土木工程建设中的智能材料

【摘 要】近年来,随着经济的发展,土木工程建设的规模迅速提高,虽然土木工程的建造工艺和资金投入等都在逐年上升,但是质量问题仍然不能符合基本需求,究其原因,主要是因为土木工程中应用的基本材料不合格.为此,科研人员从理论研究出发,并经过实验室检测和实践施工运用,最终研发出智能材料,并预示了其未来广阔的发展前景.本文将对智能材料的概念进行简单的介绍,进而具体阐释智能材料在土木工程建设中的实际运用,在提升土木工程质量的同时,也深化人们对于智能材料的基本认识.

【关 键 词】土木工程；智能材料；建设施工；经济形势

前言

土木工程建设是国家经济进步,人民生活水平提高的一个重要标志.首先土木工程建设是国家基本设施建设的一部分,满足了人类的基本工作生活需求,其次,土木工程为居民的居住提供空间和保证.因此,人们不仅追求土木工程的审美,更重视其质量以及安全问题.以往的土木工程建设采用原始建筑材料,主要是天然的森林木材,砖石土块等.该种材料的抗腐蚀能力低,耐久性能低,随着建筑使用年限的增加,安全隐患问题凸显,严重威胁人们的生命财产安全.为此,土木工程建设急需要引进全新的建筑材料,以促进其进一步发展.

1．智能材料的基本概述

智能材料的出现时科学研究领域的一个重大突破,但是其诞生却是试验中的一次偶然,上个世纪中期,科学家致力于研究复合材料,于是在一次将光导纤维融入碳纤维形成具有抵抗断裂能力和感知应力能力的复合材料时,无意中发现了这种新型材料,由于受当时研究深度的局限以及人们认识的制约,当时科学家不能对其进行相关的运用,早期命名为自适应材料.由于其独特的性质特征,在上个世纪末期,科学家开始将注意力转移到该种材料的研究中,在这种材料的基础上,研究者分别提出了机敏材料等名称,给智能材料相关的事物都下了明确的定义.研究的内容都离不开智能材料的特点.

所谓的智能材料,是人类在原始材料的基础上进行的又一次科学革命,智能材料也成为第四代材料.顾名思义,智能材料的优势是它可以敏感的感知外部的环境因素的变化,并能够根据环境变化的程度和数值的改变自动进行改变和适应,同时能够在无人操作下实行智能化的能力执行.智能化材料的出现节省了大量的人工作业,同时能够及时预测不必要的外部变化,降低经济损失.

2．智能材料在土木工程中运用的现状

随着人们对智能材料的认识深入以及优质特性的挖掘,智能材料从实验室走进实践应用中,并不断的拓展其自身运用的领域.经过多年的实践研究,最终科学家将智能材料引入土木工程建设中,二者的有机结合被称作智能土木结构.它既是建筑领域的一次改革同时也是建筑材料的重大突破.从土木工程的本质特征看,土木工程建设主要是满足人们基本居住和使用需求,因此,需要其具有高标准的强度、安全性、可靠性和耐久性.在建筑前对土木结构的性能进行研究分析,不仅减少了建筑成本,还能降低建筑过程中的风险.但这些检测方法只是从外部进行检测,并不能完全检测到土木结构内部性能的变化情况,一旦土木结构的内部遭受损伤或破坏,检测技术就无法监测或预测.智能传感器的出现主要是针对较高的建筑物、承重较大的桥梁、发电蓄水等这些大型的建筑结构,智能传感器的安装能敏感的检测到结构性能的变化,从而有了安全的保障.随着各种技术的发展,智能传感器也被研发出来并应于实际建筑中,智能传感器的作用是检测建筑物的结构变化,并作出相应的反应,而随着这项技术的成熟和性能的提高,它的应用范围被不断的扩大,因此也就出现了智能大厦这个名词.特别是在建筑应用的研究上,重点研究智能震动控制技术.

3．智能材料的工程应用分析

根据材料的功能对智能材料系统行进分类,一类是感知材料,还有一类是驱动材料,感知材料的作用是对外界环境刺激的感应,刺激可以是物理方面也可以是化学方面.感知材料的类型也分为多种,比较典型的代表是压电材料和记忆合金.驱动材料的作用是对环境的刺激做出判断,并采取适当方式处理而且本身自带执行能力,最典型的驱动材料是记忆合金和电致伸缩材料.

随着科技的发展,为了监测混泥土结构的变化,将光导纤维防止在混泥土结构中,光导纤维的用途范围很广泛,在电控领域、建筑领域和其他领域都有涉及,在建筑领域中,利用的是光导纤维的监测和通讯两个功能.把光纤传感器安置在土木结构中,利用光纤传感器作为感知根基破坏的敏感元件.碳纤维是一种新型研究材料,它不仅具有碳本身的属性,还具有纤维的可加工性和柔韧性,把这种材料加入水泥熔浆中,按照一定比例对碳纤维材料的含量进行调节,水泥熔浆会跟随设备工艺的调节而发生变化,我们将这种变化定义为回应力敏感,光纤传感器会监测土木结构内部性能的变化情况,一旦出现受损或断裂情况,传感器会发出警报声,同时碳纤维材料在土木工程结构中也将发挥自身的优势和诊断能力.由于碳纤材料具有诊断能力,因此,它被广泛的应用于各种水坝、桥梁的监测系统中,及时对建筑结构性能的变化做出预测和分析.桥梁是一种以弯曲变形为主要变形方式的材料,而桥梁所能承受的载荷通常跟它本身所具有的强度成正比,因此,强度和载荷间有着密切的关系,对于桥梁的维修是根据监测结果进行的,检测器在桥梁中的应用减少了桥梁的维修成本和诊断成本.通过光纤传感器可检测桥梁承受载荷的极限,具体操作方法是将传感器放置在前面和拱璧的中间部位,传感器两端分别放置光敏管和发光管,当负载加大或减小时,发光管会跟随桥梁载荷大小的变化而变化,光敏管会跟随发光管光强的发射强度而变化,而放置在桥面和拱璧之间的光纤传感器则监测到光敏管的变化,光敏管的变化数据就是桥梁所受载荷的数据,再通过相关公式的计算转换,就可得出桥梁所受载荷大小.通过这种建筑手段,桥梁的质量得到了大幅度的提升,降低了经济损失、减轻了对车辆和行人生命财产威胁.

4．智能材料应用的局限

虽然智能材料经过实践表明具有优良的强度和耐久性等特点,同时能够智能化的执行操作命令,较好的适应外部环境的变化,但是由于它的本质是高智能复合材料,所以使用成本高,经济负担大.因此,从经济角度出发,该种材料用于构建高档次大量资金投入的高标准建筑工程,而在普通的民居建筑中仍不能得到迅速的普及.同时智能材料的使用需要有相应的技术和配套设备支撑,为此,建筑施工单位需要逐渐完善自身的建筑工艺.总而言之,智能材料是未来的土木工程建筑的基本材料,但是现行阶段还不能实现全方位的普及,仍需要工作人员做进一步的研究和探讨.

5．总结

智能材料的出现改变了传统的土木工程建设格局.首先,满足了居民的基本建筑质量需求,其次,可以应对外部环境的不断变化,最后,还能够带动新的土木工程结构的出现.智能材料与土木工程的结合是一种技术上的双赢,一方面使智能材料在实践中拓展了理论的研究,另一方面使土木工程迎来全新的发展.我国目前的智能材料应用技术还不够完善,为此,应该全面借鉴国外发达国家在该领域的成功经验,并适当结合我国的土木工程特点,最后实现智能材料在土木工程中的最大利用价值.