智能混凝土在城市桥梁工程中的应用前景研究

2017-03-28王泽荣

城市道桥与防洪 2017年2期

关键词：碳纤维桥梁工程桥梁

尹超，王泽荣

（酒泉职业技术学院,甘肃酒泉 735000）

科技研究

智能混凝土在城市桥梁工程中的应用前景研究

尹超，王泽荣

（酒泉职业技术学院,甘肃酒泉 735000）

智能混凝土是通过在普通混凝土中复合特殊材料而形成特殊功能的新型混凝土，能显著提高混凝土工程的性能。相比于普通混凝土智能混凝土具有自感知、自修复、自调节、高阻尼能特性。结合城市桥梁工程的结构特点，综合智能混凝土自身特征探讨智能混凝土在城市桥梁工程中的发展前景。

智能；混凝土；应用；前景

0 引言

随着我国现代化进程的迅猛推进，城市规模的不断扩张，城市交通状况日益拥堵严重。许多城市为了改善道路交通状况，修建了大量的城市桥梁。由于国内交通环境复杂，车辆超限超载现象非常严重，载超限车辆的运行对现役城市桥梁工程安全造成严重威胁。曾经发生过2012年8月24日哈尔滨阳明滩大桥引桥坍塌事故，2011年7月19日北京怀柔区白河大桥坍塌等严重事故，危害人民生命财产安全。目前，我国在桥梁工程中注重设计及施工过程中的安全防护手段，对于现役桥梁工程使用阶段的检测还没有得到重视。当前使用的一些检测手段主要从日常外观巡查，静载实验、动载实验、无损检测等方面进行。这些方法要么实时检测发现桥梁的损害或者存在检测实验复杂、费用高、影响交通等方面的问题。现役桥梁工程逐年的增加，如何保证桥梁安全使用，对桥梁管理部门提出巨大的挑战。所以急需采用一种技术手段解决桥梁工程的日常检修，保证桥梁工程的安全性及耐久性有着重要的工程意义，所以智能混凝土的应用就有着重大的社会效益。

1 智能混凝土简介

从19世纪混凝土发明以来，建筑结构形式经历了从普通混凝土、复合材料混凝土、智能混凝土的发展历程。由于传统混凝土存在抗裂性能差、自重大、难修复等问题，人们逐渐开发了新型混凝土如透水混凝土、清水混凝土、生态混凝土、泡沫混凝土等种类。但对于混凝土的智能化研究还在初级阶段，目前，信息化、大数据、云平台等智能技术的迅猛发展，混凝土作为现阶段土木工程的主要材料。如何使其具备智能化的研究和开发，也成为混凝土研究者关注的热点的。智能混凝土作为混凝土材料发展的高级阶段，混凝土采用最新技术的研究也日益优化，利用现阶段最新技术使混凝土智能化也是科技进步的体现。智能混凝土是指在原有组分基础上复合智能型组分,使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效的预报混凝土材料使用过程中的内部损伤，满足结构自我安全检测及修复功能，能显著提高混凝土的结构耐久性及安全性。根据所复合的智能型组分的不同,智能混凝土主要分为碳纤维混凝土、光纤维混凝土、形状记忆合金混凝土及其它一些有特殊功能的混凝土。

2 智能混凝土的种类及性能[1-9]

2.1 损伤自诊断混凝土

普通混凝土没有自感知能力，混凝土受损后不能及时发现，必须通过定期检测或严重破坏时才能被发现。目前研究应用较多损伤自诊断混凝土主要分为两大类，根据复合材料的不同主要分为碳纤维和光纤维智能混凝土。碳纤维智能混凝土是在普通混凝土基材中复合短切碳纤维制备而成，见图1、图2。碳纤维可以显著提高混凝土的强度和韧性，并能增大混凝土的导电性能。根据研究，碳纤维混凝土在结构受外力作用阶段，混凝土的电阻率的变化和内应力变化呈现线性状态。普通混凝土的导电性能和受力状态则没有线性相关性，当构件达到极限状态时，电阻率是突然增大的。根据碳纤维混凝土的电阻率和内应力变化的线性特性，通过实时测试碳纤维混凝土所处的受力状态，可以动态对结构工作状态进行监测。光纤混凝土是把光纤维传感器阵列直接埋入普通混凝土中而得到的智能混凝土。光在光纤中传导过程易受到外界因素的影响，如温度、压力等外界因素对光的强度、相位、频率等光波量产生影响。根据监测系统实时收集的光的变化信息，可以监测混凝土结构内部应力及裂缝的变化程度，实现和混凝土的自诊断能力。目前国内外对于损伤自诊断混凝土都有应用案例，如加拿大的BeddingtonTrai双跨度公路桥结构受力状态监测，芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等都采用了自诊断智能混凝土技术。

图1 短切碳纤维

图2 碳纤维智能混凝土

2.2 自调节混凝土

自调节混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构能和普通混凝土一样正常负荷外，他还能在结构受到超限负荷时，能够减缓结构损害和调整承载能力。通过在普通混凝土中埋入形状记忆合金（ShapeMemoryAlloys,简称SMA），使混凝土具有形状记忆及超弹性能力。在混凝土受到突然异常荷载时，通过记忆合金形状的变化，使混凝土内部应力重分布并产生预压应力，从而提高混凝土结构的承载能力及耐久性能。现阶段形状记忆合金混凝土主要用来研究试验减去地震灾害。自调节混凝土的另外一种形式主要是改变环境状态，通常是在混凝土配制过程中加入沸石粉，具有可以自动调节环境湿度的功能。通过选择不同类型的沸石粉，可以制成符合实际应用需要的自动调节环境湿度的智能混凝土，目前主要在民用建筑中应用较多。

2.3 自修复混凝土

自修复混凝土主要是结构受到损害后，通过自修复和再生恢复混凝土性能的新型混凝土，主要类型分为主动式修复和被动式修复两大类。主动式修复在混凝土中预埋裂纹感知系统和修复体（形状记忆合金、空芯光纤修复技术等），当混凝土在外部荷载或其他因素的影响下损坏时，传感器能及时感应并确定受损部位，同时把收集的信息传送到控制中心，控制系统发出修复指令，释放混凝土修复剂对受损部位进行修复。被动式修复是在混凝土中加入一些含有液态修复剂的特殊材料（液芯式纤维、修复微胶囊等），当混凝土受到损伤时，结构变形将预埋于内部的修复材料拉裂释放修复剂进行自我修复。

2.4 高阻尼混凝土

在普通混凝土中复合高阻尼材料，提高混凝土的阻尼比，从而能有效提高混凝土结构的抗震性能。材料阻尼比的提高，能在结构受振动过程中消散能量。材料自身的阻尼比是消散能量的主要原因，提高材料的阻尼比，可以提高结构的抗震性能，从而避免外加装置的使用与维修问题。

3 智能混凝土在城市桥梁中的应用前景

目前智能混凝土主要在大型土木水利工程、大跨度桥梁结构、核电站及机场等工程中应用，在城市桥梁中还没有推广使用。但现阶段城市桥梁工程主要存在以下问题：（1）城市桥梁工程区别于普通的土木建筑工程，承受动荷载、冲击荷载等外力作用，结构损害难以通过传统检测方法实时监测，传统方法工作量较大。（2）城市桥梁结构处于露天环境，桥梁结构所遭受的恶劣的等外界环境因素，如化学腐蚀、风雨腐蚀等。（3）由于城市桥梁的特殊使用功能，现阶段大中城市交通状态日益拥堵严重，传统桥梁日常检测维护都必须封闭交通，导致交通拥堵。（4）桥梁工程结构安全要求较高，要在遭受自然灾害时要能有足够的抵抗能力，保证交通的畅通。（5）桥梁结构受损后修复难度大，通过外部补强措施施工难度大效果不好。智能混凝土具有自损监测、自我修复、高阻尼等特性，能有效解决目前城市桥梁中存在的问题，应用前景广泛。

4 结语

智能混凝土可单独或与传统混凝土构成智能结构系统，在桥梁过程中有着很广的应用前景。但目前研究还处于初级阶段，大规模的推广应用还存在一些问题：（1）目前智能混凝土的应用还处于单一功能阶段，集自修复、自诊断、自调节一体的智能混凝土还有待研究开发。（2）智能混凝土施工工艺复杂，后期使用过程中需要特设设备。（3）智能混凝土的投入较普通混凝土高出很多，大范围使用有一定困难。如果能解决以上存在的问题，智能混凝土一点能在桥梁工程中大放光彩。

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