第十章

智能混凝土新型工程材料2026/1/242第十章智能混凝土1234概述自感應混凝土形狀記憶合金混凝土自修復材料智能混凝土的發(fā)展趨勢CONTENTS52026/1/243第十章智能混凝土1234概述自感應混凝土形狀記憶合金混凝土自修復材料智能混凝土的發(fā)展趨勢CONTENTS52026/1/24410.1概述

智能混凝土是在傳統(tǒng)混凝土原有組分基礎上復合智能型組分，如傳感器、驅動器、微處理器等，使混凝土成為既能承載又具有自感知、記憶、自適應、自修復等特定功能的多功能材料。

智能材料依據功能特點主要分為三大類：（1）自感應材料（2）自調節(jié)材料（3）自修復材料2026/1/245第十章智能混凝土1234概述自感應混凝土形狀記憶合金混凝土自修復材料智能混凝土的發(fā)展趨勢CONTENTS52026/1/24610.2

自感應混凝土10.2.1導電混凝土

自感應混凝土也稱為自診斷混凝土。普通混凝土材料沒有自診斷功能，人們將其他特殊組分摻入其中，使混凝土材料發(fā)生特性變化，并以此來判斷混凝土結構內部所發(fā)生的變化，這就是混凝土的機敏性（壓敏性、溫敏性以及濕敏性等）。1.定義導電混凝土是指在原混凝土配料中摻入一定比例的導電材料，使其具有良好的導電性能。2026/1/24710.2自感應混凝土10.2.1導電混凝土1.導電材料（1）碳系導電材料1）炭黑:炭黑是一種價格極為低廉的導電材料，但其比表面積大，吸水性率高。2）石墨:石墨具有良好的導電和導熱性，化學性質穩(wěn)定，耐腐蝕，不易與酸、堿發(fā)生反應。3）碳纖維:適量的碳纖維，不僅可以增加混凝土的力學性能，還可以改善混凝土的導電性。2026/1/24810.2自感應混凝土10.2.1導電混凝土（2）金屬與金屬衍生物導電材料1）鋼纖維和鋼屑鋼纖維和鋼屑也是一種常用的導電填料.2）鋼渣鋼渣中含有一定量的氧化鐵和金屬鐵，有作為導電材料的潛質。2.導電混凝土的工作原理（1）復合材料導電性能的基本概念1）極化效應:極化效應是電極在有電流通過時所表現的電極電勢與可逆電極電勢產生偏差的現象。極化類型有電子式極化，離子式極化，轉向極化（對于極性電介質）和空間電荷極化。其中，離子極化是影響導電混凝土電阻率的最重要因素。2026/1/24910.2自感應混凝土10.2.1導電混凝土2）載流子材料在電場作用下能產生電流時由于介質中存在能自由遷移的帶電質點，這種帶電質點被稱為載流子。3）滲濾閥值滲濾閾值，是在給定的復合材料中構建連續(xù)導電通路所需的最小導電填料體積分數。（2）聚合物復合材料導電機理

1）滲濾理論

普通混凝土通常不具備良好的導電能力，因此一般需要摻入導電填料，利用導電填料在混凝土基質中所形成的導電通路，才能賦予混凝土足夠的導電性能。電納米復合材料滲流理論示意圖2026/1/241010.2自感應混凝土10.2.1導電混凝土2）有效介質理論滲濾理論主要探討導電微粒濃度復合材料電阻率直接的關系。3）量子力學隧道導電理論①隧道導電理論在二元組分導電復合材料中，當高導組分含量較低（在滲濾閾值附近）時，隧道導電效應對材料的導電行為影響較大。根據量子力學理論，當兩種導電粒子間距足夠小時，即使該兩種導電粒子未接觸，一種導電材料中的電子也會躍遷到另一種導電材料中，形成導電電流，這種現象稱為隧道效應。2026/1/241110.2自感應混凝土10.2.1導電混凝土（1）壓電效應壓電材料受到機械變形時，就會引起內部正負電荷中心發(fā)生相對移動，從而導致壓電元件表面產生電荷，這種現象稱為正壓電效應。（2）主要壓電參數對壓電材料或壓電元件的壓電性能具有影響的主要參數有：1）壓電系數

2）介電常數

3）彈性系數

4）機電耦合系數

5）介電損耗

6）頻率常數

7）機械品質因數2026/1/241210.2自感應混凝土10.2.1導電混凝土2.壓電混凝土的工作原理目前國內外基于壓電陶瓷的結構健康監(jiān)測技術主要可以分為兩大類：主動健康監(jiān)測技術與被動健康監(jiān)測技術。主動健康監(jiān)測技術是利用嵌入結構內部或粘貼在結構表面換能器，一部分作為驅動器發(fā)射激勵信號，另一部分作用傳感器接收信號，結合相應的算法來評估結構的健康狀態(tài)。而被動監(jiān)測是在沒有驅動器主動激勵的情況下，直接根據嵌入結構內部或粘貼在結構表面的壓電傳感器響應（應變、溫度等），并結合相應的模型及參數的分析，以此來評估結構的健康狀態(tài)。2026/1/241310.2自感應混凝土10.2.2壓電混凝土3.導電混凝土的應用導電混凝土具有導電、熱敏、壓敏、溫敏以及電磁屏蔽等方面的性能，目前開展的應用研究主要有以下幾個方面：電力設備接地工程、結構的安全監(jiān)測、智能交通系統(tǒng)、電熱除冰化雪和電磁屏蔽。1.壓電材料19世紀80年代，皮埃爾·居里和雅克·居里發(fā)現在進行熱點現象及晶體對稱性的研究中，發(fā)現在電軸方向施加應力時，一些沒有對稱中心的晶體會在與電軸正交方向的電極面上產生大小相等但符號相反的電荷。2026/1/241410.2自感應混凝土10.2.3光導纖維混凝土光導纖維簡稱光纖，一般用來傳輸通訊信息。光纖可對任何導致光纖中光信號變化的物理量進行測量。這也是制成光纖傳感器的依據。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有體積小、靈敏度高、耐疲勞、抗電磁干擾、傳輸頻帶較寬、使用期限內維護費用低以及能夠實現分布或準分布式測量等優(yōu)點。組成光纖的材料自身抗剪能力很差，易斷。光纖的檢測和數據處理系統(tǒng)復雜、成本高。2026/1/2415第十章智能混凝土1234概述自感應混凝土形狀記憶合金混凝土自修復材料智能混凝土的發(fā)展趨勢CONTENTS52026/1/241610.3自調節(jié)混凝土10.3.1形狀記憶合金混凝土

形狀記憶合金被廣泛應用于智能材料的研究中，除了因為它擁有能夠記憶形狀的功能之外，還依賴于形狀記憶合金自身擁有高彈性，以及良好的阻尼特性。1.形狀記憶合金材料發(fā)生塑性變形后，經過合適的熱過程，能夠恢復到變形前的形狀，這種現象叫做形狀記憶效應。具有形狀記憶效應的金屬一般是兩種以上金屬元素組成的合金，稱為形狀記憶合金。這種材料本身具有自感知、自診斷和自適應的功能。2026/1/241710.3自調節(jié)混凝土10.3.1形狀記憶合金混凝土

形狀記憶合金被廣泛應用于智能材料的研究中，除了因為它擁有能夠記憶形狀的功能之外，還依賴于形狀記憶合金自身擁有高彈性，以及良好的阻尼特性。（1）SMA的分類至今為止發(fā)現的形狀記憶合金體系有50多種，包括：Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。而其中具有較大應用價值而被廣泛研究的主要有Ni-Ti合金、Fe基合金及Cu基合金。2026/1/241810.3自調節(jié)混凝土10.3.1形狀記憶合金混凝土

（2）SMA的工作原理一般情況下，SMA在溫度和應力的作用下將會出現兩種結構狀態(tài)，即高溫奧氏體相（又稱母相A）和低溫馬氏體相（M）。1）溫度誘發(fā)的馬氏相變當SMA僅受溫度作用時，存在四個臨界相變溫度—馬氏體相變開始溫度Ms、馬氏體相變完成溫度Mf、逆相變開始溫度As以及逆相變完成溫度Af，且滿足：Mf<Ms<As<Af。2）應力誘發(fā)的馬氏相變當SMA在低溫下僅受應力作用時，存在兩個臨界相變應力——馬氏體相變開始應力σs以及馬氏體相變完成應力σf。2026/1/241910.3自調節(jié)混凝土10.3.1形狀記憶合金混凝土（3）SMA特性1）形狀記憶效應：隨著溫度的升高，形變逐漸消失，材料可重新恢復至初始形狀。這種特性即為SMA材料的形狀記憶效應。2）超彈性和偽彈性超彈性是指處于完全奧氏體相的SMA材料在外部應力作用下直至產生非彈性變形，卸載后不需加熱變形也能夠完全自動恢復。3）阻尼特性及彈性模量變化特性阻尼是指使自由振動衰減、并把運動能轉化為熱能或其他可以耗散的能量的一種阻礙作用，是材料對能量吸收的量度。2026/1/242010.3自調節(jié)混凝土10.3.1形狀記憶合金混凝土2.形狀記憶合金混凝土工作機理基于現有研究與工程應用，形狀記憶合金混凝土可對混凝土完成裂縫寬度檢測，隔振、減震以及自修復，其相應的工作原理如下。3.形狀記憶合金混凝土的應用將SMA材料應用到建筑結構中，主要有以下兩種方式：（1）與混凝土結合，制成智能混凝土（2）先將SMA施加拉力作用，制成預應力SMA，2026/1/242110.3自調節(jié)混凝土10.3.2相變混凝土1.相變材料

相變材料是利用相變過程中吸收或釋放的熱量來進行潛熱儲能的物質，其相變過程是伴隨有較大能量吸收或釋放的等溫或近似等溫過程。2.相變儲能混凝土工作機理相變儲能材料的應用方式主要有兩類：一類是將相變材料與圍護結構相結合，利用相變材料潛熱儲能的性能調控室內溫度，達到舒適和節(jié)能的目的。另一類是將相變材料與大體積混凝土結合，主要通過相變材料儲熱吸熱的性能，降低大體積混凝土內部的絕熱溫度抑制溫度裂縫的產生，改善混凝土強度和使用壽命。2026/1/242210.3自調節(jié)混凝土10.3.2相變混凝土相變儲能圍護結構的應用原理主要有以下四點：（1）相變儲能建筑材料可以積極的吸收建筑過剩的能量與廢能，可將采暖空調制熱以及人體釋放的熱能儲存起來，同時被動的吸收室外太陽能，相當于增加墻板的隔熱性能，降低高峰值溫度，在溫度較低的時候將這些儲能釋放出來調控室內溫度。（2）可以調整能量在供給和需求時間上的不一致性：將白天的高溫余熱轉移到夜間釋放；延遲室內高溫，減輕電力高峰負荷，有效解決能量供給與需求時間失衡的難題。2026/1/242310.3自調節(jié)混凝土10.3.2相變混凝土（3）可以調整能量在不同空間位置上的遷移：相變圍護結構將吸收房間墻板、地板、天花板以及空氣中等各個方位的熱量，使房間內各個位置的溫度保持一致，增加人體舒適度。（4）具有良好的熱慣性，增加墻體的儲能容量，削減室內溫度幅度的變化，有效改善建筑熱環(huán)境；提高墻體的保溫隔熱能，節(jié)省空調和采暖能耗；可減輕墻體自重，降低墻體厚度，增大房間的有效使用面積。因此，相變建筑材料在節(jié)約建筑能耗方面有廣闊的應用前景。

2026/1/242410.3自調節(jié)混凝土10.3.3其他自調節(jié)混凝土1.基于電流變體的自調節(jié)混凝土

電/磁流變體材料在外部施加的電/磁場作用下，材料性質（如黏性、塑性）會發(fā)生比較明顯的可逆變化。當施加的外部電場或磁場超過一定的范圍時，電/磁流變體材料就會從液態(tài)迅速變成固態(tài)。電流變材料響應速度快、狀態(tài)轉變所需要的能量低、價格低廉。磁流變體材料則有滯遲現象。目前電/磁流變體材料已廣泛運用于風振及地震等環(huán)境下的工程結構減振控制。電流變體的本質是一種懸浮粘合劑，它可以通過感知外部電場的變化來調節(jié)自身流變的變化，2026/1/242510.3自調節(jié)混凝土10.3.3其他自調節(jié)混凝土2.基于濕度傳感器的自調節(jié)混凝土

磁致伸縮材料是一種在外部磁場的作用下發(fā)生偏轉進而產生應變的材料。電致伸縮材料的原理類似于磁致伸縮材料，在外部施加電場時也會產生變形。磁/電致伸縮材料具有很強的磁/電致伸縮效應，能夠進行磁/電能和機械能的相互轉換。圖中該材料制備的磁致伸縮傳感器主要用于位移的測量，測量主要是依據嵌有磁致伸縮材料的波導絲、電源及非接觸磁環(huán)進行。2026/1/2426第十章智能混凝土1234概述自感應混凝土形狀記憶合金混凝土自修復材料智能混凝土的發(fā)展趨勢CONTENTS52026/1/242710.4自修復混凝土10.4.1自修復材料

材料的自修復可以定義為其自動或主動愈合（覆蓋、修復）損傷的能力。10.4.2纖維自修復混凝土1.空芯光纖自修復空心光纖是由纖芯、包層和涂敷層等多層介質組成的結構對稱圓柱體，將纖芯含修復劑的空心光纖網絡埋于混凝土結構中，當混凝土結構在外部荷載或溫度變化產生內部變形或損傷，導致光纖受到拉壓、彎曲時，光纖中的光損耗會迅速加大，使輸出的光強度、相位、波長及偏振等發(fā)生變化，通過監(jiān)控系統(tǒng)及時監(jiān)測到基體損傷。并精確判斷損傷的具體位置，在注膠系統(tǒng)加壓作用下，纖芯內的修復劑從破裂的空芯光纖管內迅速流出，對損傷處進行修復。2026/1/242810.4自修復混凝土10.4.2纖維自修復混凝土

光纖修復也存在一定的局限：（1）由于修復劑的注入削弱了光的傳輸，智能結構中的光纖長度受到限制；（2）空芯光纖纖芯細，容量有限，制約修復劑儲存量，需配套修復劑注入設施；（3）光纖埋入混凝土中，向混凝土中引入了界面缺陷，影響混凝土的力學性能和耐久性；（4）光纖與混凝土結合界面產生應力集中，導致空心光纖的傳輸性能下降，甚至斷裂。2026/1/242910.4

自修復混凝土2.纖維自修復

中空纖維自修復方法與空芯光纖方法相近，即將膠粘劑注入到中空玻璃纖維中，并埋到混凝土中，從而形成智能仿生自愈合網絡系統(tǒng)。中空纖維自修復具有以下優(yōu)點：（1）中空纖維的排布可以與結構纖維相匹配；（2）可以按堆積規(guī)律排布，以應對可能的失效威脅；（3）可以根據不同的操作需要應用不同的修復劑；（4）可以用不同的激化方法處理樹脂；（5）由纖維通道，潛在地可以有大量的液體樹脂用于修復裂紋2026/1/243010.4自修復混凝土10.4.2纖維自修復混凝土中空纖維自修復技術尚存以下缺點有待解決：（1）纖維必須破裂以釋放修復劑；（2）為了方便纖維滲流，必須使用低粘度的樹脂；（3）修復劑必須作為一種附加的處理方法被注入；（4）如果用在碳纖維混合的復合材料中，玻璃纖維的熱膨脹系數會不匹配。不同中空纖維自愈合方法10.4.3微膠囊自修復混凝土微膠囊自修復混凝土中微膠囊自修復方法的基本原理為：（1）使用一定的方法包覆修復劑，制作微膠囊，并將其分散在基體材料中；（2）當一定的觸發(fā)機制（主要有力學、化學、光觸發(fā)等）發(fā)生，微膠囊響應釋放出修復劑；（3）修復劑與基體材料發(fā)生反應，達到自修復目的。2026/1/243110.4自修復混凝土10.4.3微膠囊自修復混凝土

1.力學觸發(fā)微膠囊自修復混凝土力學觸發(fā)微膠囊自修復方法的優(yōu)點為：（1）有利于單一樹脂體系的修復；（2）在樹脂體系的自修復中較好的強度恢復；（3）水泥基體內部存在大量微小空隙使得微膠囊易于均勻分散于材

料而不會明顯影響材料性能。但該方法缺點包括：（1）要求微膠囊破裂以釋放修復劑（2）樹脂膠囊必須緊密接觸催化劑（3）膠囊的摻加影響基體中纖維選擇（4）催化劑和微膠囊的分散要與破壞

區(qū)域相配（5）樹脂儲存量有限（6）修復樹脂消耗后產生內部孔隙（7）樹脂必須與微囊壁材相匹配（8）在復合材料自修復技術上存在

應用難題。2026/1/243210.4自修復混凝土10.4.3微膠囊自修復混凝土2.化學觸發(fā)微膠囊自修復混凝土（1）氯離子Cl-觸發(fā)：有學者研究以了一種海藻酸鈉-銀離子Ag+微膠囊，與在Cl-下，海藻酸鈉壁瓦解，釋放出Ag+與Cl-反應，生成沉淀從而固化Cl-。使用方法可阻止或減緩氯離子對混凝土的侵蝕。（2）碳酸根離子CO32-觸發(fā)：通過該方法制備的微膠囊實現了單一離子響應，提高微膠囊的控制釋放功能和使用性能，使得微膠囊在自修復材料中的應用領域得到推廣。（3）pH觸發(fā)：有學者研究了一種酸降解微膠囊（圖10-35），在pH=7.5時，降解24h囊壁崩潰；在pH=5時，降解4h外殼崩潰。2026/1/243310.4自修復混凝土10.4.3微膠囊自修復混凝土

3.光觸發(fā)微膠囊自修復混凝土

有學者研發(fā)了一種光引發(fā)的微膠囊涂層，用于混凝土的修復。將甲基丙烯酸丙氧基為終止基團的聚二甲硅氧烷和BIE光