彭紅建

摘 要：文章通過對(duì)光釬、壓電材料、壓磁材料和形狀記憶合金在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，來分析智能材料應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出未來該領(lǐng)域研究的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能材料；土木工程；光導(dǎo)纖維；壓電材料

引言

世界范圍內(nèi)，第一次智能材料的研發(fā)成功始于上世紀(jì)七十年代的美國，到八十年代，復(fù)合智能材料的應(yīng)用風(fēng)靡全球，美國首先提出了智能材料結(jié)構(gòu)的概念。智能材料的智能主要體現(xiàn)在，其具備感知內(nèi)外部環(huán)境變化的能力，并通過分析判斷來調(diào)正自身以適度符合環(huán)境。目前，隨著光釬、壓磁、壓電和形狀記憶合金等材料的發(fā)展，智能材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域。最基本的智能材料一般被稱為感知材料，其可以感知內(nèi)外部刺激的材料。通過感知內(nèi)外部條件變化，并做出適應(yīng)環(huán)境調(diào)整的材料被稱作驅(qū)動(dòng)材料[1]。現(xiàn)在的智能材料，一般需要多種材料復(fù)合組裝來實(shí)現(xiàn)環(huán)境變化情況下材料結(jié)構(gòu)的診斷、修復(fù)、調(diào)整[2]。

1 智能材料在土木工程中的應(yīng)用

1.1 光導(dǎo)纖維在混泥土材料的監(jiān)控

光導(dǎo)纖維材料，是一種光通信介質(zhì)，其最大優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快、信號(hào)衰減低和并行處理能力較強(qiáng)，經(jīng)常被用于高要求的通信傳輸中。光導(dǎo)纖維和光纖傳感器在土木工程中，主要用于對(duì)混泥土固化的監(jiān)控?；炷嗤两Y(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度弱、內(nèi)部鋼筋容易被腐蝕等，在大面積澆筑過程中由于混泥土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部溫度差異而導(dǎo)致混泥土塊體出現(xiàn)裂縫。這種情況下，將光纖作為傳感元件埋入混泥土結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、溫度、變形、裂縫、振動(dòng)等可能引起混泥土結(jié)構(gòu)損傷的危險(xiǎn)因素進(jìn)行檢測、診斷、預(yù)報(bào)。更進(jìn)一步，如果控制元件能接入信息處理系統(tǒng)，并引入形狀記憶類金屬等智能材料，形成完整的控制系統(tǒng)，將能實(shí)現(xiàn)混泥土材料的自適應(yīng)功能——這正是目前智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程中應(yīng)用的前沿課題。

1.2 壓電材料

壓電材料一般是指在收到壓力后，材料兩端會(huì)出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電材料在土木工程中的應(yīng)用主要包括對(duì)于結(jié)構(gòu)的靜變形控制、噪聲控制和抗震抗風(fēng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的壓電材料使用方法是通過壓電傳感元件對(duì)結(jié)構(gòu)的震動(dòng)進(jìn)行感知，利用傳感器輸出結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于震動(dòng)的感知和預(yù)警。在此基礎(chǔ)上，采取合適的控制算法對(duì)壓電體的輸入進(jìn)行控制和定量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于結(jié)構(gòu)震動(dòng)的控制，這是目前壓電類智能材料的研究前沿。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，壓電類的智能結(jié)構(gòu)土木工程中的應(yīng)該越來越廣泛。

1.3 壓磁材料

壓磁材料在土木工程中的應(yīng)用主要包括磁流變材料和磁致伸縮材料?；诖帕髯儾牧系脑?，當(dāng)磁場的強(qiáng)度高于臨界強(qiáng)度時(shí)，磁流變在極短時(shí)間內(nèi)從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化。在介于固液體之間可根據(jù)磁流變液特點(diǎn)具有的快速、可控及可逆性質(zhì)，控制流體特性實(shí)施時(shí)需要較低的能量，因此在智能結(jié)構(gòu)中通常將磁流變液作為動(dòng)器件的主要材料?；谶@點(diǎn)，磁流變材料可用于高層建筑的結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的半主動(dòng)控制。因?yàn)闈撛趹?yīng)用前景的廣闊，使得磁致伸縮材料近年來得到很大關(guān)注。磁致伸縮材料具有強(qiáng)烈的磁致伸縮效應(yīng)，這種材料可以在電磁和機(jī)械之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換，這種特性使其可以用于大功率超聲器件、聲納系統(tǒng)、精密定位控制等很多領(lǐng)域。

1.4 形狀記憶合金

形狀記憶合金是一種具有形狀記憶效應(yīng)的智能材料。形狀記憶合金的形狀被改變后，在一定條件下能激發(fā)其形狀記憶效應(yīng)，這一過程中，材料產(chǎn)生高于700兆帕的回復(fù)應(yīng)力及8%左右的回復(fù)應(yīng)變，同時(shí)具有較強(qiáng)的能量傳輸儲(chǔ)存能力?；谶@一特性，形狀記憶合金在土木工程中最大的用處是用于各種結(jié)構(gòu)中來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自我診斷、增加材料的韌性和強(qiáng)度等、增強(qiáng)材料的適應(yīng)控制。形狀記憶合金還可以被研制成智能驅(qū)動(dòng)器，用于對(duì)結(jié)構(gòu)變形、裂縫和振動(dòng)方面的控制。形狀記憶合金具有較高相變回復(fù)力，結(jié)合該特性能夠研制開展形狀記憶合金被動(dòng)耗能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相變偽彈性性能，可在土木工程結(jié)構(gòu)中用于耗能抗震的被動(dòng)控制。目前的土木工程實(shí)踐中，通常在結(jié)構(gòu)層間或底部等受地震作用較大的位置安置形狀記憶合金被動(dòng)耗能控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)耗能系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的層間變形的感知，進(jìn)而起到消耗地震能量的作用。

2 智能材料的優(yōu)點(diǎn)局限性

土木工程中應(yīng)用的智能材料具有反饋信息、自我診斷、自我修復(fù)、自適應(yīng)能能力，實(shí)踐也表明，智能材料在實(shí)際土木工程中的應(yīng)用使得工程結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和耐久性等特點(diǎn)，同時(shí)能智能化地執(zhí)行指令，能較好的適應(yīng)外部環(huán)境的變化。但上述的光纖、形狀記憶合金、壓電和壓磁等材料，本質(zhì)上屬于高智能復(fù)合材料，其最大的局限性在于使用成本很高，造價(jià)太貴。這一缺點(diǎn)，使得目前對(duì)于智能材料的應(yīng)用智能局限于檔次較高、標(biāo)準(zhǔn)較高的建筑工程，智能材料在普通民居建筑中的應(yīng)用還遙遙無期。另外，智能材料的應(yīng)用需要相應(yīng)的技術(shù)和配套材料設(shè)備的配合支撐，在施工中對(duì)于施工技術(shù)和工藝的要求較高。因此，但就目前看，對(duì)智能材料的應(yīng)用還不可能實(shí)現(xiàn)全方位的廣泛普及，但是，智能材料可能是未來土木工程材料的研究和發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

綜上所述，智能材料在土木工程中的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)適應(yīng)環(huán)境能力弱的缺點(diǎn)，將建筑結(jié)構(gòu)需要人為檢測轉(zhuǎn)向建筑結(jié)構(gòu)帶自我檢測、調(diào)整和適應(yīng)功能。目前智能材料的應(yīng)用還局限在少部分高要求和高標(biāo)準(zhǔn)的建筑項(xiàng)目，科學(xué)界對(duì)于智能材料以及相關(guān)技術(shù)和配套設(shè)備的研究，是未來智能材料能廣泛應(yīng)用與土木工程結(jié)構(gòu)的前提和基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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