智能混凝土模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇智能混凝土，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

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引言

现代材料科学的不断进步与发展，促进材料的不断创新与发展，混凝土作为最主要的建筑材料已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用、疲惫效应、腐蚀效应和材料老化等各种不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发失稳破坏。为了有效地避免突发事故的发生，提高结构的性能，延长结构的使用寿命，就必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行调节和修复。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、自修复的智能混凝土已成为混凝土发展的趋势。

1.智能混凝土的定义

智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，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。它能模拟生命系统，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，自动作出适时的灵敏和恰当的响应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复和预寿命等功能。论文参考。

2.智能混凝土的分类

2.1 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。由于普通的混凝土材料本身不具有自感应功能,所以需要在混凝土基材中复合部分其它材料使得混凝土具有自感应功能。目前常用的复合材料是碳类、金属类和光纤等。

1） 碳纤维混凝土

碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状的碳化合物，具有重量轻、高强度，抗疲劳和阻尼特性好，耐高温，耐腐蚀以及良好的导电性等优点。在水泥基材中添加少量的碳纤维，可以显著增强其力学性能，改善其电学性能。碳纤维混凝土材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的，利用这一原理生产的混凝土，通过阻抗和载重之间的关系可确定公路上车辆的方位、重量和速度等参数，为交通管理的智能化提供了材料基础。另外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效应。利用纤维混凝土的这种温阻现象可以实现对大体积混凝土的温度自监控，将来有望应用于有温控和火灾预警要求的混凝土结构中。论文参考。

2）光纤维混凝土

光纤维混凝土，即在混凝土结构的关键部位埋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，并对由于损伤进行实时监测。当光纤维混凝土结构因受力或温度变化产生变形和裂缝时 ,埋在混凝土中的光纤就会相应的产生变形 ,从而导致通过光纤的光的光波量发生变化，通过对光纤中反射光的信息进行分析 ,可以对裂缝进行定位。光纤维混凝土已经应用到实际中，如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。

3）纳米混凝土

纳米混凝土是将某各纳米材料添加到普通混凝土中，从而使混凝土一种具有优异综合性能和特殊功能的智能复合材料。纳米材料比表面积大，因而容易极易团聚，有利于发挥其特殊的改性作用，但与此同时纳米混凝土中易产生薄弱区，不利于混凝土的性能。因此，纳米材料的粒径大小应适中，制备时应做好控制使得其在基体中的均匀分布。纳米混凝土具有应变感知性能，其机理可以基于隧道效应理论（由微观粒子波动性所确定的量子效应）来解释，混凝土内微小的应变就可导致较大的电阻变化。实验表明对于掺纳米微粒的从接触导电理论和碳纤维的特性对其进行智能砂浆的水化产物结构均匀、质地密实、结合紧密、没有明显的结晶体、水泥石的微观结构得到改善，故提高了混凝土的力学性能。

2.2 自调节混凝土

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、减缓结构振动。由于混凝土本身属于惰性材料，必须复合具有驱动功能的组件材料,才达到自调节的目的。这种材料通常具有电力效应和电热效应等性能。如形状记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。

1)形状记忆合金

形状记忆合金（SME）具有形状记忆效应。论文参考。形成记忆合金通常由两种以后金属合成，当合金在高温时发生定形，冷却后存有残余形变。再次加热时，残余形变消失，合金恢复到高温时所具有的形状。这就像合金记忆了高温状态的形状一样。将记忆合金埋入混凝土中, 利用形状记忆合金对温度的敏感性以及在不同温度下恢复相应形状的功能, 使得混凝土结构在受到异常荷载干扰时，混凝土结构内部应力发生重分布, 从而提高混凝土结构的承载力。

2）电流变体

电流变体（ERF） 也叫电场致流变体 。它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, 电流变体可于迅速组合成链状或网状结构的固凝胶, 当外界电场撤去时,其可恢复其流变状态。在混凝土中加入电流变体, 当混凝土结构受到台风、地震袭击时，混凝土土通过自动调整其内部的流变特性, 改变结构的自振频率、阻尼特性，从而达到减缓结构振动，提高混凝土结构的稳定性和耐久性。

3.3 自修复混凝土

自修复混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土。自修复混凝土模仿生物机体受创伤后的再生、恢复机理，采有修胶粘剂和混凝土材料相复合的方法，对材料的损伤具自修复和再生功能。据此国内外学者们提出具有自修复行为的智能材料模型，即在材料的基体中布有许多细小纤维管道，管道中装有可流动的物质（类似血管）——修复物质（类似血液）。当材料在外界各种因素的作用下,基体发生开裂，纤维管道发生破裂，其内修复物质流至裂缝处，发生化学反应从而实现自动粘聚愈合，提高开裂部分的强度，起到抑制开裂和修复材料的作用。1997年南京航空航天大学研究出就利用形状记忆合金和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复。

3.研究现状及发展趋势

目前所研究的自诊断、自调节和自修复混凝土还只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，有人也它们称之为机敏混凝土。目前人们正致力于将两种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。在实际工程中仍存在着许多的问题需要解决。如对于自诊断混凝土，目前所制作的传感器初始电阻率和应变感知性能存在一定的离散性，将影响对于小应变测量的准确性。对于自修复混凝土，其结构耐久性与混凝土的断裂匹配的相容性、多次可愈合性、分布特性以及愈合的可靠性和可行性等一系列问题研究尚不完全。此外对于混凝土智能化所会带来负作用，如复合的材料对混凝土强度、耐久性等的影响。因此实际工作中，对自能混凝土的利用应综合考虑各种因素

参考文献

1.李化建 ,盖国胜等.智能混凝土.清华大学材料系粉体研究室, 2002 01

2. 刘鹏 ,贾平等.自修复混凝土研究进展.济南大学学报(自然科学版).2006 04

3. 朱钧,邢晓洁. 混凝土智能化发展方向. 科技创新导报. 2008 10

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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。

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1工程概况

德州至商丘高速公路聊城段位于山东省西部，纵贯山东西部地区。该公路在山东省“五纵四横一环八连”高速公路网络中是“一纵”及“一环”的重要组成部分。本项目的实施，既是贯彻落实山东省委省政府“突破菏泽，带动西部”的经济发展战略部署的具体体现，也是进一步加快山东省高速公路网的形成、推进全省交通现代化建设的需要。此条高速公路是山东省第一条实施标准化建设的道路，要求标准高，质量严。这一项目在一定程度上加大了预应力混凝土桥梁工程的施工管理难度，因此要求建设单位以及监理单位根据《公路桥涵施工技术规范》中的相关规定进行预应力混凝土张拉与压浆工作。并且在实际工作中还需要与技术经验丰富的工作人员共同探讨，从而保证工程的施工质量，避免因人为因素影响到工程的施工质量。

2预应力智能张拉系统

2.1预应力智能张拉系统的构成及工作原理

在桥梁工程施工过程中，智能张拉系统主要由主机、油泵、千斤顶三个部分构成。在其运行过程中，该系统主要是通过应力作为控制指标，然后采用其伸长量来控制其运行情况，这样可以将误差控制在可控的范围之内。为了使系统能够正常运行，我们还需要采用传感技术作为控制系统采集其运行中的各种数据，然后对这些数据进行分析与判断之后反馈给系圆通，从而实现智能张拉与压浆工作，并对其误差进行实时控制。在智能张拉系统中，主机的主要功能是接受并处理信息数据之后再将发出指令，从而控制每一台设备的运行情况，完成桥梁工程预应力张拉工作。

2.2预应力智能张拉系统的技术特点

2.2.1施加应力时具有精确性

相对于人工张拉技术而言，智能张拉系统在施加应力的过程中可以降低其工作误差，保证其精准性，便于工作人员的管理，提高工程的施工质量。

2.2.2可以及时对其伸长量进行校对，达到双控的目的

在采用智能张拉系统的过程中，我们可以实时采集并计算钢绞线伸长量，观察其是否处于可控的范围之内，避免因存在较大的误差而导致工程出现质量问题，从而达到双控的目的。

2.2.3预应力智能张拉系统在工作中达到对称性与同步性

在桥梁工程施工中，我们只需要在其中设置一台计算机就能够对多台千斤顶的工作进行统一控制，这样也就能够提高其施工效率，并且还能够减小误差，保证其施工质量。

2.2.4智能张拉系统在工作中可以降低预应力损失

通过计算机、遥感技术对智能张拉系统的控制，可以避免系统在工作中受到各种因素的影响，可以有效的提高其施工效率，达到工程设计的要求，降低在张拉过程中产生的预应力损失。

2.2.5实现远程监控以及质量管理

在智能张拉系统运行过程中，技术人员可以通过计算机或者遥感技术对其实际施工质量进行全方位的监控，掌握其实际质量状况，避免在施工中出现各种质量问题。

2.2.6试验板张拉

本项目四合同聊城市公路工程总公司于2013年5月12预制了第一块试验板，王古路分离立交K157+672.5左3-2。7天后，混凝土强度达到设计强度的101%，进行了智能张拉，经检测各项指标都达到预期要求。

3循环智能压浆系统

3.1循环智能压浆系统的构成及工作原理

循环智能压浆系统主要是由主机、测控系统、循环压降系统三个部分构成。其工作原理是：由于在循环智能压浆系统中的管道进出口位置设置了一个传感器，其主要作用是对其压力进行全面的监测，然后再将这一监测数据直接传输到主机中，通过科学合理的判断之后再对这一压力值进行适当的调整，然后在一定数值的约束下达到压浆的目的。这样也就能够保证其密实度，有效的解决了传统压浆技术难以克服的问题。

3.2循环智能压浆系统的技术特点

3.2.1对施工材料水胶比进行精确的控制

循环智能压浆系统在运行过程中，技术人员可以事先录入相关信息，然后按照配合比自动控制其水胶比，使其达到施工的要求，提高工程的施工质量。

3.2.2实现一次性压浆，提高工程的施工效率

在桥梁工程施工中，若与质量的跨径小于50m，单孔长度不超过80m，那么我们可以采用循环智能压浆系统进行一次性压浆施工，这样可以有效的降低工作强度，提高工程的施工效率，达到理想的施工效果。

3.2.3实现高速制浆工程，提高水泥浆液的质量

在循环压降系统运行过程中，通过其中相应的设备可以将水泥、水、压浆剂进行均匀的拌和，并且实现高速拌和的要求，通过这一工作也就达到了工程的施工要求，从而提高工程的施工质量。

3.2.4实现远程监控

在循环压降系统运行过程中，技术人员同样需要采用一台计算机进行合理的控制，这样也就避免了工程受到人为因素的影响，并且对其运行的各个参数、指标进行全面控制，将其中的数据进行记录并打印成报表，交给上级部门，使其对整个工程进行监控，以保证工程的施工质量。

3.2.5系统集成度高，简单适用

系统将高速制浆机、储浆桶、进浆测控仪、返浆测控仪、压浆泵集成与一体，现场使用只须将进浆管、返浆管与预应力管道对接，即可进行压浆施土。操作简单，适用与各种预应力管道压浆。

3.2.6浆液满管路循环排除管道内空气

管道内浆液从出浆口导流至储浆桶，再从进浆口泵入管道，形成大循环回路浆液在管道内持续循环，通过调整压力和流量，将管道内空气通过出浆口和钢绞线丝间空隙完全排出，还可带出孔道内残留杂质。

3.2.6试验板压浆

本项目四合同在预制梁场于2013年5月20日进行了第一块试验板智能压浆。经检测各项指标都达到预期要求。

4结语

在厂家技术人员的指导下，经过第一块试验板的预应力智能张拉和智能压浆，发现预应力智能张拉与压浆系统土作性能稳定，张拉与压浆施土质量良好，工作效率很高，达到了较为理想的效果，为以后的施工打下了良好的基础。

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1.1行走液压泵

行走液压泵是摊铺机的主要动力来源，其主要是利用发动机燃烧过程中所产生的热能和动能，将这些能量转化为压力能，向液压系统内提供压力油，进而推动机械进行运转。

1.2行走液压马达

该马达属于两档交变马达，是将压力油所提供的压力能转化为机械动能的重要结构，通过传动轴的带动，使得机械产生了行驶的动力，并将动力附加在驱动链轮上，实现了机械的整体运动。

1.3电液伺服阀

电液伺服阀是整个液压动力控制系统当中的关键元件。当液压系统的负载压差达到一定程度时，电液伺服阀输出压力油流量和电流量呈正相关，如果输入的电流是反向的，那么压力油的输出也必然是反向的。因此，摊铺机的液压马达的转动速度和运动方向都是由电液伺服阀的输出流量来进行控制，使整个系统能够被稳定控制。

1.4电磁溢流阀

电磁溢流阀是整个系统内的安全阀，主要被用来控制电-液系统所产生的压力，使其保持在一个恒定的范围之内，并对系统的最大输出压力值进行限制，保证系统能够在安全的情况下运行，避免压力过大损坏行走液压系统。

1.5控制电路

摊铺机的控制电路与其它机械的控制电路有着相同的作用，主要就是利用传感器所发出的反馈信号向各结构进行传输。控制电路负责输入指令信号，借助控制系统计算机的分析，对信号进行处理，并产生控制信号，进而操作摊铺机的运行。

2沥青混凝土摊铺机行走液压系统的工作原理

在摊铺机的行走液压马达上设有速度传感器，当液压马达开始运转时，其转速的信号就会被传感器检测到，并将其转化为反馈信号发送到控制计算机当中，计算机接收到反馈信号后将其转化为输出信号，将相应的速度指令进行输出，经过D/A转换器将信号放大，进入到驱动电液伺服阀当中，通过伺服阀和电磁溢流阀来输出和控制马达的转速和摊铺机的行走速度。当所输出的速度指令一定时，摊铺机的驱动轮运转速度就会恒定，而传感器接收和反馈出的电压信号则一定，使得计算机分析出的偏差电压恒定，这样就能够保证沥青混凝土摊铺机能够保证在一定的速度内进行恒速运动，使得沥青和混凝土的浇筑均匀，保证路面施工质量。

3沥青混凝土摊铺机行走液压系统的智能控制系统

摊铺机本身属于多系统所组成的耦合系统，其具有反应速度快、精密度高等优点，但授予电液伺服阀等结构会产生非线性参数，导致各类不确定因素影响系统的控制。因此，为了降低这些不确定因素所带来的风险，可以利用智能控制理念当中的模糊控制来完善摊铺机的行走液压系统。模糊控制系统的核心是模糊控制器，其主要由三个环节构成，包括处理输入信号的模糊量化环节、处理输出信号的模糊控制算法功能环节、负责输出模糊化控制信号的模糊判决环节。在构建模糊化控制器的过程中，最重要的就是将该系统的模糊控制算法建立起来，也就是制定模糊规则表，一般采用Mandani规则。在对控制量进行选取的过程中一定要注意防止超调，以系统稳定运行作为大前提。假设系统实际采样的误差量为e，则误差的变化率为ec，而模糊控制规则为R，由此得出的模糊控制量u=e*R。该公式属于合成规则，在应多不同变量的时产生的控制量公式为：un=e，通过该公式可以求得不同情况下的控制量，进而得出模糊集合，根据这一集合数据就能够应对不同情况下系统的控制输出信号，达到智能应对目的。

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0前言

进入二十一世纪以来，科学发展突飞猛进，现代材料不断进步，日新月异。停留在被动和计划模式的混凝土检测与修复方式的建筑材料之一的混凝土已不能适应现代多功能和智能建筑对其提出的要求，高强、高性能、多功能和智能化已经逐渐成为混凝土发展的趋势。因此，我们必须积极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，保证建筑物的结构一功能（智能）一体化。

1智能混凝土的定义和发展历史

通常情况下，我们把“能感知环境条件，做出相应行动”的材料称为智能材料。与普通材料不同的是虽然它不具有现实意义上的的生命形式，但是它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。换句话来说它能模仿生命系统，具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能，它保留了混凝土原有组分同时复合了智能型组分。

智能混凝土优点很多，诸如：有效地预报混凝土材料内部的损伤；自我检测结构的安全性，防止混凝土结构潜在脆性破坏；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，智能混凝土集自感知和记忆、自适应、自修复等多种功能于一身，缺一不可。但是以当前科技发展水平，设计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

普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但如果在混凝土基材中加入了其它材料，就使混凝土本身具备了本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。其中碳类、金属类和光纤比较常用。现在社会上主要有2种研究比较热门的损伤自诊断混凝土：碳纤维智能混凝土、光纤传感智能混凝土。损伤自诊断混凝土的自感应功能包括压敏性和温敏性等。

1.2自调节智能混凝土

混凝土常常承受的偶然荷载包括：台风、地震等。人们往往希望混凝土在承受这些荷载时，能够调整承载能力和减缓结构振动。但是混凝土本身是惰性材料，无法实现这一功能。自调节智能混凝土应运而生，它同时具有电力效应和电热效应等性能。所谓的自调节智能混凝土是在它内部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。这种材料具有形状记忆效应，举例来说，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。因此当在混凝土中埋入形状记忆合金时，可以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。

一些建筑，如各类展览馆、博物馆及美术馆等，通常对其室内的湿度有严格的要求。为达到这一目的，可以布设许多湿度传感器、控制系统及复杂的布线等。然而其成本和使用维持的费用都较高。日本学者研制了一种自动调节环境温度的混凝土材料。这种混凝土材料中的关键组分沸石粉带来自动调节环境湿度功能。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。其作用机理为：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

当混凝土承受荷载时，就形甚至出现裂缝。带缝工作的混凝土，强度会降低。如果空气中的CO2、酸雨和氯化物等通过裂缝侵人混凝土内部，将会使混凝土发生碳化，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，同时要想检查和维修混凝土的裂缝是很困难的。像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，断骨就会自动愈合一样，自愈合混凝土就模仿了这一生物组织。当遭受创伤时，可以自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能。能够在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经系统的组分是混凝土组分中的具有复合特性的材料，它促使混凝土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，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。

日本的东北大学三桥博三教授为首的日本学者的研究成果中，把内含粘结剂的胶囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，如果在外力作用下，混凝土发生了开裂，粘结液流出并深人裂缝。具有刚强度粘结力的粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。

2智能混凝土研究现状和应注意的问题

不管是自诊断、自调节复混凝土还是自修复混凝土，都处在智能混凝土的初级阶段，还远远没有达到智能混凝土的全部要求。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，可以称之为机敏混凝土。它们的功能单一，并不囊括智能混凝土的各种功能。随着对建筑材料的不断认识，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。这种混凝土将集合自感应、自凋节和自修复组件材料等，并把原始混凝土作为基材，各材料之间依据结构需要排列，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。

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Abstract: Intelligent is a modern concrete building materials and modern technology to combine the product of a traditional concrete material development of the advanced stage. Recalling the history of the development of concrete intelligence and research and look forward to a smart concrete development trends and application prospects on the research should pay attention to.

Key words: smart concrete development

前言

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。

转贴于

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。

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中图分类号：TV331文献标识码： A

引言

生物界经过亿万年的进化，已经形成了非常合理的生命结构，其各种优异的特性等优点令人叹为观止。如骨骼之间的连接既能满足人体所需的受力要求，又能满足灵活地运动要求。再如骨折后体液流入骨折后的缝隙之中能够起到保护破裂面和促使破裂面愈合的作用。这些例子均是来源于人或动物自身。而自然界本身也存在许多可以让我们借鉴的例子，如蜂巢和蜘蛛网等都具备相当合理的力学结构,见图1-图2。这样的例子不胜枚举，也赋予了我们在新事物研究中的新思路---即：在建筑物到智能建筑的历程上沿用由机器到机器人的思路。

图1 仿生学在工业实践中的运用（一） 图2 仿生学在工程实践中的运用（二）

1 智能混凝土的概念

对智能混凝土的研究源于上世纪90年代，是建筑物智能化时代的要求。所谓智能混凝土即是具有自诊断、自调节或自修复等特定功能的一种新型混凝土。近年来的研究思路还主要围绕在自诊断、自调节这个环节上，也有了较为可观的研究成果如：1989年，美国的D.D.L.Chung发现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，有可以使混凝土材料具自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。日本学者发现采用加入天然沸石的方法制成的调湿性混凝土具有以下特点：其可通过温度变化自行进行吸、放湿活动，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。通过大量的研究，该材料已应用于实际的工程当中。如日本月黑雅叙园美术馆、东京摄影美术馆以及成天山书法美术馆等。

对于自调节，尤其是自修复上还存在较大的问题，主要问题是一直没有一个解决思路或方向，而仿生学的引入为此提供了较为明确的思路，即以物拟人的思路。

2 仿生学在智能混凝土中的运用和发展

2.1 仿生学在智能混凝土中的运用

在现实生活当中，人的皮肤划破后，经过一段时间能够自然愈合；骨头折断后，若对接的好也可以很好地恢复。这些现象启发了混凝土仿生科学工作者研制自修复混凝土。自修复混凝土就是在混凝土中掺人某些特殊的成分，如日本研发的内含粘结剂的空心胶囊和美国研制的空心玻璃纤维或液芯光纤，通过这些内掺成分模仿人体组织分泌的可以使得伤口愈合的物质以使混凝土材料在受到损伤时在一定的程度内自动愈合。

美国和日本学者分别在内置玻璃纤维管和空心胶囊内加入化学粘结剂，当裂缝出现时，玻璃纤维管和空心胶囊随之破碎，随之其内部的化学粘结剂沿裂缝流出遇到空气立刻凝结。这样不仅可以起到一定的粘和作用，减缓或停止裂缝的发展，还可以保护内部钢筋，避免钢筋锈蚀，消除后期隐患，如图3所示：

图3 裂缝自修复混凝土工作原理

我国的学者近年来也在自愈合混凝土的研究中获得了一定的成果，如同济大学混凝土材料研究国家重点实验室曾将注入聚氨酯的空心玻璃管埋入40mm×40mm×160 mm 的水泥砂浆试件，并对构件进行三点弯曲试验，通过加载使试块产生微裂缝，导致修复纤维断裂，释放出的修复剂渗入基体内。再将试件再放回养护室中继续养护，直至修复剂固化。最后再次进行三点弯曲试验并对试件破坏过程进行检测。检测发现，增大加载后，修复部位并未开裂，裂缝出现在其他部位。这很有力地说明了不仅开裂的混凝土构件可以很好地自修复，而且自修复后的强度和韧性还略有提高。见图4所示。除了上述结果外，还有学者在混凝土外面设计一层树脂保护层，模拟动物的皮肤并使其具备相似的功能。

图4 同济大学三点弯曲试验

2.2 仿生学在智能混凝土结构中的发展

出于实用性的需要，仿生智能的研究不能仅仅限制于在混凝土中的应用，事实上其在桥梁和建筑的其他方面的研究也已经开展了好多年，并基本形成体系，如图5所示：

图5 仿生智能混凝土系统

1 )主动自防护系统

模仿高级生命体身体的皮肤系统与免疫系统, 把结构物置于一个相对稳定、具备自主免疫、基本封闭的健康环境中, 提高结构的寿命。（如在桥梁结构表面涂环氧树脂图层，形成桥梁的“皮肤系统”，以抵抗外界侵蚀性介质的入侵。）

2 )自动修复系统

模仿生命体内分泌系统，在肌体破损时能自修复现象，实现混凝土结构出现细小裂缝时自动修复的功能。（如内置含有胶结剂的胶囊或纤维管的自修复混凝土，当出现裂缝时胶囊或纤维管破裂，“分泌物”胶结剂流出并对裂缝进行填充修补。）

3 ) 神经系统

如前面所提及的损伤自诊断混凝土就是利用结构变形引起的碳纤维的变形对其导电性的影响来监测混凝土的损伤问题。这其中，碳纤维就充当了神经系统的角色，使得结构具有自我感知能力。

4 ) 处理和控制系统

实现部分高级生命体的大脑功能。这个课题是仿生智能混凝土研究中的较为高层次的一个研究方向。其主要致力于使混凝土结构或桥梁结构能够在出现问题的同时或在问题出现之前，能够自行处理即将出现或已出现的问题。这个方面实际已有相应的运用，如在有限制的桥梁前的某一路段的公路下方埋置相应设备，其可自行识别超载或超高危险车辆，通过LED显示器等设备发出警告或其他措施；在结构物较重要部位安装相应设备，一旦出现超限的危险，立马可以发出警报或采取措施的设备。这就如同我们的大脑指挥我们在危险时刻避险是一样的。

3 对未来仿生智能混凝土发展趋势的展望

对未来智能混凝土的研究应更加注重其“仿生”性。如在生命系统中，自愈合过程是通过物质补给和能量补给激发生长活性因子，促使其发挥作用来实现的。据此可以设计使掺人混凝土中的修复剂本身并不具有粘结基材的功能，但当与另外的物质（可以当作是生长活性因子）相遇时可反应生成具有粘接功能的物质，实现损伤部位的自动修复。Carolyn Dry曾在他的实验中，采用磷酸钙水泥（含有单聚物）为基体材料，在其中加入多孔编织纤维网，在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出引发剂（当作是生长活性因子），引发剂与单聚物发生聚合反应生成高聚物，其在多孔纤维网的表面形成了大量有机及无机物质并互相穿插粘结形成了与动物骨骼结构相类似的复合材料。具有优异的强度和延展性、柔韧性等性能。在混凝土材料使用过程中，如果发生损伤，多孔纤维就会释放高聚物，自动愈合损伤。

智能混凝土是智能化时代的产物, 它在对重大土木设施的应变监测、无损评估、修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力, 对确保建筑物的安全和长期的耐久性都极具重要性。智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术, 为传统建材注入了新的活力, 也提供了全新的发展思路。

参考文献

[1] 谢昌顺,罗素蓉.自修复智能混凝土的研究进展[J].福州大学学报（自然科学版）,2005，10 (33):147-150.

[2] 李 惠,欧进萍.智能混凝土与结构[J].工程力学,2007，12(24):45-61.

[3] 姚武,吴科如.智能混凝土的研究现状及其发展趋势[J].建筑石膏及胶凝材料,2000(10):22-24.

[4] 梁文泉,王信刚,何真,等.智能混凝土的研究[J].混凝土与水泥制品,2003，6(12):33-35.

[5] 匡亚川,欧进萍.混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展[J].力学进展,2006，8(36):406-414.

[6] 张雄,习志臻,王胜先.仿生自愈合水泥砂浆的研究进展[J].混凝土,2001，3(137):10-13.

第一作者个人简介

姓名：赵成功

出生年：1985年5月

性别：男

籍贯：陕西西安

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自20世纪80年代中期智能材料的概念提出后，科研人员就将其引入建筑材料的加工中，于是就有了智能混凝土的诞生，其主要是指通过在水泥基中加入不同类型的纤维以使混凝土具有智能化功能。

1 碳纤维智能混凝土

碳纤维具有高强、高弹性模量、质轻、耐高温、耐腐蚀和导电、导热性能好等特点，在水泥基材中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且可以显著改善其物理性能，尤其是电学性能。

1.1 导电性分析

由于碳纤维导电，因而由碳纤维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、裂纹等形成势垒，构成了一定的导电网络。掺入的碳纤维在混凝土基质中出现相互关联的带电粒子通道，通过电极施加电场时，电子沿通道运动而具有导电性。因此，可将碳纤维混凝土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。当在水泥净浆中掺加 0.5% 体积的碳纤维时，其作为应变传感器的灵敏度可达 700 mV/V，远高于一般的电阻应变片。基于这一特性，可开发碳纤维混凝土的智能化功能。

1.2 碳纤维混凝土的智能化

1.2.1 损伤自诊断

在疲劳试验中发现，在拉伸或压缩状态下，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，可应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。在碳纤维混凝土中，碳纤维在混凝土中的分散并不完全相互独立。按渗流理论，分散相在分散体系中的浓度达到临界点时，相互接触的分散相构成了无限渗流集团。即在碳纤维混凝土中，随碳纤维掺量增大，逐渐形成了纤维聚集团簇。团簇内纤维彼此连接，当碳纤维掺量大于临界值时全部团簇形成渗流网络，使导电率急剧上升。根据这一理论，当碳纤维束受力导致纤维丝断裂时其导电性降低，而且其导电性降低的程度与断裂的碳纤维的数量成正比，即与受力大小成正比，因而可以用埋入碳纤维的电阻变化，来监测混凝土及相关结构部件的受力情况和形变情况。在具体应用时，可以将碳纤维增强树脂做成棒材，在加载作用下形变量增加导致材料电阻值增加，当电阻值急剧增加时，说明材料所受的应力已接近其临界状态，进一步加载会导致灾难性破坏，因此这种材料能够预测混凝土结构材料的寿命。

利用碳纤维复合材料做智能结构诊断，可用于：①防盗保护。将树脂、碳纤维与玻璃纤维粘接成棒状，并交叉成网状，外面覆盖混凝土，做成银行的防盗保护墙体。强盗从任何一个地方钻孔打洞，都会引起墙体的电学信号值的急剧变化，从而发出警报。②安全监测。将这种敏感碳纤维复合材料连接到高层建筑物的钢筋混凝土结构上，可以监测高层建筑物的倾斜度、各个部位的形变量以及受力过大的部位。日本建造的 66 层综合写字楼中已使用这种碳纤维敏感材料，可以随时掌握高层大楼内各个部位的受力情况，以提高大楼的使用安全性。

1.2.2 温度监控与调节

碳纤维混凝土具有温敏性，即温度变化会引起电阻变化及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电效应。研究表明，其在最高温度为 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；当水泥浆中每克水泥掺入 10 mg碳纤维时，其温差电动势极大值为 18 µV/℃，灵敏性较高。利用这一特性，可实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时测量，也可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。

碳纤维在通电时能够发热，在含有碳纤维复合棒材或者短切碳纤维的混凝土中通电后，可使墙体表面的温度提高 5 ～ 20 ℃。因此，可用埋入的碳纤维复合棒材加热墙体以提高室温，将其用于地下防空洞墙体或者图书资料馆的墙体，若所使用电压低于 10 V，对人体不会造成安全危害；还可应用这一技术对混凝土路面、桥面和机场跑道等结构进行融雪化冰等，基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应融雪和融冰系统的智能混凝土研究已在欧美等国家和地区的寒冷地区展开，尽管将短切碳纤维加到混凝土中的额外费用将提高大约 30%，但与粘贴或埋入传感器的做法相比仍然非常便宜。

1.2.3 利用反射电磁波来导航

使交通系统智能化是交通运输领域的一个发展方向。通过对高速公路上车道两侧的标记进行识别，电脑系统可以确定汽车的行驶线路、速度等参数。如果在混凝土中掺入0.5% 直径为 0.1 µm的碳纤维微丝，则这种混凝土对 1 GHz电磁波的反射强度要比普通混凝土高 10 dB，且其反射强度比透射强度高 29 dB，而普通混凝土反射强度比透射强度低 3 ～ 11 dB。研究表明，碳纤维微丝经臭氧处理后再掺入混凝土中，不但能提高混凝土反射电磁波的能力，而且能提高混凝土的抗拉强度。采用这种混凝土作为车道两侧导航标记，可实现自动化高速公路的导航。由汽车上的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波，经过反射，由汽车上的电磁波接收器接收，再通过汽车上的电脑系统进行处理，即可判断并控制汽车的行驶线路。采用这种混凝土作导航标记，其成本低，可靠性好，准确度高。另外，利用碳纤维混凝土的压敏特性，还可以将碳纤维混凝土应用在桥梁上，对车辆的载重量实时监测，限制超重车辆的通行；用于高速公路可以实时监测车辆的速度、方向、承载量；与交通信号灯结合，可对车流进行实时智能控制。

1.2.4 自动排除混凝土中的碱性物质

当混凝土使用一段时间后，其中的碱性物质就会逐渐聚集，并向钢筋表面移动，逐渐腐蚀钢筋，导致水泥开裂。在含有碳纤维棒或者丝的混凝土两端，施加高压直流电，混凝土中的碱性物质会被导电碳纤维吸附，并向负极移动，最终移动到混凝土表面而被清洗干净，从而增加混凝土构件的使用寿命。日本已陆续采用这种方法保护和维护一些国宝级文物建筑和海边的建筑物。

1.2.5 监测水泥管道的漏水情况

在钢筋混凝土管道的外壁内，平行于管道轴线，等间距地安置碳纤维敏感棒材，当碳纤维周围水分增高时，其导电性会明显增加，因而可以通过监测其电阻值的变化，来监测管道的漏水情况。

2 光纤智能混凝土

光纤是传播光信息的纤维材料，主要成分以SiO2为主，一般是由折射率高的内芯和折射率较低的包皮涂料拉制而成。光线进入光纤的内芯后，在内芯和涂料界面处发生全反射，光线就在光纤内部传输。在混凝土结构的关键部位埋入光纤传感器或其阵列，可探测混凝土在硬化以及受载过程中内部的应力和应变变化，并对由外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时、在线无损监测，有利于结构的安全监测、维护和整体评价。

2.1 光纤传感技术

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。若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。将光纤埋入混凝土中时，界面之间应具有良好的结合，两个关键问题在于：光纤埋入混凝土中时，不会因为填充物及机械震动而受到损伤；在高碱度水泥糊剂的环境中，必须具有化学耐久性。为此，可采用以下光纤埋入方法：①由金属保护管围绕纤维，在埋入时，先将管子安放到位再将混凝土浇在上面，等浇灌操作完毕，将金属管子缓慢移动，抽出离开内部的纤维，这样可使水泥形成光滑界面；②有两个金属管在光纤两端，光纤可在这两段金属套管中自由移动，金属封装应该采用与混凝土膨胀系数相匹配的材料制成，以使残余温度应力最小；③利用绝缘垫片将无壳纤维固定在钢筋上，而垫片不影响混凝土与纤维之间的结合。

2.2 光纤混凝土对于内部裂缝的监测

光纤内传输的光存在辐射、吸收和辐射损耗，当光纤的空间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变为辐射模，从而引起损耗即微弯损耗。在光纤直线段中以小于临界角的角度传播的光线，可因光纤的弯曲而使它们在纤芯与包层界面处的入射角加大，于是有一部分光便传输到包层中，使光纤中传输的光输出强度减小，即产生微弯损耗，该损耗量可通过采用光功率计直接测量光纤光功率输出。

当混凝土受外加荷载或温度影响而产生裂缝时，跨越其间的传感器将局部发生拉伸和剪切变形，从而使光纤在拉伸、剪切、横向挤压和钢丝绳表面凹凸的综合作用下产生微弯，引起该位置OTDR检测信号的衰减，实现传感。通过截面梁三点弯曲试验验证了该种传感器对混凝土裂缝的识别效果。试验结果表明，加载后，随着梁挠度的增加，光强衰减量与梁挠度相关曲线呈较强的上升趋势。说明传感器对拉伸和剪切应变非常敏感。在曲线中有斜率突变处，表明此挠度时混凝土梁产生了微裂纹，且随挠度增加裂纹随之扩展至有新的裂纹生成。此现象说明，该传感器对混凝土结构内部裂缝的产生、扩展识别效果显著。

目前，光纤传感器已用于加拿大Beddington Trail双跨公路桥的内部应变状态监测；美国Winooski水电大坝的振动监测；重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥的长期监测与安全评估等。

3 空心玻璃纤维智能混凝土

高强空心玻璃纤维强度高、刚度高、密度小，比强度、比刚度与实心玻纤相近，可用于建筑混凝土的自我修复。

3.1 自我修复原理

模仿生物组织能自动分泌某种物质使受创伤部位得到愈合的机能，通过在混凝土中复合特殊修补组分（如含粘结剂的空心纤维），形成仿生自愈合神经网络系统，在混凝土遭到外力破坏产生裂纹时复合的特殊修补成分就会自动释放并对混凝土产生修补作用。

3.2 玻璃纤维智能混凝土的自我修复

Carolyn Dry等用空心玻璃纤维存储粘结剂埋入混凝土中，当混凝土结构受外力因素影响时，材料内部因应力改变而产生裂纹，使空心纤维产生破裂，修补液从纤维洞穴流向基质而固化，以修补瞬间产生的微裂纹。但将空心玻璃纤维埋入混凝土基体时，若埋入数量过多将降低混凝土的宏观强度，若数量过少，如何保证空心玻璃纤维恰在混凝土的微裂纹产生处又是一个难题。而且，纤维管与基体的匹配性能、修补剂的粘接质量、裂纹的开裂机制等都会在不同程度上影响修补效果。另外在混凝土浇注过程中，埋入空心玻璃纤维将会增加施工复杂度，影响施工进度。因此，这种修补方式要想取得实际应用仍有许多问题需要解决。与此机理相同的还有空心微胶囊修复技术，但微胶囊混合得较为均匀，使得这种自修补方式具有更高的机敏性和适应能力。微胶囊与基体材料的匹配、微胶囊的掺入比例、修补剂的质量、裂纹的开裂机制等同样会影响到自修复的效果。

4 结束语

智能混凝土的出现是智能化时代的要求，对于土木基础设施应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有着重大的现实意义。作为建筑材料领域的高新技术，通过引入新型高性能纤维材料，智能纤维混凝土为传统建材的发展注入了新的内容和活力，同时也进一步拓展了新型纤维材料的应用领域。

参考文献

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[2] 李化建，盖国胜，黄佳木，等. 智能混凝土[J]. 建材技术与应用，2002（1）：8－10.

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[4] 王顺强，张红娟. 智能混凝土的研究进展[J]. 中国水泥，2005（11）：70－72.

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[6] 梁文泉，王信刚，何真，等. 智能混凝土的研究[J]. 中国水泥，2003（6）：33－35.

篇9

Abstract: the intelligent material used in carbon fiber as the bridge structure, the application of carbon fiber concrete electric heating, electricity-force-effect, to improve the bearing capacity of the bridge and deformation capacity, open up the carbon fiber concrete application field, and for the bridge structure control and puts forward a new method of intelligent bridge, and for the new bridge development and strengthening old bridge is expanding a new road.

Keywords: carbon fiber concrete; Intelligent bridge; Improve the bearing capacity

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

1.引言

近年来国内外的桥梁研究者们都在努力探索新的具有自诊断和自修复的智能桥梁结构。健康监测系统等一系列的桥梁结构智能控制系统已成为近年研究的焦点，并已经取得了一些成就，光纤光栅传感技术以及一些引入复合材料后具有机敏性的智能混凝土的应用与研究，为人类桥梁史的发展开辟了新的途径。

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有一定困难。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。

本研究以国家自然科学基金项目为资助，以318国道湖北荆州一座急待改建小桥为依托工程，初步探讨碳纤维混凝土智能材料在桥梁结构中的应用，取得了很好的应用效果。

2.实桥改造试验方案

观音垱桥是318国道上的一座小桥，该桥为(1×6.80)米钢筋混凝土板桥，桥面总宽为14.10米，两边各有0.30米宽钢筋混凝土路缘石，净宽为13.50米。设计荷载为：公路Ⅱ级；公路等级：二级公路。由于该桥处于国道上，日交通量大，重载车日益增多，且使用已久，出现了桥面龟裂，主板出现大量裂缝，伸缩缝坏死，支撑梁损坏等病害。故对桥作如下改造、加固措施。

2.1 三片钢桁架。钢桁架用钢δ22，Q235；焊条，E43型；焊缝厚6mm。

各桁架布置标高一致；在桁架入台耳处的桥台内预埋300×300×10mm钢板，下焊4根φ8长100mm钢筋，桁架与预埋钢板焊接。

2.2 三个碳纤维混凝土短柱。短柱：C30混凝土，内掺含体积率1%的短切碳纤维。

短柱上下有两电极，并将电线接上并外引至南侧桥边，电源为110V，短柱两侧粘好测温度的线，并外引至南侧桥边；短柱4侧打磨干净，再涂两遍酚醛树脂；在短柱顶面上现灌托梁。

2.3 一个托梁。托梁：C30混凝土，8Φ16。

托梁构造如下：（1）N3为托架往下凸出部分内的钢筋，每处4Φ16，与N1 ，N2绑扎，并于往下凸出部分50cm，内布4φ8@150箍筋。（2）托梁分两次浇灌，南侧托梁与梁板间预留2 cm间隙，北侧托梁与梁板间预留1cm间隙，第一次浇筑路左幅（南侧）705cm部分；待右边公路行车后再灌右幅（北侧）705cm部分。

2.4 更换梁板及桥面铺装。

装应变片的空心板共5块，布置在3个上和桁架之间，其中桁架上的板装4块应变片，另2块装2块应变片。在安装处先将钢筋打磨光滑，让应变片完全接触钢筋，涂上环氧树脂，贴上应变片，绑上粘胶，然后用纱布一层层裹实，每裹一层涂上一层环氧树脂；每块板的应变线做上记号，并外引至南侧桥边。

3.碳纤维混凝土桥梁智能化方案与试验

3.1 研究了组合结构体系

用桁架与梁组合，使梁跨中弯矩减少40﹪。

3.2 提出了三种智能材料在桥梁结构中的应用方案

（1）梁中CFRP混凝土层桥梁结构

图1-1短切碳纤维混凝土梁

图1-1所示结构在梁的下缘作成CFRP混凝土簿层如2cm，通过电极通电，CFRP混凝土层发热升温，从而梁上下缘产生温差，超静定梁就产生负弯矩和

上拱，这样，梁弯矩和挠度分别下降54﹪和96﹪，但是耗电较大。

（2）桁架梁智能结构

如图1-2所示结构的桁架与梁不直接接触，在桥宽方向布置多片桁架，在各竖杆底端用联系杆将桁架横向联系起来，用托梁（可用钢筋混凝土构件）将各片梁（板）横向托起，CFRP混凝土短柱紧挨桁架竖杆，置于联系杆和托梁之间。短柱通电升温就伸长，这就可智能化地向梁提供向上的力，从而减少梁的弯矩和桡度，效果分别达到73﹪和64﹪。

图1-2. 桁架梁智能结构图1-3. 斜撑梁智能结构

（3）斜撑梁智能结构

如图1-3所示结果，斜撑支在桥台（墩）上，CFRP混凝土短柱置于梁和斜撑之间并紧密接触；CFRP混凝土短柱通电后，短柱伸长给梁顶力，所以梁的弯矩和桡度减少，效果都可超过90﹪甚至达到100﹪。

智能材料在桥梁中控制效果：CFRP层砼桥，弯矩下降54%，挠度下降96%；桁架梁智能桥，弯矩下降73%，挠度下降64%；斜撑梁智能桥，弯矩下降90%以上，挠度下降90%以上。

由此可见优良排序：斜撑梁智能桥、桁架梁智能桥、CFRP混凝土层桥

3.3 CFRP混凝土材料特性试验

通过试验获得CFRP混凝土材料特性，主要为电—热效应、导电性能、时间温度关系、时间变形关系；

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Artificial intelligent method for prediction of temperature field in mass concrete

Fang Ri-xing1Liu Yun-jie2

(1.TangShan CaoFei Dian ShiYe Port Co.,LTD TangShan, 063300;2. Tianjin Port Construction Company, Tianjin 300461)

Abstract: The temperature field of mass concrete is unsteady temperature field is affected by many factors, the heat conduction theory for solving the transient temperature field of tradition is very difficult. Using the BP neural network according to the characteristics of large volume concrete temperature field, a prediction model of L-M algorithm is proposed based on temperature field. The predicted results show that, the model has fast convergence speed, high prediction accuracy.

Keywords: Massive concrete; temperature field; artificial neural network; hydration reaction; LM algorithm

0．引 言

大体积混凝土一次浇筑量大，混凝土体积厚，导热系数比较低，水泥水化产生的热量不能及时散失，使混凝土内部温度逐渐升高，造成较大的温度梯度。如果不采取措施控制混凝土的温度，混凝土就会开裂[1]。如果在施工以前能够成功地对混凝土温度场进行预测，可为设计、施工、采取温控措施、防止混凝土开裂提供依据。这对于提高工程质量有重要意义。

但由于水泥水化过程中，系统的温度、生热率、热流率、热边界条件等随时间都有明显变化。因此，采用传统的热传导理论求解这种瞬态温度场是非常困难的。本文探索性地采用BP 神经网络，从混凝土结构出发，以结构尺寸及边界条件、浇筑温度、环境温度、绝热温升、导温系数作为输入参数，混凝土内部温度最大值和温度梯度最大值作为输出参数，采用LM(Levenberg-Marquardt)优化算法对学习样本进行优化，建立大体积混凝土温度场的预测模型，对温度场进行预测。

1．大体积混凝土温度场构成因素分析

用有限元分析软件ANSYS对某大体积混凝土剪力墙进了瞬态温度场分析，如图1所示。

图1某大体积混凝土墙瞬态温度场分析

通过温度场有限元分析我们可以看出混凝土内部最高温度一般发生在结构物的中心位置。另外，如下五种因素对大体积混凝土温度场有重要影响：

1．1混凝土的浇筑温度

在绝热条件下，混凝土内部的最高温度，是浇筑温度Ti与水泥水化热温升的总和。降低混凝土的浇筑温度，亦就是相应地降低了混凝土内部的最高温度，并减小了结构物的温度梯度。

1．2混凝土的最高绝热温升

混凝土内部温度升高的根本原因是水泥水化放热。混凝土的最高绝热温升可由下式计算[3]：

式中，Tm为混凝土的最大绝热温升（℃）；

Wc为混凝土的水泥用量（kg/m3）；

为水泥的水化热（kJ/kg）；

C为混凝土的比热（kJ/kg•℃）；

为混凝土的容重（kg/m3）。

由于不同混凝土结构的水泥用量、水泥水化热、混凝土容重、比热等不尽相同。本文通过引入混凝土的最高绝热温升Tm作为大体积混凝土温度场预测模型输入参数之一，综合考虑了不同混凝土结构的以上不同因素。

1．3边界条件和结构尺寸[4]

混凝土建筑物中，广泛适用的是第三类边界条件，即假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度和混凝土周围介质温度之差成正比，但第三类边界条件在数学上处理比较困难。因此在分析中，对第三类边界条件的处理，采用自真实边界向外延伸一个虚拟厚度，得到一个虚边界，如图2所示，在虚边界上混凝土表面温度等于外界介质温度。

图2 混凝土结构表面虚厚度示意图

如果混凝土的实际厚度为h，则在计算中采用的计算厚度为：

L=h+2d

式中L为混凝土的计算厚度（m）；

h为混凝土的实际厚度（m）；

d为混凝土的虚厚度（m）。而虚厚度d可近似地按λ/β来计算，即

d= K•H＝K•λ/β

式中λ为混凝土的导热系数；β为混凝土模板及保温层的传热系数；K为计算折减系数。β可按下式计算：

式中，为各种保温材料的厚度（m）；为各种保温材料的导热系数(W/m•K)；βq为空气层传热系数。

本文采用计算厚度：L=h+2d，把虚厚度同结构尺寸及保温层导热系数结合起来一并考虑。

1．4环境温度

混凝土内部温度升高的同时要向外部环境散热降温。第三类边界条件假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度和混凝土周围介质温度之差成正比。因此，环境温度通过影响混凝土表面的热流量来影响混凝土内部温度场。

1．5混凝土导温系数

混凝土的导温系数表示混凝土内部热量扩散特性，或表达混凝土内部温度的变化速率。导温系数h2(m2/h)可由如下公式计算[5]：

h2＝λ/Cγ

式中，λ(KJ/(mh℃))为导热系数；C(KJ/kg℃)为比热；γ(kg/m3)为混凝土容重。

本文通过引入混凝土的导温系数作为大体积混凝土温度场预测模型输入参数之一，把混凝土的导热系数、比热及容重结合起来一并考虑。

2．BP神经网络