智能材料在土木工程中的应用

摘 要：随着人们对土木工程质量和使用功能的要求不断提高,包括光纤、压磁、压电、记忆合金等各种智能材料在土木工程领域得到了广泛的应用.文章介绍了智能材料的概念、特点及其在土木工程中的应用情况,并展望了其在未来的应用趋势.

关 键 词：土木工程；智能材料；应用

前言

随着人们对土木工程质量和使用功能的要求不断提高,包括光纤、压磁、压电、记忆合金等各种智能材料在土木工程领域得到了广泛的应用,有效解决了土木工程中结构构件的强度和刚度变化以及形变等问题,有关智能材料的研究越来越受到世界各国研究人员的重视.

1智能材料的概念

有关智能材料（Intelligentmaterial）目前在世界范围内还没有一个统一的概念,但通常来说,智能材料就是指本身具备感知外部和内部环境的变化,对之进行分析、处理、判断,并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料.在土木工程领域,智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料后的第四代材料.

2智能材料的特点

在土木工程中,智能材料根据其功能特点的不同可分为感知材料和智能驱动材料两大类,其中感知材料就是自身可感知外界环境或内部刺激的材料,而智能驱动材料是指当外界环境因素或内部状态发生变化时可对这种变化做出响应或驱动的材料.总体上来说,智能材料主要有七个功能,即：（1）感知功能：可对外界或内部的刺激进行监测和识别；（2）反馈功能：将监测到的内容传输、反馈；（3）信息识别和积累功能：对反馈的信息进行识别和记忆；（4）响应功能：对外界和内在变化进行及时、灵活的响应；（5）自诊断功能：对于信息进行诊断、分析；（6）自修复能力：按照设定的方式对故障进行修复；（7）自适应能力：在外部刺激消除后可自行恢复到原状态.可见,智能材料可实现结构或构件的自我监控、诊断、检测、修复和适应等各种功能,实际工程中,要想实现这么多功能一般需要多种智能材料的组合来达到目的.

3智能材料在土木工程中的应用

土木工程中应用的常见智能材料有光导纤维、压电材料、压磁材料、形状记忆合金等等.

3.1光导纤维

光导纤维简称光纤,是一种纤维状的光通信介质材料,普遍用于各种高要求的通信传输中,具有传输速度快、无信号衰减、并行处理能力强、信息容量大等多种优点.在土木工程中,可充分利用光导纤维的特点,将其用于监测、传感以及信息远距离传输等,目前较成熟的做法是将光纤埋置于混凝土结构中,作为传感原件,以实现对混凝土结构的监测、诊断、分析等功能.众所周知,混凝土结构具有抗拉强度较差、钢筋易锈蚀等缺点,而且在大体积混凝土浇筑过程中由于结构内外温差较大容易出现温度裂缝,此时通过光纤作为传感元件即可实现对混凝土内外温差的监控,当出现内外温差高于设计要求时,光纤可及时将信息反馈给管理人员,实现即时报警,以便及时采取措施控制内外温差,提高混凝土结构的施工质量.

3.2光导纤维的应用

光导纤维由外包层与内芯构成,是一种纤维状光通信介质材料,该材料采用先进的信息传输技术起初用于通信传输系统,由于作为信息载体的光子在速度与容量上高于电子,因此得到较为迅速的发展.光子所具有的高并行处理能力与高信息率,潜力在信息容量与处理速度得到充分发挥.光纤材料在监测、传感及信息远距离传输等方面得到应用,将光纤作为传感元件埋入传统混凝土结构中针对结构方面各项指标实现自动监测、诊断、控制、预报及评价等功能,而且将形状记忆合金等驱动元件埋入,有机结合信息处理系统与控制元件,使混凝土结构具有智能功能,进而实现混凝土结构自我诊断与修复.在土木工程结构诊断及主动控制地震响应中,光纤材料一直作为设计传感器的一种比较理想的材料,我国目前也已将其用于检测评定三峡大坝.

3.3压电材料

压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料.在土木工程领域常将其用做对结构振动、形变等进行感知的元件,当前,对于压电材料的研究主要集中于实现对结构振动的主动控制中,这也是未来的发展趋势.工程实际中常用作建筑物对噪声的主动控制、静变形控制的传感器,以及对建筑物结构安全性、健康状况进行监测和评定等.

3.4压磁材料

在土木工程中,常用的压磁材料包括磁流变材料和磁致伸缩智能材料等.磁流变材料的工作原理是在外加磁场的作用下,磁流变液悬浮体系的流变性能发生变化,且当磁场强度高于临界场强时,磁流变体迅速由液态转变为固态,因此可在电视塔、超高层建筑以及大跨度桥梁中可利用压磁材料的这一性质实现对地震的半自动控制,将地震对建筑物的破坏大幅降低.此外,磁致伸缩材料由于具有较强的磁致伸缩效应使其在电磁和机械之间可进行可逆转换,在土木工程领域的应用前景被广泛看好.

3.5形状记忆合金

形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种智能合金材料,在将其形状改变后,在一定的条件下其形状记忆效应可被激发出来,产生强大的回复应力和回复应变,同时形状记忆合金也具备较强的能量传输储存能力,因此在土木工程中可将其置于结构中,实现对结构的自我诊断、增加材料的韧性和强度等,在结构出现变形、裂缝、损伤以及受到外界振动影响时,较大部分的能量都可被形状记忆合金吸收并耗散掉,因此增加了结构的安全可靠性,最常用的是利用其这一优点实现对地震作用的被动控制,工程实践中,将形状记忆合金安置于结构层间、底部或建筑物四角等受地震力作用较大部位,实现对地震能量的吸收和消耗.

4结束语

综上所述,各种智能材料在土木工程中得以广泛应用,对于提高土木工程的安全性、适用性、耐久性具有极为重要的意义,同时由于智能材料本身具备的自动监控、传感、修复、自适应等能力对于发展主动式智能建筑具有十分重要的现实意义,对于改变传统建筑的使用功能和抵御地震、飓风等自然灾害的能力具有重要作用,当前在我国智能材料的研究和应用还处于相对落后的局面,但相信随着人们对智能材料的认识越来越深,更多的智能材料将被用于土木工程领域.