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智能混凝土范文1
随着现代材料科学的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用。疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势[1]
1 智能混凝土的定义和发展历史
智能材料，指的是“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。它能模仿生命系统，同时具有感知和激励双重功能，能对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时。灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预报混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。正如上面所述，智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。
1.1 损伤自诊断混凝土
自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。
1.1.1 碳纤维智能混凝土
碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增加，当接近构件的极限荷载时，电阻逐渐增大，预示构件即将破坏。而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实现对结构工作状态的在线监测[2]。在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中，碳纤维混凝土本身就是传感器，可对混凝土内部在拉、压、弯静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器，它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。通过标定这种自感应混凝土，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基础。
碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性（Seebeck效应）。试验表明，在最高温度为70℃，最大温差为15℃的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。
碳纤维混凝土除自感应功能外，还可应用于工业防静电构造。公路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护。住宅及养殖场的电热结构等。
1.1.2 光纤传感智能混凝土
光纤传感智能混凝土[3]，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列，探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结构应力、应变及裂缝发生与发展等内部状态的光纤传感器技术的研究，这包括在混凝土的硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为Beddington Tail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。
1.2 自调节智能混凝土
自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。形状记忆合金具有形状记忆效应（SME），若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。
电流变体（ER）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体可于0.1ms级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。
有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。这种混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中的硅酸钙含有（3－9）X10－10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、N0x和 S0x气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料。它具有如下特点：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸、放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。
1.3 自修复智能混凝土
混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混凝土就是应这方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝土[4]就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry在1994年采用类似的方法，将在空心玻璃纤维中注人缩醛高分子溶液作为粘结剂埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基础上Carolyn Dry还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加人多孔的编织纤维网。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。
2 智能混凝规究现状和应注意的问题
前面所述的自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式。因此有人也称之为机敏混凝土。然而这种功能单一的混凝土并不能发挥智能混凝土作用，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能组装混凝土材料是将具有自感应、自凋节和自修复组件材料等与混凝土基材复合并按照结构的需要进行排列，以实现混凝土结构的内部损伤自诊断、自修复和抗震减振的智能化。
智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解决上述一系列问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：
（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此，缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方法是必要的。
（2）实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行，因而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质，并能大量应用而且成本较低。
（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善，但是否会对强度等其它性能有所影响，所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。
智能混凝土范文2
关键词 智能；混凝土；应用
1.智能型材料的定义与特点
智能混凝土是智能型材料的一种，目前正被大力运用于建筑的施工过程中。智能混凝土的形成是在混凝土原有的组成部分上添加一些复合智能型部分，让混凝土具备了自感知、自记忆、自适应、自修复等多种特点的多功能型材料。智能混凝土由于具备多种功能，因而可以对混凝土材料内部的损伤进行准确地预报，为混凝土的安全检测提供必要的条件，这就消除了混凝土结构内部潜在的脆性破坏。如果混凝土内部出现问题，也能根据检测后的结果进行自动修复，对提高混凝土的安全性和耐久性很有帮助。
智能型混凝土归根到底是将自感知、自记忆、自修复、自适应等各种能力集中于一身的新型建筑材料，是建筑材料多种功能的综合。尽管我国的科学技术水平没有达到很高的境界，自主生产制造智能型混凝土还比较困难，但是通过国外引进和自主研究等途径，近几年损伤温度自调节混凝土、自诊断混凝土、仿生自愈合混凝土等品种的智能混凝土陆续被引进使用，为我国智能型混凝土的发展开辟了广阔的前景。
2.智能型混凝土的具体分类
2.1 仿生混凝土材料
是由无机物与有机物相结合后出现的一种复合材料，由纤维网表面大量的有机与无机物相互穿插粘结而成。仿生混凝土是把用磷酸钙水泥为基体材料，然后加人多孔的编织纤维网进行组合。水泥使用时需要经过水化和硬化过程，使引发剂与单聚物聚合成高聚物，改善了混凝土的性能结构。
2.2 损伤自诊断混凝土
压缩性和温敏性是自诊断混凝土所特有的自感应功能，传统的普通混凝土不具有自感知功能的。在混凝土的基本材料中加入其它材料组分会让混凝土具备自感应的功能。常用的材料组分有：碳类、聚合类、光纤和金属类等。碳纤维智能混凝土和光纤传感智能混凝土是损伤自诊断混凝土的代表。
2.3 自修复智能混凝土
裂缝是混凝土常见的问题，很多混凝土结构在施工使用过程中存在不同程度的裂缝。空气中的CO2、酸雨和氯化物等可以通过裂缝进入到混凝土内部，对混凝土造成碳化、腐蚀的损坏，破坏了正常的使用功能，自修复混凝土具有较强的自动修复能力，好符合了这种需要。
2.4 自调节智能混凝土
电力效应和电热效应是自调节智能混凝土所具有的性能，如果出现台风、暴雨、地震等自然灾害时，普通混凝土就无法承受。智能混凝土能自动调整自身的承载能力，在混凝土其内部加入具有驱动功能的组件材料能实现自我调节，增加承载能力。
2.5 自愈合混凝土
向混凝土材料中加入含有粘结剂的胶囊，当混凝土出现裂缝时，胶囊中的粘结剂就会流入裂缝中，对混凝土裂缝进行自动修补。这是模仿了生物组织，当受到创伤时生物能过自动分泌出某种物质自动愈合。将粘结材料和基材进行复合，能使混凝土材料具备再生功能。
3.新型材料应用于建筑施工
智能混凝土的产生既是时展所需，也是建筑技术进步的途径。智能型混凝土因为具备多项建材使用功能，既符合建筑行业发展的需要，又能起到节能环保的作用。随着建筑施工技术的发展，智能型混凝土必将在建筑施工中被广泛应用，具体表现在以下几点：
（1）实时监控。在施工过程中可以先选择形状、尺寸和掺量比较合适的短切碳纤维，然后把选择好的碳纤维加入到混凝土材料中来提高混凝土的强度、韧性耐久性和物理性能。这样的施工方法可以增加混凝土能够自感知内部的应力、应变和操作程度等功能。加上碳纤维混凝土具有温敏性[4]，对温度能够产生较准的感应，一旦混凝土内的碳纤维含量到达一定程度时，其温差电动势率就会增大，提高了混凝土的敏感性，施工过程中常常利用这种混凝土对建筑物内部结构以及建筑周围环境进行实时监控。
（2）抗震防裂。由于大多数建筑物在施工完毕后不久，常常会出现因开裂而形成裂缝等现象。造成裂缝的原因有两类，一类是外部原因，如受到外力强大的冲击、震动时会导致裂缝的出现；另一方面的原因则是建筑物本身，尤其是建筑材料的选用，如果材料不复合标准就会导致建筑物的承载能力、抗震能力、防裂能力没有保障，容易引发裂缝。在施工过程中，工程技术人员常常会根据建筑结构的不同，选用合适的智能型混凝土材料，这样一方面是减少投资，更重要的是增加建筑物的综合能力，提高建筑的使用寿命。
（3）安全耐用。智能型混凝土将耐久性高、承载能力强、抗灾能力好等特点综合到一起，这对于建筑物来说的确是一种既新型又实用的材料。工程设计师在进行建筑设计时，必须要考虑到的是建筑物所处的地理位置。因为地域存在差异，使得各个地方的自然气候存在不同，有的地方受气候影响长期多风多雨，有的则相对干燥。面对不同的建筑地点，在施工过程中就需要选择适合的智能混凝土，充分发挥其安全耐用的性能。
综上所言，智能型混凝土作为一种新型的功能材料，当被投入到实际工程中运用时还需要在应用过程中进一步展开研究。智能混凝土对于确保建筑物的安全和耐久性具有重要的作用。在建筑施工过程中需要根据不同的情况进行合理地选择，以减少建筑的返修次数，提高使用质量。
参考文献：
[1] 邓宗才. 纤维混凝土的抗弯冲击性能[J]. 公路交通科技，2005，22（10）：15-17.
[2] 胡时胜. 混凝土材料动态力学性能的实验研究[J]. 工程力学，2001，40（10）：47-49.
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上述传统智能化技术的应用有诸多缺点。例如，这些基于电气自动化计算机技术的系统过于复杂，维护工作量大；且存在建筑物使用周期长而智能化技术更新周期短的矛盾；据报道，许多智能化集成系统建成后利用率低，甚至是闲置不用从而不可避免地迅速贬值进而成为负担；更重要的是，过分强调现代通信电子技术的使用，带来建筑物的高能耗，直接提高了使用成本，比如北京上海一些高档写字楼，由于使用能耗过高导致出租率租金偏低。
要实现真正意义上的智能型建筑，不仅体现在建筑内部弱电系统的应用，还应该把节能、环保、绿色、生态等发展可持续建筑的战略思想宗旨融入建筑的智能化建设中去，实现资源的有效持续利用，节能节水节地，减少废弃物，减低或消除污染，减小地球负荷，体现社会、经济、环境效益的高度统一。
所以，智能建筑的建设不应仅局限于建筑内部子系统，还应包括能源优化系统、生态绿化系统、废弃物治理与处置系统、水热光气声环境优化系统等，充分体现建筑与四周环境的协调关系以及自身的稳定性可持续性，充分体现绿色建筑节能建筑和生态建筑的思想内容。要实现上述目标是一个复杂的系统工程，这其中，基于智能建筑材料的开发应用是非常重要的一方面。
1、智能建筑材料
智能材料是指模拟生命系统，能感知环境变化，并及时改变自身的性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。仿生命感觉和自我调节是智能材料的重要特征。
智能材料在建筑中的应用广泛，结构型智能建筑材料可对建筑结构的性能进行预先的检测和预告，不仅大大减少结构维护费用，更重要的是可避免由于结构破坏而造成的严重危害。而本文讨论的功能型智能建筑材料，则主要体现出在节能环保、绿色生态等智能化建筑元素中的作用。
以建筑中的功能元素之一湿度调节为例，若使用当前的智能建筑技术，需要通过HVAC（Heating，Ventilating，andAirConditioning）系统实现，能耗很大。而一些建筑材料本身具有调节湿度的功能，可以充分加以利用。传统材料如木材的平衡含水率、石膏的“呼吸”作用，二者都可随空气湿度的变化吸收或放出水分。新开发的某些智能材料其调湿作用更加明显，如下文讨论的调湿混凝土、相转变材料等。
2、混凝土
除水泥、水、砂、石及化学外加剂外的添加第六组分，不仅可以改善混凝土的使用性能，一些非常的功能型智能型添加物以及一些特种混凝土，可提供非常的绿色节能生态功能。
1）电磁屏蔽混凝土
通过掺入金属粉末导电纤维等低电阻导体材料，在提高混凝土结构性能的同时，能够屏蔽和吸收电磁波，降低电磁辐射污染，提高室内电视影像和通讯质量。
2）调湿混凝土
通过添加要害组分纳米天然沸石粉制成，可探测室内环境温度，并根据需要进行调控，满足人的居住或美术馆等建筑对湿度的控制要求，相比较于传统的利用温度湿度传感器控制器和复杂布线系统，使用和维护成本低。
3）透水混凝土
具备良好的透水透气性，可增加地表透水、透气面积，调节环境温度、湿度，减少城市热岛效应，维持地下水位和植物生长。
4）生物相容型混凝土
利用混凝土良好的透水透气性，提供植物生长所需营养。陆地上可种植小草，形成植被混凝土，用于河川护堤的绿化美化；淡水海水中可栖息浮游动物和植物，形成淡水生物、海洋生物相容型混凝土，调节生态平衡。
5）抗菌混凝土
在传统混凝土中加入纳米抗菌防霉组分，使混凝土具有抑制霉菌生长和灭菌效果，
6）净水生态混凝土
将高活性净水组分与多孔混凝土复合，提高吸附能力，使混凝土具有净化水质功能和适应生物生息场所及自然景观效果，用于淡水资源净化和海水净化。
7）净化空气混凝土
在砂浆和混凝土中添加纳米二氧化钛等光催化剂，制成光催化混凝土，分解去除空气中的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体。另外还有物理吸附、化学吸附、离子交换和稀土激活等空气净化形式，可起到有效净化甲醛、苯等室内有毒挥发物，减少二氧化碳浓度等作用。
8）再生混凝土
将废弃混凝土经过处理，部分或全部代替天然骨料而配制的新混凝土，减少城市垃圾，节约资源。
9）温度自监控混凝土
通过掺入适量的短切碳纤维到水泥基材料中，使混凝土产生热电效应，实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时测量。此外尚存在通过水泥基复合材料的热电效应利用太阳能和室内外温差为建筑物提供电能的可能性。
10）绿色高性能混凝土
在混凝土的生产使用过程中，除了获得高技术性能外，还综合体现出节约能源资源，不破坏环境的宗旨。在概念上，绿色混凝土重点在于对环境无害，而生态混凝土强调的是直接有益于环境。
11）绿色生态水泥
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关键词：自修复混凝土；玻璃短管；力学性能；影响；
1. 前言
混凝土是土木工程最主要的材料之一，而且随着对混凝土材料的探索和发展，从普通混凝土走向高强与高性能混凝土，现在更是朝着多功能和智能化方向发展。由于混凝土材料特别是高强与高性能混凝土，内部固有脆性大的缺陷，容易震荡开裂。而混凝土的开裂对结构的耐久性影响巨大，可能造成对结构的破坏，不但造成了巨大的经济损失，也埋下了安全隐患。以往，对这类混凝土开裂现象采取事后维修工作，这种被动的修补、加固已经不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料的要求。通过现代科学新技术的开发与研究，新型的自修复混凝土应运而生。自修复混凝土的出现，实现主动、自动地对损伤部位的混凝土进行修复, 恢复并提高混凝土材料的性能, 是土木建材走向智能化的又一重要实践。
自修复一词来源于生物的本身特征，自修复的核心是能量和物质的及时补给。自修复混凝土是以仿生学理论为基础，采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料损坏具有一定的自修复和再生功能，能够恢复甚至提高材料性能的一种新型复合材料。自修复混凝土的作用原理是，通过内含修复剂的空心玻璃短管和混凝土，当材料内部发生一定程度上的损伤时, 能够通过释放自身的修复剂来填充和愈合混凝土的裂缝,使开裂区的强度得到恢复甚至提高, 从而进行自我修复。
2. 内置空心胶囊的自修复混凝土
自修复混凝土的仿生理论：生物通过长期的进化过程，形成了自我保护,自我恢复的本能。如动物骨骼来说，骨折后断裂处的血管破裂,血液由血管的撕裂处流出, 形成以裂口为中心的血肿, 继而成为血凝块, 初步将裂口连接, 接着, 裂口附近的骨内膜和骨外膜开始增生和加厚, 然后中间骨痂和内外骨痂合并, 在成骨细胞和破骨细胞的共同作用下, 将原始骨痂逐渐改造成为正常骨。
与此相类似，自修复混凝土的研制是从动物的自修复能力为启发。美国Illinois大学的Dry Carolyn教授设想具有自修复行为的混凝土的智能模型为：在混凝土基体中渗入内含修复胶结剂的空心胶囊, 也可以渗入短的纤维管, 胶囊或管中掺有修复剂, 从而形成了智能型仿生自愈合神经网络系统。在外界作用下, 混凝土基体一旦开裂, 管内装的修复剂流出渗入裂缝, 由化学作用修复剂固结, 从而抑制开裂, 修复裂缝。
研究玻璃修复短管对混凝土力学性能影响相当重要。作为结构材料的混凝土为受力部件，必须承担各种形式荷载。空心玻璃修复短管作为自修复混凝土组成的核心，是决定自修复混凝土技术能否具有实用价值的首要前提，所以分析研究内置的空心玻璃修复短管对自修复混凝土力学性能的影响为更好利用自修复混凝土材料的重要指导。
修复短管的几何参数包括短管的直径、壁厚和长度, 是选择修复短管的重要指标, 都对混凝土的修复性能影响巨大。修复短管需要有一定的长度和内径来保证管中能容纳足够的修复胶结剂以修复混凝土裂缝, 同时, 它还要有一定的长度, 以保证修复短管与混凝土之间有足够的粘结力。而修复短管的长度和内径要求要合理，一方面, 如果修复短管太长, 其在混凝土搅拌, 振捣形成的过程中破坏的可能性增加。另一方面, 修复短管破裂后, 管中的修复胶结剂自动流出, 在混凝土构件中形成空洞, 修复短管越长、管径越粗, 形成的空洞越大, 这将影响混凝土的使用性能, 最终影响修复效果。贮胶容器的体积率也影响混凝土材料的修复, 太少不能形成完全修复, 多了又可能对混凝土材料的宏观性能有影响。
3. 试验一：玻璃短管的掺量对混凝土力学性能的影响
本试验采用32.5R的普通硅酸盐水泥；中砂（细度模数2.23，表观密度为2650kg/m3）；花岗岩碎石（5~20mm连续级配，表观密度为2665kg/m3）；清洁饮用水；1级粉煤灰；复合外加剂（FDN蔡系高效减水剂为主,自行配制）。该试验设一对照试验为：不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块试验。试验通过改变空心玻璃短管掺入的体积率,分别与不掺任何玻璃容器的试件对比,来观察它们对混凝土试件的抗压强度、劈拉强度和弹性模量所造成的影响。通过立方体试块抗压强度、劈拉强度和弹性模量的变化,确定玻璃短管体积率对混凝土力学性能的影响。本次试验的加载速度、试验处理等关键问题的取值原则均与普通混凝土试验方法标准相同。
（1） 玻璃短管体积掺量对抗压强度的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其p抗压强度分别下降了1.25%、6.13%、9.47%、17.28%。
（2） 玻璃短管体积掺量对劈拉强度的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其p劈拉强度分别下降了13.66%、16.86%、22.67%、31.10%。
（3） 玻璃短管体积掺量对混凝土弹性模量的影响。试验数据结果表明，对于玻璃短管体积掺量分别为1.5%、2.5%、4%、6%的自密实混凝土试块, 同不掺玻璃短管的普通自密实混凝土立方体试块相比，其Et值分别下降了2.79%、6.27%、8.83%、11.11%。
通过以上三个试验对比分析，玻璃短管的体积掺量对自修复混凝土的抗压强度、劈拉强度、以及混凝土的弹性模量都有影响，其中对劈拉强度的影响最为显著。分析其中原因有：一、玻璃短管的渗入, 代替了混凝土内部部分粗细骨料, 削弱了混凝土的内部骨架, 进一步降低了混凝土原本已较弱的抗拉能力。二、玻璃短管的表面与水泥浆界面的粘结强度比粗细骨料和水泥浆界面的粘结强度更低, 在压力作用时, 这个薄弱的粘结界面还不至于完全破坏, 但受拉力作用时, 这个粘结界面将首先被撕裂, 急剧导致了混凝土抗拉强度的降低。玻璃短管对混凝土弹性阶段的影响并不显著, 玻璃短管对混凝土力学性能的影响主要还是在塑性阶段。此外，综合以上试验数据，考虑到修复短管掺量对混凝土抗拉强度的影响和混凝土裂缝的修复效果, 修复短管的掺量应该在2.5%左右较为适宜,能够保证混凝土的抗拉强度和充足的胶粘剂。
智能混凝土范文5
【关键词】高性能；混凝土；质量控制；探究
1 前言
高性能混凝土指的是具备要求的性能的混凝土。而要求的性能包含以下三方面：其一，便于浇注，振捣过程不出现离析现象；长时间具有力学性能；强度高、稳定性好；即使在恶劣环境当中，也可延长使用寿命。所以，施工中应用高性能混凝土时，需要设置一些质量控制与保障对策，而这也正是高性能混凝土和一般性混凝土之间的显著的区别。
2 高性能混凝土质量控制所包含的内容
和一般性混凝土质量控制对比分析，高性能混凝土质量控制内容涉及到大量特殊要求，而质量实际为一个综合性的性能指标。具体表现在以下几个方面：首先，高性能混凝土要比一般性混凝土的耐久性要求会更高一些；其次，强度不只是评价高性能混凝土的最关键的指标，而是将耐久性作为最主要的评价指标。如：西方国家在一些桥梁施工中，应用的混凝土对流动性、稳定性以及耐久性等的要求是非常高的，但是它的强度要求是在30-40Mpa范围内。由此看来，高强度并不是高性能混凝土的重要评价指标；再次，对工作性的要求也是非常高的，不仅有很好的流动性，而且又会产生离析以及泌水等不良现象。由此看来，针对高性能混凝土来说，质量控制必须要从各个生产环节抓起，进而对高性能混凝土质量进行严格把关，充分发挥其自身的作用。
3 关于高性能混凝土质量控制的关键点
3.1 材料管理
3.1.1 水泥
为要生产出高性能的混凝土，就必须使用42.5及以上的硅酸盐水泥。这主要是由于此类水泥所含的碱量、氯离子量等都会直接影响到混凝土的耐久性。而为增强混凝土的强度，就要增大水泥的使用量，其每立方米使用450～550kg的水泥，同时可适当加入一些减水剂。另外，在选择水泥过程中，要确保与减水剂的相容性。
3.1.2 骨料
骨料大小、含有的矿物成分等都有可能影响到高性能混凝土的强度。因此，在选择时，要严格遵守以下几点要求：第一，级配选择要适当，且空隙率应尽可能的小；第二，骨料最好选择膨胀系数偏小的岩石种类；第三，通常，碎石骨料的粒径控制在20～25cm。对于细骨料要尽可能选择天然的河砂。
3.1.3 减水剂的使用
一般来说，减水剂主要包含两大类，即磺化煤焦油系减水剂以及树脂系减水剂。但是，在我国，大多数都是使用前一种减水剂。高性能混凝土配制时，减水剂必须满以下两点要求：一方面，减水率高。减水率通常要超过20%；另一方面，和水泥间的相容性要非常好。
3.1.4 矿物掺合料的加入
矿物料的加入能够使水泥和减水剂有良好的相容性，同时又能从整体上改善高性能混凝土结构，减少细孔的出现，而这也正是提升混凝土强度的主要手段。一般来说，矿物掺合料指的是硅粉、矿渣以及粉煤灰等。
3.2 配制比
在大规模对高性能混凝土进行生产之前，首先要对其进行试配，也就是说要结合以往经验与配制比进行计算，在确定几种配制方案后，再予以对比，从中选择最佳方案，而此方案必须同时满足坍落度、强度、稳定性等配比要求。另外，试配环境应该模拟原有施工环境和流程，确保试验结果的真实性。在试验室中，混凝土强度要比施工现场强度高5～10%左右，这主要是由于施工现场的条件通常远不及试验室的。因此，同样的配比，施工现场的混凝土强度要低一些。
通常情况下，高性能混凝土试配顺序是：首先，结果多年实践经验估算出水灰比、砂石率以及水泥量等；其次，根据配制比公式计算出砂石使用量，进而获得试验室中的配制比；再次，结合施工现场条件予以试配，进而获得施工配制比；最后，对试验配制比进行适当调整。
3.3 搅拌与运输
首先，对施工时间予以准确的确定，缩短由搅拌到振捣所需的时间周期；其次，确保砂石的清洁，冲洗粗骨料，降低细骨料中的粘土和云母含量；再次，充分进行搅拌，最好使用强制式搅拌机，逐步延长搅拌周期。如果搅拌时间过长，会影响到混凝土的流动性，因此，每次搅拌混凝土的量要少一些，这样一来，便可利用较短的搅拌时间，使混凝土搅拌的更加均匀；最后，混凝土原材料的投放顺序直接影响到搅拌效果与强度。通过大量实践可知：水、砂石以及水泥最先混合的效果是最好的。另外，如果使用的是普通减水剂，那么可与搅拌用水相互混合之后再投入使用；如果为高效减水剂，那么在和其它材料搅拌均匀之后，才允许投入使用。
3.4 振捣与养护
通过实践证明，高性能混凝土粘度会随着水胶比降低而逐渐升高，正是由于具备此特向，所以，最好采用泵送浇注的方法。对于薄板混凝土浇注最好采用小间距、浅插频换振点法；而如果是梁、柱混凝土浇注，振捣棒要连续上下垂直振捣，拔棒速度要尽可能慢，避免出现孔洞。
在养护阶段，需要注意两点问题，即保湿与保温。这主要是由于高性能混凝土所使用的混凝土量非常多，其水化热值是非常高的。当遇到较大的混凝土构件，且环境温度过低时，造成构件内外间的温差过大，导致变形不均匀，产生较大的应力。所以，选择恰当的保温对策可缩小内外温差。此外，若混凝土构件体积过大，那么可适当加入一定量的缓凝剂。
3.5 质量验收
3.5.1 混凝土留样
在施工现场的技术人员，需要提取部门拌合物，对其性能予以测定，同时严格按照规范要求留取混凝土试件。实际上，影响高性能混凝土的因素偏多，因此，对混凝土试件采用频率要比普通混凝土采用频率要高很多。
3.5.2 混凝土养护
因高性能混凝土的水灰比非常低，因此，在混凝土试件内，极易出现很大拉应力，因此，在养护过程中，最好在水中进行养护，同时还要有效控制水的温度。在对混凝土试件的抗压强度进行测定之前，要在自然条件下存在数天，这样混凝土强度测定值会更准确。
3.5.3 测定混凝土强度
结合以往的实践经验，在测定高强度混凝土试件时，使用标准试件与高刚度承压板试验设备，这样可确保加荷的匀速进行。只有这样，才可确保高性能混凝土试件强度测定的真实性。
4 结束语
总体来说，近年来，由于科学技术的飞速发展，从而使得高性能混凝土性能已经十分的完善，但是，当前还不具备针对高性能混凝土质量控制的体制，所以，当前的首要任务就是建立一个完善的关于高性能混凝土质量控制管理体系。只有这样，才能保证高性能混凝土的质量。并且，还要不断推广和应用高性能混凝土在建筑领域的应用，这样才会建设出更多高质量的建筑产品，满足人们的各种需求，同时推动着我国建筑行业的飞速发展。
参考文献：
[1]柳献，袁勇.高性能混凝土高温微观结构演化研究[J].同济大学学报，2008（12）.
[2]缪勇，钱和强.高性能混凝土及质量控制方案[J].城市建设理论研究，2012（7）.
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关键词：混凝土 施工 控制措施
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
高性能混凝土是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益。
1 高性能混凝土具有以下特性：
（1）自密实性
高性能混凝土的用水量较低，流动性好，抗离析性高，从而具有较优异的填充性。因此，配好恰当的大流动性高性能混凝土有较好的自密实性。
（2）体积稳定性
高性能混凝土的体积稳定性较高，表现为具有高弹性模量、低收缩与徐变、低温度变形。普通混凝土的弹性模量为20~25GPa，采用适宜的材料与配合比的高性能混凝土，其弹性模可达40~45GPa。采用高弹性模量、高强度的粗集料并降低混凝土中水泥浆体的含量，选用合理的配合比配制的高性能混凝土，90天龄期的干缩值低于0.04%。
（3）强度
高性能混凝土的抗压强度已超过200MPa。目前，28d平均强度介于100~120MPa的高性能混凝土，已在工程中应用。高性能混凝土抗拉强度与抗压强度值比较高强混凝土有明显增加，高性能混凝土的早期强度发展加快，而后期强度的增长率却低于普通强度混凝土。
（4）水化热
由于高性能混凝土的水灰比较低，会较早的终止水化反应，因此，水化热相应的降低。
（5）收缩和徐变
高性能混凝土的总收缩量与其强度成反比，强度越高总收缩量越小。但高性能混凝土的早期收缩率，随着早期强度的提高而增大。相对湿度和环境温度，仍然是影响高性能混凝土收缩性能的两个主要因素。
高性能混凝土的徐变变形显著低于普通混凝土，高性能混凝土与普通强度混凝土相比较，高性能混凝土的徐变总量（基本徐变与干燥徐变之和）有显著减少。在徐变总量中，干燥徐变值的减少更为显著，基本徐变仅略有一些降低。而干燥徐变与基本徐变的比值，则随着混凝土强度的增加而降低。
（6）耐久性
高性能混凝土除通常的抗冻性、抗渗性明显高于普通混凝土之外，高性能混凝土的Clˉ渗透率，明显低于普通混凝土。高性能混凝土由于具有较高的密实性和抗渗性，因此，其抗化学腐蚀性能显著优于普通强度混凝土。
（7）耐火性
高性能混凝土在高温作用下，会产生爆裂、剥落。由于混凝土的高密实度使自由水不易很快地从毛细孔中排出，再受高温时其内部形成的蒸汽压力几乎可达到饱和蒸汽压力。在300°C温度下，蒸汽压力可达8MPa，而在350°C温度下，蒸汽压力可达17MPa，这样的内部压力可使混凝土中产生5MPa拉伸应力，使混凝土发生爆炸性剥蚀和脱落。因此高性能混凝土的耐高温性能是一个值得重视的问题。为克服这一性能缺陷，可在高性能和高强度混凝土中掺入有机纤维，在高温下混凝土中的纤维能熔解、挥发，形成许多连通的孔隙，使高温作用产生的蒸汽压力得以释放，从而改善高性能混凝土的耐高温性能。
二、高性能混凝土质量控制措施
（一）混凝土原材料及其选用的质量控制
1、细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂，其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。
2、高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石，级配符合规范要求。另外，粗集料还应注意集料的粒型、级配和岩石种类，一般采取连续级配，其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎石为最好。
3配制高性能混凝土时，掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善，空隙得到充分填充，使硬化后的水泥石强度有所提高。更重要的是，加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。
4、由于高性能混凝土具有较高的强度，且一般混凝土拌合物的坍落度较大，在低水胶比(一般＜0.35)一般的情况下，要使混凝土具有较大的坍落度，就必须使用高效减水剂。
5、矿物掺合料。(1)粉煤灰。掺用粉煤灰的混凝土，其长期性能可得到大幅度的改善，对延长构筑物的使用寿命有重要意义。 (2)硅粉。在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥，结合应用减水剂，可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高，硅粉的适宜掺量为水泥用量的5%～10%。
（二）施工过程质量控制
1、在施工方案中事先确定施工缝预留位置，不能随意变更，施工缝的接槎处理一般情况下应在混凝土强度达到1.2Mpa以上时，在已硬化的混凝土表面清除水泥浮浆和松动石子，将施工缝处混凝土表面凿毛，并用水冲洗干净，不得积水，再用高标号水泥砂浆浇抹表面后用混凝土细致捣实使新混凝土结合密实。
2、振捣方式的质量控制。施工方要根据设计图纸及其施工规范等做好施工方案，并且及时向所有操作人员做好技术交底，预防因振捣方式不对而造成混凝土分层、离析、表面浮浆、麻面等质量问题，进而尽可能降低混凝土成型硬化后出现裂缝的概率，保证混凝土的耐久性。
3、二次振捣或多次搓压表面。高强、高性能混凝土在拌制过程中，掺加多种外加剂及掺和料，一般情况下缓凝4小时左右，这段时间已浇混凝土表面因环境及水泥水化作用失水较多，容易产生收缩裂缝，经初凝前二次振捣或多次搓压表面，能有效防止表层裂纹，且通过留置的混凝土试块进行强度试验，强度提高5%左右。
4、在施工过程中出现下列情况之一应挖出混凝土。不能保证混凝土振捣密实或对水工建筑带来不利影响的级配错误的混凝土料；长时间凝固、超过规定时间的混凝土料；下到高等级混凝土浇筑部位的低等级混凝土料。
5、在浇筑埋石混凝土的时候应该严格控制施工单位的埋石量、埋石大小并保证埋石洁净以及埋石与模板的距离，杜绝施工单位为了单纯提高埋石率而放弃质量。在施工中努力确保埋石垂直和水平距离，以不影响振捣为原则，提高埋石混凝土质量。
6、浇筑完的混凝土必须遮盖来保温或者防雨。
（三）加强高性能混凝土的养护
混凝土养护有两个目的：一是创造使水泥得以充分水化的条件，加速混凝土硬化；二是防止混凝土成型后因日晒、风吹、干燥、寒冷等自然因素的影响而出现超出正常范围的收缩、裂缝及破坏等现象。混凝土的标准养护条件为温度（20±3）℃，相对湿度保持90％以上，时间28d。在实际工程中一般无法保证标准养护条件，而只能采取措施在经济实用条件下取得尽可能好的养护效果。
三、结束语
在工程建设中使用高性能混凝土能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。但因其自身特点，在施工过程中也要加强技术管理，确保施工质量。
参考文献
[1] 吴中伟，高性能混凝土[M]，北京:中国铁道出版社，1999
