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土木工程智能材料的應用發(fā)展研究論文
0引言
隨著(zhù)材料技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高新技術(shù)被運用到工程材料的研發(fā)中，各種新型材料層出不窮，以復合材料為基礎發(fā)展而來(lái)的智能材料，為解決相應材料的力學(xué)問(wèn)題提供了科學(xué)牢靠的途徑。作為有著(zhù)多學(xué)科交叉背景的綜合學(xué)科，智能材料為土木工程中日益復雜的結構提供了實(shí)現的可能性，因此這一學(xué)科的研究也日益受到重視。諸如大跨度橋梁、高層建筑、水利樞紐、海洋鉆井平臺以及油氣管網(wǎng)系統之類(lèi)的基建設施，在其較長(cháng)的使用期中，外界各種不利作用會(huì )使得組成這些結構的材料發(fā)生不可逆的變化，從而導致結構出現不同程度地性能衰減、功能弱化，甚至會(huì )誘發(fā)重大工程事故。若是能將智能材料運用到對這些超規模的工程結構物中，能夠時(shí)刻評定相應的安全性能、監控損傷，并智能修復，則將為未來(lái)工程建設提供新的發(fā)展思路。所謂智能材料，是指隨時(shí)能夠對環(huán)境條件及內部狀態(tài)的變化做出精準、高效、合適的響應，同時(shí)還具備自主分析、自我調整、自動(dòng)修復等功能的新材料。受仿生學(xué)科的啟發(fā)，其目標是要開(kāi)發(fā)出能運用到具體工程中、將無(wú)機材料變得有生命活力。二十世紀90年代初逐漸興起的智能材料結構系統，吸引了包括物理、化學(xué)、電子、航空航天、土木工程等領(lǐng)域的研究者涉足其中，取得了豐碩的成果。
1智能材料的概念及特點(diǎn)
智能材料發(fā)源于“自適應材料”（AdaptiveMate-rial），在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系統逐漸受到全世界各國官方機構的認可與重視，發(fā)展迅速。智能材料（IntelligentMaterial，IM）當前沒(méi)有一個(gè)明確的定義，不過(guò)大體上都是根據功能做出相應的定義，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，具有不可限量的前景。智能材料產(chǎn)生的背景決定了其所具有的獨特優(yōu)勢，決定了其終將會(huì )帶來(lái)材料科學(xué)的重大革新。通常而言，智能材料主要以下七大功能：
�。�1）傳感：能夠對內外部的作用進(jìn)行監控與鑒別；
�。�2）反饋：將監控獲取的信息進(jìn)行傳輸以及反饋；
�。�3）信息識別與積累：識別并記憶反饋來(lái)的信息；
�。�4）響應：對內外部的變化做出靈活有效的反應；
�。�5）自診斷：對內外部信息實(shí)施自行診斷、分析、評判等；
�。�6）自修復：依特定的方法修復系統的故障；
�。�7）自適應：待外部作用消失后可恢復原狀。
在具體的工程中，若要實(shí)現這么多的功能，僅僅依靠單一材料是無(wú)法實(shí)現的，因此通常情況下都是通過(guò)多種智能材料的組合才能達到目的。
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(xué)成分為二氧化硅，作為信息傳遞的絕佳介質(zhì)，有著(zhù)其他任何材料無(wú)法比擬的傳導能力。材料主要由內層圓柱形透明介質(zhì)和外層圓環(huán)形透明介質(zhì)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(chǎn)生變形時(shí)，植入砼結構中的纖維也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而導致纖維中的光發(fā)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(shí)現對結構的全方位監測，為工程的可持續性提供技術(shù)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(chuàng )造了一個(gè)全覆蓋、光角度、無(wú)死角的監測網(wǎng)絡(luò )，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。當前，光纖維混凝土結構主要的工程應用包括：混凝土的溫度及溫度應力監測、混凝土結構裂縫的監測與診斷、混凝土結構強度與變形監測、混凝土結構配合的鋼索應力和變形監測等。
2.2形狀記憶合金
何謂記憶合金，即材料具有形狀記憶能力。當材料的形狀被改變后，其內在的記憶效應可被激發(fā)出來(lái)，進(jìn)而自動(dòng)產(chǎn)生回復應力與應變，驅使材料恢復原狀。同時(shí)，合金材料能夠傳輸能量并實(shí)現能量?jì)Υ�。鑒于此，工程中可將記憶材料安置在結構中，當結構出現變形、裂縫、損傷以及外界動(dòng)荷載影響時(shí)，大部分的能量可被記憶合金材料消耗掉，可極大提高結構的穩定性，若將材料運用到多震地區的建筑結構中，則會(huì )實(shí)現對地震能力的吸收與耗散，極大地提高建筑物的抗震性能，此舉屬于材料的智能被動(dòng)控制。形狀記憶合金材料所具有的相變超彈性，使其可用來(lái)制作耗能阻尼器，這種阻尼器實(shí)現了智能被動(dòng)控制。同時(shí)，由于其相變會(huì )引起超彈性滯回環(huán)的產(chǎn)生，使得材料具有極高的抗疲勞性，以此為基礎制作的阻尼器使用周期遠勝于普通的阻尼器，可實(shí)現結構品質(zhì)的大幅度提高。
2.3壓磁材料
土木工程領(lǐng)域中常規的壓磁材料主要包括磁流變材料和磁致伸縮智能材料等。在外部磁場(chǎng)作用下，磁流變液懸浮體系的黏彈塑性會(huì )發(fā)生明顯的變化，并且這種變化是可逆的。當外部磁場(chǎng)超過(guò)一定強度后，磁流變也會(huì )在極短的時(shí)間內變成固態(tài)，微觀(guān)上表現為材料的分散相顆粒沿著(zhù)磁場(chǎng)方向結成了鏈狀結構。磁流變液介于液體與固體之間的這種獨特的可變屬性，以及對這種特性實(shí)施控制時(shí)耗能低、變化范圍廣、成本低等特性，使得磁流變液成為工程結構中作動(dòng)器件的重要材料。當前，磁流變液主要被應用到元器件的控制橋路以及電源的高速開(kāi)關(guān)等多個(gè)領(lǐng)域。且磁流變液在土木工程領(lǐng)域的應用主要集中在高層建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度結構等。同時(shí)，有著(zhù)高磁致伸縮效應的磁致伸縮智能材料，可以保證材料在機械與電磁直接進(jìn)行可逆轉換，因此具有廣闊的應用前景。
2.4碳纖維混凝土材料
工程中混凝土的作用范圍很廣泛，因此對混凝土材料的改善也日益得到科研人員和工程從業(yè)者的支持，碳纖維混凝土的產(chǎn)生正是這一領(lǐng)域發(fā)展的重要產(chǎn)物，在混凝土中摻加一定比例的碳纖維，可賦予混凝土材料以驅動(dòng)功能和本征自感應。作為一種高強度、高彈性、大導電性的材料，碳纖維的加入能極大改善混凝土的強度與韌性，并且碳纖維之間會(huì )形成具有電阻的導電網(wǎng)絡(luò )，在材料中起到阻隔導電的勢壘，大大降低混凝土材料的電阻率，從而使得材料的導電能力得到數量級上的顯著(zhù)變化。不可忽視的是，這種混凝土的電導率與溫度及應力的變化而表現出規律性的響應。同時(shí)，碳纖維混凝土在溫度上表現為溫度變化造成電阻的變化，并且材料內部的溫差也會(huì )衍生出熱電效應，在電場(chǎng)的作用下碳纖維混凝土會(huì )產(chǎn)生熱變效應（熱效應與變形）。碳纖維的含量和混凝土材料的結構共同影響材料的溫敏性，當碳纖維的含量超過(guò)一定比例時(shí)，材料才有可能形成較為穩定的電動(dòng)勢。而碳纖維的摻入方式主要有兩種：短切亂向分布和連續碳纖維束單向增強。采取不同的摻入方式能使得碳纖維混凝土的力學(xué)性能得到不同程度的強化與提高，工程實(shí)踐表明：第一種方式更具有實(shí)用性。
2.5壓電材料
具有壓電效應的壓電材料，經(jīng)常被用作驅動(dòng)元件和傳感元件。當壓電材料受到外部因素作用時(shí)會(huì )因為其自身發(fā)生變形而產(chǎn)生電勢，而對材料再施加一定電壓時(shí)又會(huì )改變材料的尺寸，壓電效應由此而來(lái)。利用這一特點(diǎn)，壓電材料可用作傳感元件，通過(guò)壓電元件的變化來(lái)判斷元件所在位置處結構的變形量。與此同時(shí)，若能在壓電元件外部形成電場(chǎng)，進(jìn)而對壓電元件內部的正負電子施加定向電場(chǎng)力，從而迫使元件發(fā)生變形，制成驅動(dòng)元件。利用驅動(dòng)元件，可改變材料的應力狀態(tài)，甚至會(huì )影響材料的結構變形。壓電材料的變化均在極短時(shí)間內完成，因此壓電效應主要適用于對結構振動(dòng)的控制上。
3智能材料的未來(lái)發(fā)展
3.1智能材料性能的發(fā)展
智能材料有著(zhù)獨特的優(yōu)越性能、廣闊的發(fā)展前景，但是由于這一領(lǐng)域處于多學(xué)科交叉的研究前沿，所存在問(wèn)題也亟待深究：
�。�1）形狀記憶合金的發(fā)現，改變了很多傳統理念，胡克定律在合金材料這里基本上不再適用了，其所具有的智能功能使得傳統的力學(xué)研究方法難以合理地解釋其內在的機理，因此需要研究者另辟蹊徑，從宏觀(guān)與微觀(guān)的角度重新去探究這種新材料的原理，建立一些實(shí)用性較強的理論和模型，以對具體的工程實(shí)際進(jìn)行規范化的指導。同時(shí)，當前形狀記憶合金還不完善，耗能高、功能單一等缺點(diǎn)使得其實(shí)用性不強，能夠開(kāi)發(fā)出低能耗、出力大、多功能的控制器則是未來(lái)研究的重要方向。
�。�2）可以預見(jiàn)，壓電材料將會(huì )成為工程結構中力學(xué)測量的首選感測元件，但是其存在的主要問(wèn)題就是驅動(dòng)力小，雖然已經(jīng)有一些技術(shù)來(lái)彌補這一缺陷，但是對于大規模的土木工程結構而言，壓電材料并不能直接應用，復雜的理論分析、高難度的集成技術(shù)研發(fā)，以及壓電驅動(dòng)器的開(kāi)發(fā)技術(shù)和設計方法難度較大，都是制約壓電材料未來(lái)發(fā)展的瓶頸，是研究的難點(diǎn)、熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
�。�3）壓磁材料所面臨的問(wèn)題是在長(cháng)期的放置之后，會(huì )產(chǎn)生固體顆粒沉降，這種沉降對材料的穩定性有著(zhù)怎樣的影響效應也需要更深入的研究。并且，其溫度適應范圍較小，若能夠拓寬溫度作用范圍，將使得壓磁材料有著(zhù)更廣的發(fā)展前景。
3.2智能材料研究難題
針對材料本身所面臨的主要問(wèn)題，未來(lái)在土木工程領(lǐng)域的應用研究主要有下列一些難題：
�。�1）結構的健康監測與保養；
�。�2）形狀自適應材料與結構；
�。�3）結構減振抗震抗風(fēng)降噪的自適應控制。
這些問(wèn)題的進(jìn)一步研究將有助于工程質(zhì)量的提高，有助于降低工程災害性事故的概率，有助于強化工程的安全可靠性，有助于推動(dòng)土木工程領(lǐng)域的高技術(shù)發(fā)展，有助于為土木工程領(lǐng)域注入新的發(fā)展動(dòng)力與機遇。
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