光在光纖的傳輸過程中易受到外界環境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等的變化而引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態的變化。因此人們發現，如果能測量出光波量的變化，就可以知道導致光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。于是，出

現了光纖傳感技術。近年來，國內外進行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結構和建筑檢測這一領域的研究，開展了混凝土結構應力、應變及裂縫發生與發展等內部狀態的光纖傳感器技術的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進行監測和結構的長期監測。光纖在傳感器中的應用，提供了對土建結構智能及內部狀態進行實時、在線無損檢測手段，有利于結構的安全監測和整體評價和維護。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大Caleary建設的一座名為Beddington Tail的一雙跨公路橋內部應變狀態監測；美國Winooski的一座水電大壩的振動監測；國內工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監測和蕪湖長江大橋長期監測與安全評估系統等。

1.2自調節智能混凝土

自調節智能混凝土具有電力效應和電熱效應等性能。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，但因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，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。形狀記憶合金具有形狀記憶效應（SME），若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。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于擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結構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力。

轉貼于

電流變體（ER）是一種可通過外界電場作用來控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下，電流變體可于0.1ms級時間內組合成鏈狀或網狀結構的固凝膠，其初度隨電場增加而變調到完全固化，當外界電場拆除時，仍可恢復其流變狀態。在混凝土中復合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當混凝土結構受到臺風，地震襲擊時調整其內部的流變特性，改變結構的自振頻率、阻尼特性以達到減緩結構振動的目的。

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溫度的混凝土材料自身即可完成對室內環境濕度的探測，并根據需要對其進行調控。這種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：沸石中的硅酸鈣含有（3－9）X10－10m的孔隙。這些孔隙可以對水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對沸石種類進行選擇，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；水蒸氣壓力低的地方，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。

1.3自修復智能混凝土

混凝土結構在使用過程中，大多數結構是帶縫工作的。混凝土產生裂縫，不僅強度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等極易通過裂縫侵人混凝土內部，使混凝土發生碳化，并腐蝕混凝土內的鋼筋，這對地下結構物或盛有危險品的處理設施尤為不利，一旦混凝土發生裂縫，要想檢查和維修都很困難。自修復混凝土就是應這方面的需要而產生的。在人類現實生活中可以見到人的皮膚劃破后，經一段時間皮膚會自然長好，而且修補得天衣無縫；骨頭折斷后，只要接好骨縫，斷骨就會自動愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物組織，對受創傷部位自動分泌某種物質，而使創傷部位得到愈合的機能，在混凝土傳統組分中復合特性組分（如含有粘結劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經網絡系統，模仿動物的這種骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理。采用粘結材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，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。在日本，以東北大學三橋博三教授為首的日本學者將內含粘結劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結液流出并深人裂縫。粘結液可使混凝土裂縫重新愈合。美國伊利諾伊斯大學的Carolyn Dry在1994年采用類似的方法，將在空心玻璃纖維中注人縮醛高分子溶液作為粘結劑埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基礎上Carolyn Dry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，在其中加人多孔的編織纖維網。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。這樣便在纖維網的表面形成大量有機與無機物，它們相互穿插粘結，最終形成的復合材料是與動物骨骼結構相似的無機與有機相結合的材料，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智能混凝規究現狀和應注意的問題

前面所述的自診斷、自調節和自修復混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只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混凝土作用，目前人們正致力于將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、自凋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。

智能混凝土具有廣闊的應用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實際工程，還有很多問題需要進一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優排布方式；自愈合混凝土的修復粘結劑的選擇。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解決上述一系列問題將對智能混凝土今后的發展產生深遠的影響。為促進智能混凝土研究工作的順利開展有必要就以下幾點形成共識：

（1）開發應有針對性。所謂針對性就是要針對混凝土性能發生惡化和結構發生破壞等現象，考慮不同的智能方法，如針對這些現象，設想開發出一種能應對所有這些情況的手段是很困難的，因此，縮小智能化范圍，以某種功能為對象，

從而開發出相對最適應的方法是必要的。

（2）實施中應具有可行性。澆注混凝土多在施工現場進行，因而作為智能混凝土的施工方法，對其技術與工藝要求不能過高。應以原有工藝為基礎開發相應的較為簡單的方法。選用的材料應具有化學穩定性，要有利于安全使用，不揮發任何有刺激的氣味和其它有害物質，并能大量應用而且成本較低。

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中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

引言

生物界經過億萬年的進化，已經形成了非常合理的生命結構，其各種優異的特性等優點令人嘆為觀止。如骨骼之間的連接既能滿足人體所需的受力要求，又能滿足靈活地運動要求。再如骨折后體液流入骨折后的縫隙之中能夠起到保護破裂面和促使破裂面愈合的作用。這些例子均是來源于人或動物自身。而自然界本身也存在許多可以讓我們借鑒的例子，如蜂巢和蜘蛛網等都具備相當合理的力學結構,見圖1-圖2。這樣的例子不勝枚舉，也賦予了我們在新事物研究中的新思路---即：在建筑物到智能建筑的歷程上沿用由機器到機器人的思路。

圖1 仿生學在工業實踐中的運用（一） 圖2 仿生學在工程實踐中的運用（二）

1 智能混凝土的概念

對智能混凝土的研究源于上世紀90年代，是建筑物智能化時代的要求。所謂智能混凝土即是具有自診斷、自調節或自修復等特定功能的一種新型混凝土。近年來的研究思路還主要圍繞在自診斷、自調節這個環節上，也有了較為可觀的研究成果如：1989年，美國的D.D.L.Chung發現將一定形狀尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，有可以使混凝土材料具自感知內部應力、應變和損傷程度的功能。日本學者發現采用加入天然沸石的方法制成的調濕性混凝土具有以下特點：其可通過溫度變化自行進行吸、放濕活動，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。通過大量的研究，該材料已應用于實際的工程當中。如日本月黑雅敘園美術館、東京攝影美術館以及成天山書法美術館等。

對于自調節，尤其是自修復上還存在較大的問題，主要問題是一直沒有一個解決思路或方向，而仿生學的引入為此提供了較為明確的思路，即以物擬人的思路。

2 仿生學在智能混凝土中的運用和發展

2.1 仿生學在智能混凝土中的運用

在現實生活當中，人的皮膚劃破后，經過一段時間能夠自然愈合；骨頭折斷后，若對接的好也可以很好地恢復。這些現象啟發了混凝土仿生科學工作者研制自修復混凝土。自修復混凝土就是在混凝土中摻人某些特殊的成分，如日本研發的內含粘結劑的空心膠囊和美國研制的空心玻璃纖維或液芯光纖，通過這些內摻成分模仿人體組織分泌的可以使得傷口愈合的物質以使混凝土材料在受到損傷時在一定的程度內自動愈合。

美國和日本學者分別在內置玻璃纖維管和空心膠囊內加入化學粘結劑，當裂縫出現時，玻璃纖維管和空心膠囊隨之破碎，隨之其內部的化學粘結劑沿裂縫流出遇到空氣立刻凝結。這樣不僅可以起到一定的粘和作用，減緩或停止裂縫的發展，還可以保護內部鋼筋，避免鋼筋銹蝕，消除后期隱患，如圖3所示：

圖3 裂縫自修復混凝土工作原理

我國的學者近年來也在自愈合混凝土的研究中獲得了一定的成果，如同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室曾將注入聚氨酯的空心玻璃管埋入40mm×40mm×160 mm 的水泥砂漿試件，并對構件進行三點彎曲試驗，通過加載使試塊產生微裂縫，導致修復纖維斷裂，釋放出的修復劑滲入基體內。再將試件再放回養護室中繼續養護，直至修復劑固化。最后再次進行三點彎曲試驗并對試件破壞過程進行檢測。檢測發現，增大加載后，修復部位并未開裂，裂縫出現在其他部位。這很有力地說明了不僅開裂的混凝土構件可以很好地自修復，而且自修復后的強度和韌性還略有提高。見圖4所示。除了上述結果外，還有學者在混凝土外面設計一層樹脂保護層，模擬動物的皮膚并使其具備相似的功能。

圖4 同濟大學三點彎曲試驗

2.2 仿生學在智能混凝土結構中的發展

出于實用性的需要，仿生智能的研究不能僅僅限制于在混凝土中的應用，事實上其在橋梁和建筑的其他方面的研究也已經開展了好多年，并基本形成體系，如圖5所示：

圖5 仿生智能混凝土系統

1 )主動自防護系統

模仿高級生命體身體的皮膚系統與免疫系統, 把結構物置于一個相對穩定、具備自主免疫、基本封閉的健康環境中, 提高結構的壽命。（如在橋梁結構表面涂環氧樹脂圖層，形成橋梁的“皮膚系統”，以抵抗外界侵蝕性介質的入侵。）

2 )自動修復系統

模仿生命體內分泌系統，在肌體破損時能自修復現象，實現混凝土結構出現細小裂縫時自動修復的功能。（如內置含有膠結劑的膠囊或纖維管的自修復混凝土，當出現裂縫時膠囊或纖維管破裂，“分泌物”膠結劑流出并對裂縫進行填充修補。）

3 ) 神經系統

如前面所提及的損傷自診斷混凝土就是利用結構變形引起的碳纖維的變形對其導電性的影響來監測混凝土的損傷問題。這其中，碳纖維就充當了神經系統的角色，使得結構具有自我感知能力。

4 ) 處理和控制系統

實現部分高級生命體的大腦功能。這個課題是仿生智能混凝土研究中的較為高層次的一個研究方向。其主要致力于使混凝土結構或橋梁結構能夠在出現問題的同時或在問題出現之前，能夠自行處理即將出現或已出現的問題。這個方面實際已有相應的運用，如在有限制的橋梁前的某一路段的公路下方埋置相應設備，其可自行識別超載或超高危險車輛，通過LED顯示器等設備發出警告或其他措施；在結構物較重要部位安裝相應設備，一旦出現超限的危險，立馬可以發出警報或采取措施的設備。這就如同我們的大腦指揮我們在危險時刻避險是一樣的。

3 對未來仿生智能混凝土發展趨勢的展望

對未來智能混凝土的研究應更加注重其“仿生”性。如在生命系統中，自愈合過程是通過物質補給和能量補給激發生長活性因子，促使其發揮作用來實現的。據此可以設計使摻人混凝土中的修復劑本身并不具有粘結基材的功能，但當與另外的物質（可以當作是生長活性因子）相遇時可反應生成具有粘接功能的物質，實現損傷部位的自動修復。Carolyn Dry曾在他的實驗中，采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，在其中加入多孔編織纖維網，在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出引發劑（當作是生長活性因子），引發劑與單聚物發生聚合反應生成高聚物，其在多孔纖維網的表面形成了大量有機及無機物質并互相穿插粘結形成了與動物骨骼結構相類似的復合材料。具有優異的強度和延展性、柔韌性等性能。在混凝土材料使用過程中，如果發生損傷，多孔纖維就會釋放高聚物，自動愈合損傷。

智能混凝土是智能化時代的產物, 它在對重大土木設施的應變監測、無損評估、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。智能混凝土材料作為建筑材料領域的高新技術, 為傳統建材注入了新的活力, 也提供了全新的發展思路。

參考文獻

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第一作者個人簡介

姓名：趙成功

出生年：1985年5月

性別：男

籍貫：陜西西安

篇8

自20世紀80年代中期智能材料的概念提出后，科研人員就將其引入建筑材料的加工中，于是就有了智能混凝土的誕生，其主要是指通過在水泥基中加入不同類型的纖維以使混凝土具有智能化功能。

1 碳纖維智能混凝土

碳纖維具有高強、高彈性模量、質輕、耐高溫、耐腐蝕和導電、導熱性能好等特點，在水泥基材中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強度和韌性，而且可以顯著改善其物理性能，尤其是電學性能。

1.1 導電性分析

由于碳纖維導電，因而由碳纖維之間未水化的水泥顆粒、水化產物、裂紋等形成勢壘，構成了一定的導電網絡。摻入的碳纖維在混凝土基質中出現相互關聯的帶電粒子通道，通過電極施加電場時，電子沿通道運動而具有導電性。因此，可將碳纖維混凝土作為傳感器并以電信號輸出的形式反映自身受力狀況和內部的損傷程度。當在水泥凈漿中摻加 0.5% 體積的碳纖維時，其作為應變傳感器的靈敏度可達 700 mV/V，遠高于一般的電阻應變片。基于這一特性，可開發碳纖維混凝土的智能化功能。

1.2 碳纖維混凝土的智能化

1.2.1 損傷自診斷

在疲勞試驗中發現，在拉伸或壓縮狀態下，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，可應用這一現象對混凝土材料的疲勞損傷進行監測。在碳纖維混凝土中，碳纖維在混凝土中的分散并不完全相互獨立。按滲流理論，分散相在分散體系中的濃度達到臨界點時，相互接觸的分散相構成了無限滲流集團。即在碳纖維混凝土中，隨碳纖維摻量增大，逐漸形成了纖維聚集團簇。團簇內纖維彼此連接，當碳纖維摻量大于臨界值時全部團簇形成滲流網絡，使導電率急劇上升。根據這一理論，當碳纖維束受力導致纖維絲斷裂時其導電性降低，而且其導電性降低的程度與斷裂的碳纖維的數量成正比，即與受力大小成正比，因而可以用埋入碳纖維的電阻變化，來監測混凝土及相關結構部件的受力情況和形變情況。在具體應用時，可以將碳纖維增強樹脂做成棒材，在加載作用下形變量增加導致材料電阻值增加，當電阻值急劇增加時，說明材料所受的應力已接近其臨界狀態，進一步加載會導致災難性破壞，因此這種材料能夠預測混凝土結構材料的壽命。

利用碳纖維復合材料做智能結構診斷，可用于：①防盜保護。將樹脂、碳纖維與玻璃纖維粘接成棒狀，并交叉成網狀，外面覆蓋混凝土，做成銀行的防盜保護墻體。強盜從任何一個地方鉆孔打洞，都會引起墻體的電學信號值的急劇變化，從而發出警報。②安全監測。將這種敏感碳纖維復合材料連接到高層建筑物的鋼筋混凝土結構上，可以監測高層建筑物的傾斜度、各個部位的形變量以及受力過大的部位。日本建造的 66 層綜合寫字樓中已使用這種碳纖維敏感材料，可以隨時掌握高層大樓內各個部位的受力情況，以提高大樓的使用安全性。

1.2.2 溫度監控與調節

碳纖維混凝土具有溫敏性，即溫度變化會引起電阻變化及碳纖維混凝土內部的溫度差會產生電位差的熱電效應。研究表明，其在最高溫度為 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；當水泥漿中每克水泥摻入 10 mg碳纖維時，其溫差電動勢極大值為 18 µV/℃，靈敏性較高。利用這一特性，可實現對建筑物內部和周圍環境溫度變化的實時測量，也可實現對大體積混凝土的溫度自監控以及用于熱敏元件和火警報警器等，可望用于有溫控和火災預警要求的智能混凝土結構中。

碳纖維在通電時能夠發熱，在含有碳纖維復合棒材或者短切碳纖維的混凝土中通電后，可使墻體表面的溫度提高 5 ～ 20 ℃。因此，可用埋入的碳纖維復合棒材加熱墻體以提高室溫，將其用于地下防空洞墻體或者圖書資料館的墻體，若所使用電壓低于 10 V，對人體不會造成安全危害；還可應用這一技術對混凝土路面、橋面和機場跑道等結構進行融雪化冰等，基于碳纖維混凝土的道路及橋梁路面的自適應融雪和融冰系統的智能混凝土研究已在歐美等國家和地區的寒冷地區展開，盡管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。

1.2.3 利用反射電磁波來導航

使交通系統智能化是交通運輸領域的一個發展方向。通過對高速公路上車道兩側的標記進行識別，電腦系統可以確定汽車的行駛線路、速度等參數。如果在混凝土中摻入0.5% 直徑為 0.1 µm的碳纖維微絲，則這種混凝土對 1 GHz電磁波的反射強度要比普通混凝土高 10 dB，且其反射強度比透射強度高 29 dB，而普通混凝土反射強度比透射強度低 3 ～ 11 dB。研究表明，碳纖維微絲經臭氧處理后再摻入混凝土中，不但能提高混凝土反射電磁波的能力，而且能提高混凝土的抗拉強度。采用這種混凝土作為車道兩側導航標記，可實現自動化高速公路的導航。由汽車上的電磁波發射器向車道兩側的導航標記發射電磁波，經過反射，由汽車上的電磁波接收器接收，再通過汽車上的電腦系統進行處理，即可判斷并控制汽車的行駛線路。采用這種混凝土作導航標記，其成本低，可靠性好，準確度高。另外，利用碳纖維混凝土的壓敏特性，還可以將碳纖維混凝土應用在橋梁上，對車輛的載重量實時監測，限制超重車輛的通行；用于高速公路可以實時監測車輛的速度、方向、承載量；與交通信號燈結合，可對車流進行實時智能控制。

1.2.4 自動排除混凝土中的堿性物質

當混凝土使用一段時間后，其中的堿性物質就會逐漸聚集，并向鋼筋表面移動，逐漸腐蝕鋼筋，導致水泥開裂。在含有碳纖維棒或者絲的混凝土兩端，施加高壓直流電，混凝土中的堿性物質會被導電碳纖維吸附，并向負極移動，最終移動到混凝土表面而被清洗干凈，從而增加混凝土構件的使用壽命。日本已陸續采用這種方法保護和維護一些國寶級文物建筑和海邊的建筑物。

1.2.5 監測水泥管道的漏水情況

在鋼筋混凝土管道的外壁內，平行于管道軸線，等間距地安置碳纖維敏感棒材，當碳纖維周圍水分增高時，其導電性會明顯增加，因而可以通過監測其電阻值的變化，來監測管道的漏水情況。

2 光纖智能混凝土

光纖是傳播光信息的纖維材料，主要成分以SiO2為主，一般是由折射率高的內芯和折射率較低的包皮涂料拉制而成。光線進入光纖的內芯后，在內芯和涂料界面處發生全反射，光線就在光纖內部傳輸。在混凝土結構的關鍵部位埋入光纖傳感器或其陣列，可探測混凝土在硬化以及受載過程中內部的應力和應變變化，并對由外力、疲勞等產生的變形、裂紋及擴展等損傷進行實時、在線無損監測，有利于結構的安全監測、維護和整體評價。

2.1 光纖傳感技術

光在光纖的傳輸過程中易受到外界環境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等的變化而引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態的變化。若能測量出光波量的變化，就可以知道導致光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。將光纖埋入混凝土中時，界面之間應具有良好的結合，兩個關鍵問題在于：光纖埋入混凝土中時，不會因為填充物及機械震動而受到損傷；在高堿度水泥糊劑的環境中，必須具有化學耐久性。為此，可采用以下光纖埋入方法：①由金屬保護管圍繞纖維，在埋入時，先將管子安放到位再將混凝土澆在上面，等澆灌操作完畢，將金屬管子緩慢移動，抽出離開內部的纖維，這樣可使水泥形成光滑界面；②有兩個金屬管在光纖兩端，光纖可在這兩段金屬套管中自由移動，金屬封裝應該采用與混凝土膨脹系數相匹配的材料制成，以使殘余溫度應力最小；③利用絕緣墊片將無殼纖維固定在鋼筋上，而墊片不影響混凝土與纖維之間的結合。

2.2 光纖混凝土對于內部裂縫的監測

光纖內傳輸的光存在輻射、吸收和輻射損耗，當光纖的空間狀態發生變化時，會引起光纖中的模式耦合，其中有些導波模變為輻射模，從而引起損耗即微彎損耗。在光纖直線段中以小于臨界角的角度傳播的光線，可因光纖的彎曲而使它們在纖芯與包層界面處的入射角加大，于是有一部分光便傳輸到包層中，使光纖中傳輸的光輸出強度減小，即產生微彎損耗，該損耗量可通過采用光功率計直接測量光纖光功率輸出。

當混凝土受外加荷載或溫度影響而產生裂縫時，跨越其間的傳感器將局部發生拉伸和剪切變形，從而使光纖在拉伸、剪切、橫向擠壓和鋼絲繩表面凹凸的綜合作用下產生微彎，引起該位置OTDR檢測信號的衰減，實現傳感。通過截面梁三點彎曲試驗驗證了該種傳感器對混凝土裂縫的識別效果。試驗結果表明，加載后，隨著梁撓度的增加，光強衰減量與梁撓度相關曲線呈較強的上升趨勢。說明傳感器對拉伸和剪切應變非常敏感。在曲線中有斜率突變處，表明此撓度時混凝土梁產生了微裂紋，且隨撓度增加裂紋隨之擴展至有新的裂紋生成。此現象說明，該傳感器對混凝土結構內部裂縫的產生、擴展識別效果顯著。

目前，光纖傳感器已用于加拿大Beddington Trail雙跨公路橋的內部應變狀態監測；美國Winooski水電大壩的振動監測；重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監測和蕪湖長江大橋的長期監測與安全評估等。

3 空心玻璃纖維智能混凝土

高強空心玻璃纖維強度高、剛度高、密度小，比強度、比剛度與實心玻纖相近，可用于建筑混凝土的自我修復。

3.1 自我修復原理

模仿生物組織能自動分泌某種物質使受創傷部位得到愈合的機能，通過在混凝土中復合特殊修補組分（如含粘結劑的空心纖維），形成仿生自愈合神經網絡系統，在混凝土遭到外力破壞產生裂紋時復合的特殊修補成分就會自動釋放并對混凝土產生修補作用。

3.2 玻璃纖維智能混凝土的自我修復

Carolyn Dry等用空心玻璃纖維存儲粘結劑埋入混凝土中，當混凝土結構受外力因素影響時，材料內部因應力改變而產生裂紋，使空心纖維產生破裂，修補液從纖維洞穴流向基質而固化，以修補瞬間產生的微裂紋。但將空心玻璃纖維埋入混凝土基體時，若埋入數量過多將降低混凝土的宏觀強度，若數量過少，如何保證空心玻璃纖維恰在混凝土的微裂紋產生處又是一個難題。而且，纖維管與基體的匹配性能、修補劑的粘接質量、裂紋的開裂機制等都會在不同程度上影響修補效果。另外在混凝土澆注過程中，埋入空心玻璃纖維將會增加施工復雜度，影響施工進度。因此，這種修補方式要想取得實際應用仍有許多問題需要解決。與此機理相同的還有空心微膠囊修復技術，但微膠囊混合得較為均勻，使得這種自修補方式具有更高的機敏性和適應能力。微膠囊與基體材料的匹配、微膠囊的摻入比例、修補劑的質量、裂紋的開裂機制等同樣會影響到自修復的效果。

4 結束語

智能混凝土的出現是智能化時代的要求，對于土木基礎設施應變的實量監測、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著重大的現實意義。作為建筑材料領域的高新技術，通過引入新型高性能纖維材料，智能纖維混凝土為傳統建材的發展注入了新的內容和活力，同時也進一步拓展了新型纖維材料的應用領域。

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篇9

Abstract: the intelligent material used in carbon fiber as the bridge structure, the application of carbon fiber concrete electric heating, electricity-force-effect, to improve the bearing capacity of the bridge and deformation capacity, open up the carbon fiber concrete application field, and for the bridge structure control and puts forward a new method of intelligent bridge, and for the new bridge development and strengthening old bridge is expanding a new road.

Keywords: carbon fiber concrete; Intelligent bridge; Improve the bearing capacity

中圖分類號：TU37文獻標識碼：A 文章編號：

1.引言

近年來國內外的橋梁研究者們都在努力探索新的具有自診斷和自修復的智能橋梁結構。健康監測系統等一系列的橋梁結構智能控制系統已成為近年研究的焦點，并已經取得了一些成就，光纖光柵傳感技術以及一些引入復合材料后具有機敏性的智能混凝土的應用與研究，為人類橋梁史的發展開辟了新的途徑。

智能混凝土是在混凝土原有組分基礎上復合智能型組分,使混凝土具有自感知和記憶，自適應，自修復特性的多功能材料。根據這些特性，可以有效地預報混凝土材料內部的損傷，滿足結構自我安全檢測需要，防止混凝土結構潛在脆性破壞，并能根據檢測結果自動進行修復，顯著提高混凝土結構的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和記憶、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凝土材料還有一定困難。但近年來損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相繼出現，為智能混凝土的研究打下了堅實的基礎。

本研究以國家自然科學基金項目為資助，以318國道湖北荊州一座急待改建小橋為依托工程，初步探討碳纖維混凝土智能材料在橋梁結構中的應用，取得了很好的應用效果。

2.實橋改造試驗方案

觀音垱橋是318國道上的一座小橋，該橋為(1×6.80)米鋼筋混凝土板橋，橋面總寬為14.10米，兩邊各有0.30米寬鋼筋混凝土路緣石，凈寬為13.50米。設計荷載為：公路Ⅱ級；公路等級：二級公路。由于該橋處于國道上，日交通量大，重載車日益增多，且使用已久，出現了橋面龜裂，主板出現大量裂縫，伸縮縫壞死，支撐梁損壞等病害。故對橋作如下改造、加固措施。

2.1 三片鋼桁架。鋼桁架用鋼δ22，Q235；焊條，E43型；焊縫厚6mm。

各桁架布置標高一致；在桁架入臺耳處的橋臺內預埋300×300×10mm鋼板，下焊4根φ8長100mm鋼筋，桁架與預埋鋼板焊接。

2.2 三個碳纖維混凝土短柱。短柱：C30混凝土，內摻含體積率1%的短切碳纖維。

短柱上下有兩電極，并將電線接上并外引至南側橋邊，電源為110V，短柱兩側粘好測溫度的線，并外引至南側橋邊；短柱4側打磨干凈，再涂兩遍酚醛樹脂；在短柱頂面上現灌托梁。

2.3 一個托梁。托梁：C30混凝土，8Φ16。

托梁構造如下：（1）N3為托架往下凸出部分內的鋼筋，每處4Φ16，與N1 ，N2綁扎，并于往下凸出部分50cm，內布4φ8@150箍筋。（2）托梁分兩次澆灌，南側托梁與梁板間預留2 cm間隙，北側托梁與梁板間預留1cm間隙，第一次澆筑路左幅（南側）705cm部分；待右邊公路行車后再灌右幅（北側）705cm部分。

2.4 更換梁板及橋面鋪裝。

裝應變片的空心板共5塊，布置在3個上和桁架之間，其中桁架上的板裝4塊應變片，另2塊裝2塊應變片。在安裝處先將鋼筋打磨光滑，讓應變片完全接觸鋼筋，涂上環氧樹脂，貼上應變片，綁上粘膠，然后用紗布一層層裹實，每裹一層涂上一層環氧樹脂；每塊板的應變線做上記號，并外引至南側橋邊。

3.碳纖維混凝土橋梁智能化方案與試驗

3.1 研究了組合結構體系

用桁架與梁組合，使梁跨中彎矩減少40﹪。

3.2 提出了三種智能材料在橋梁結構中的應用方案

（1）梁中CFRP混凝土層橋梁結構

圖1-1短切碳纖維混凝土梁

圖1-1所示結構在梁的下緣作成CFRP混凝土簿層如2cm，通過電極通電，CFRP混凝土層發熱升溫，從而梁上下緣產生溫差，超靜定梁就產生負彎矩和

上拱，這樣，梁彎矩和撓度分別下降54﹪和96﹪，但是耗電較大。

（2）桁架梁智能結構

如圖1-2所示結構的桁架與梁不直接接觸，在橋寬方向布置多片桁架，在各豎桿底端用聯系桿將桁架橫向聯系起來，用托梁（可用鋼筋混凝土構件）將各片梁（板）橫向托起，CFRP混凝土短柱緊挨桁架豎桿，置于聯系桿和托梁之間。短柱通電升溫就伸長，這就可智能化地向梁提供向上的力，從而減少梁的彎矩和橈度，效果分別達到73﹪和64﹪。

圖1-2. 桁架梁智能結構圖1-3. 斜撐梁智能結構

（3）斜撐梁智能結構

如圖1-3所示結果，斜撐支在橋臺（墩）上，CFRP混凝土短柱置于梁和斜撐之間并緊密接觸；CFRP混凝土短柱通電后，短柱伸長給梁頂力，所以梁的彎矩和橈度減少，效果都可超過90﹪甚至達到100﹪。

智能材料在橋梁中控制效果：CFRP層砼橋，彎矩下降54%，撓度下降96%；桁架梁智能橋，彎矩下降73%，撓度下降64%；斜撐梁智能橋，彎矩下降90%以上，撓度下降90%以上。

由此可見優良排序：斜撐梁智能橋、桁架梁智能橋、CFRP混凝土層橋

3.3 CFRP混凝土材料特性試驗

通過試驗獲得CFRP混凝土材料特性，主要為電—熱效應、導電性能、時間溫度關系、時間變形關系；

篇10

Artificial intelligent method for prediction of temperature field in mass concrete

Fang Ri-xing1Liu Yun-jie2

(1.TangShan CaoFei Dian ShiYe Port Co.,LTD TangShan, 063300;2. Tianjin Port Construction Company, Tianjin 300461)

Abstract: The temperature field of mass concrete is unsteady temperature field is affected by many factors, the heat conduction theory for solving the transient temperature field of tradition is very difficult. Using the BP neural network according to the characteristics of large volume concrete temperature field, a prediction model of L-M algorithm is proposed based on temperature field. The predicted results show that, the model has fast convergence speed, high prediction accuracy.

Keywords: Massive concrete; temperature field; artificial neural network; hydration reaction; LM algorithm

0．引 言

大體積混凝土一次澆筑量大，混凝土體積厚，導熱系數比較低，水泥水化產生的熱量不能及時散失，使混凝土內部溫度逐漸升高，造成較大的溫度梯度。如果不采取措施控制混凝土的溫度，混凝土就會開裂[1]。如果在施工以前能夠成功地對混凝土溫度場進行預測，可為設計、施工、采取溫控措施、防止混凝土開裂提供依據。這對于提高工程質量有重要意義。

但由于水泥水化過程中，系統的溫度、生熱率、熱流率、熱邊界條件等隨時間都有明顯變化。因此，采用傳統的熱傳導理論求解這種瞬態溫度場是非常困難的。本文探索性地采用BP 神經網絡，從混凝土結構出發，以結構尺寸及邊界條件、澆筑溫度、環境溫度、絕熱溫升、導溫系數作為輸入參數，混凝土內部溫度最大值和溫度梯度最大值作為輸出參數，采用LM(Levenberg-Marquardt)優化算法對學習樣本進行優化，建立大體積混凝土溫度場的預測模型，對溫度場進行預測。

1．大體積混凝土溫度場構成因素分析

用有限元分析軟件ANSYS對某大體積混凝土剪力墻進了瞬態溫度場分析，如圖1所示。

圖1某大體積混凝土墻瞬態溫度場分析

通過溫度場有限元分析我們可以看出混凝土內部最高溫度一般發生在結構物的中心位置。另外，如下五種因素對大體積混凝土溫度場有重要影響：

1．1混凝土的澆筑溫度

在絕熱條件下，混凝土內部的最高溫度，是澆筑溫度Ti與水泥水化熱溫升的總和。降低混凝土的澆筑溫度，亦就是相應地降低了混凝土內部的最高溫度，并減小了結構物的溫度梯度。

1．2混凝土的最高絕熱溫升

混凝土內部溫度升高的根本原因是水泥水化放熱。混凝土的最高絕熱溫升可由下式計算[3]：

式中，Tm為混凝土的最大絕熱溫升（℃）；

Wc為混凝土的水泥用量（kg/m3）；

為水泥的水化熱（kJ/kg）；

C為混凝土的比熱（kJ/kg•℃）；

為混凝土的容重（kg/m3）。

由于不同混凝土結構的水泥用量、水泥水化熱、混凝土容重、比熱等不盡相同。本文通過引入混凝土的最高絕熱溫升Tm作為大體積混凝土溫度場預測模型輸入參數之一，綜合考慮了不同混凝土結構的以上不同因素。

1．3邊界條件和結構尺寸[4]

混凝土建筑物中，廣泛適用的是第三類邊界條件，即假定經過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度和混凝土周圍介質溫度之差成正比，但第三類邊界條件在數學上處理比較困難。因此在分析中，對第三類邊界條件的處理，采用自真實邊界向外延伸一個虛擬厚度，得到一個虛邊界，如圖2所示，在虛邊界上混凝土表面溫度等于外界介質溫度。

圖2 混凝土結構表面虛厚度示意圖

如果混凝土的實際厚度為h，則在計算中采用的計算厚度為：

L=h+2d

式中L為混凝土的計算厚度（m）；

h為混凝土的實際厚度（m）；

d為混凝土的虛厚度（m）。而虛厚度d可近似地按λ/β來計算，即

d= K•H＝K•λ/β

式中λ為混凝土的導熱系數；β為混凝土模板及保溫層的傳熱系數；K為計算折減系數。β可按下式計算：

式中，為各種保溫材料的厚度（m）；為各種保溫材料的導熱系數(W/m•K)；βq為空氣層傳熱系數。

本文采用計算厚度：L=h+2d，把虛厚度同結構尺寸及保溫層導熱系數結合起來一并考慮。

1．4環境溫度

混凝土內部溫度升高的同時要向外部環境散熱降溫。第三類邊界條件假定經過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度和混凝土周圍介質溫度之差成正比。因此，環境溫度通過影響混凝土表面的熱流量來影響混凝土內部溫度場。

1．5混凝土導溫系數

混凝土的導溫系數表示混凝土內部熱量擴散特性，或表達混凝土內部溫度的變化速率。導溫系數h2(m2/h)可由如下公式計算[5]：

h2＝λ/Cγ

式中，λ(KJ/(mh℃))為導熱系數；C(KJ/kg℃)為比熱；γ(kg/m3)為混凝土容重。

本文通過引入混凝土的導溫系數作為大體積混凝土溫度場預測模型輸入參數之一，把混凝土的導熱系數、比熱及容重結合起來一并考慮。

2．BP神經網絡