智能材料特征及其在土木工程中的應(yīng)用

摘要：隨著人們對(duì)土木工程質(zhì)量和使用功能的要求不斷提高，包括光纖、壓磁、壓電、記憶合金等各種智能材料在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，有效解決了土木工程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度變化以及形變等問題，有關(guān)智能材料的研究越來越受到世界各國研究人員的重視。

關(guān)鍵詞：土木工程;智能材料;應(yīng)用

1智能材料特征

目前智能材料作為一種新型材料，學(xué)術(shù)界對(duì)其還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。但在現(xiàn)有的智能材料的各種定義中仍然是大同小異的。智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。這種材料的獨(dú)特之處就是可以自我發(fā)現(xiàn)故障，自我修復(fù)，并且還能夠根據(jù)實(shí)際情況而作出相應(yīng)的優(yōu)化反應(yīng)，發(fā)揮控制功能?？偟膩碚f，智能材料可分為兩大類：一類為嵌入式智能材料，它是指在基體材料中，嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測(cè)外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮和激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。另一類為材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時(shí)間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的Inp半導(dǎo)體等。具有以下特征：

在土木工程建筑建設(shè)中，其所使用到的智能材料，一般具備以下幾個(gè)基本特征：自適應(yīng)功能、自我修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)的功能、識(shí)別和積累信息的功能、相應(yīng)功能、自診斷功能、傳感功能和反饋功能等。而目前在土木工程建設(shè)的過程中，所使用的智能材料主要具有以下特征：①智能材料能夠準(zhǔn)確地感知外界環(huán)境，還能對(duì)環(huán)境中存在的刺激及其強(qiáng)度進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)，如應(yīng)變量、化學(xué)能、核輻射、熱能、光能及應(yīng)力等;②智能材料還具備驅(qū)動(dòng)功能，能夠適應(yīng)外界的相應(yīng)變化;③智能材料還能根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的方式，對(duì)自身進(jìn)行相應(yīng)的控制，并能夠?qū)唧w的方式進(jìn)行相應(yīng)的選擇;④智能材料還能快速地對(duì)外界的刺激進(jìn)行反應(yīng)，且這一反映非常恰當(dāng);⑤智能材料能夠在外界的刺激消失之后，以最短的時(shí)間、最快的速度恢復(fù)到最初的狀態(tài)。

2智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1光導(dǎo)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)，有著其他任何材料無法比擬的傳導(dǎo)能力。材料主要由內(nèi)層圓柱形透明介質(zhì)和外層圓環(huán)形透明介質(zhì)組成，內(nèi)層為纖芯，外層為包層。內(nèi)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(jié)構(gòu)中，制成光纖維混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)因外部因素的變化而產(chǎn)生變形時(shí)，植入砼結(jié)構(gòu)中的纖維也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致纖維中的光發(fā)生改變，相應(yīng)的傳感器能夠直接獲取變化，從而間接確定混凝土結(jié)構(gòu)的各種性能變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的全方位監(jiān)測(cè)，為工程的可持續(xù)性提供技術(shù)指導(dǎo)。并且，分布監(jiān)控的模式可保證混凝土結(jié)構(gòu)任何部位的改變均能被監(jiān)測(cè)到，相當(dāng)于在混凝土結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造了一個(gè)全覆蓋、光角度、無死角的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，兩者組合而成的光纖維混凝土可以認(rèn)為是一種具有強(qiáng)大自我調(diào)節(jié)的智能材料。

2.2壓電材料

在傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)中，一般應(yīng)用的壓電體為集成式，其主要是通過傳感壓電的原件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式和狀態(tài)加以感知，并根據(jù)其輸出的感知結(jié)果，來確定控制算法應(yīng)輸入的壓電體，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制，這也是智能結(jié)構(gòu)中展開壓電類研究與應(yīng)用的前沿領(lǐng)域。目前，一些研究人員主要利用陶瓷壓電體作為加速驅(qū)動(dòng)與傳感器，對(duì)控制主動(dòng)振動(dòng)及主被動(dòng)阻尼在壓電層合結(jié)構(gòu)中的問題進(jìn)行相應(yīng)的研究。近年來，隨著堆技術(shù)與壓電材料的不斷發(fā)展，促使智能材料中的壓電類材料的研究與應(yīng)用也變得更加廣泛。目前，土木工程建設(shè)中應(yīng)用的壓電材料，一般更注重健康監(jiān)測(cè)、安全評(píng)定、控制靜變形能及主動(dòng)控制噪聲等方面，并且取得了非常好的效果。

2.3形狀記憶合金

形狀記憶合金是具有形狀記憶效應(yīng)的一種智能合金材料，在將其形狀改變后，在一定的條件下其形狀記憶效應(yīng)可被激發(fā)出來，產(chǎn)生強(qiáng)大的回復(fù)應(yīng)力和回復(fù)應(yīng)變，同時(shí)形狀記憶合金也具備較強(qiáng)的能量傳輸儲(chǔ)存能力，因此在土木工程中可將其置于結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的自我診斷、增加材料的韌性和強(qiáng)度等，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、裂縫、損傷以及受到外界振動(dòng)影響時(shí)，較大部分的能量都可被形狀記憶合金吸收并耗散掉，因此增加了結(jié)構(gòu)的安全可靠性，最常用的是利用其這一優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震作用的被動(dòng)控制，工程實(shí)踐中，將形狀記憶合金安置于結(jié)構(gòu)層間、底部或建筑物四角等受地震力作用較大部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震能量的吸收和消耗。

2.4壓磁材料

在外界加磁場(chǎng)的影響下，磁留懸浮變液體系所具備的各種流變性質(zhì)均能產(chǎn)生非常顯著的可逆變化。當(dāng)臨界值低于外加場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，這一變液就會(huì)從液體狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變成固體狀態(tài)，同時(shí)利用顯微鏡進(jìn)行觀察，可以看到：在磁場(chǎng)的作用下，這一變液的相分散顆粒能夠順著磁場(chǎng)的方向逐漸形成連狀結(jié)構(gòu)。處于固體與液體之間的變液，其能夠結(jié)合自身的特點(diǎn)，即可逆性質(zhì)、可控性質(zhì)及快速性等，對(duì)流體的特性實(shí)時(shí)控制，但此時(shí)需要的能量較低，因而在土木工程建設(shè)的智能結(jié)構(gòu)中，一般動(dòng)器件所用的材料主要為磁流變液。同時(shí)，在土木工程建設(shè)領(lǐng)域，大跨度的橋梁、高層建筑及電視塔等結(jié)構(gòu)，其所使用的壓磁材料，主要是用于半主動(dòng)控制地震。另外，在壓磁材料的相關(guān)研究中，磁致伸縮的材料也獲得了社會(huì)的廣泛關(guān)注。這種智能材料的磁致伸縮功能非常強(qiáng)，機(jī)械能及電磁能之間能夠?qū)崿F(xiàn)有效的逆轉(zhuǎn)換，因而在土木工程建設(shè)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景，這一智能材料主要適用于控制精密定位、聲吶系統(tǒng)、超聲大功率器件等各個(gè)建筑領(lǐng)域。

3智能材料未來發(fā)展趨勢(shì)

智能材料有著獨(dú)特的優(yōu)越性能、廣闊的發(fā)展前景。在土木工程建設(shè)中，智能材料未來的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)如下：首先，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控，在土木工程建筑結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)元件及集成傳感的原件，能夠利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確保土木工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和設(shè)施的可靠性與安全性;其次，能夠?qū)ν聊竟こ探ㄔO(shè)的結(jié)構(gòu)形狀與材料進(jìn)行自適應(yīng)，這樣土木工程結(jié)構(gòu)就能對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行承載和傳遞，同時(shí)還能對(duì)結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行檢測(cè)與改變;最后，能夠?qū)拐稹⒔翟?、抗風(fēng)及減振等進(jìn)行自適應(yīng)控制。

4結(jié)論

智能材料作為一種具有相當(dāng)廣闊應(yīng)用前景的新興材料，正越來越受到重視。但由于土木工程結(jié)構(gòu)十分龐大，因此，我們?cè)谠u(píng)估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及建筑結(jié)構(gòu)的完整性時(shí)，它們作為土木工程中一項(xiàng)很重要的技術(shù)，它們能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行預(yù)先的檢測(cè)和作出相應(yīng)的預(yù)報(bào)，這樣不僅可以減少結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張海軍（1975年6月-）男，本科，主要從事土木工程工作。