智能混凝土在地下空间工程中的应用现状*

孟 铮 李亦尧 李艳南 李景云 田云鹏 吴金花

（1.河北水利电力学院 土木工程系，河北 沧州 061000；2.河北省岩土工程安全与变形控制重点实验室(河北水利电力学院)，河北 沧州 061000；3.沧州市岩土及地下工程安全与变形控制技术创新中心（河北水利电力学院），河北 沧州 061000）

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，传统混凝土经历了普通结构建材转变为复合材料，再发展革新为功能材料，这一阶段性成果，满足了人类物质文明和现代建筑发展的需要。现如今，新兴科技与新型材料的日益发展，使得现代社会的交通、社区、工厂等各个组分向着更加智能化、便捷化发展。混凝土材料智能化在土木工程中的应用需求日趋显著。在土木工程领域，把现代技术融入混凝土，以达到相应强度和稳定性要求，这是现代混凝土的研究趋势。地下空间工程作为土木工程中重要的组成部分，其特殊地位使得其对智能混凝土的需求也日益凸显，基于地下空间工程的特点，论述了智能混凝土的特点及应用，介绍了智能混凝土在地下空间工程中的应用优势，展望了其发展趋势。

1 智能混凝土概述

智能材料是一种可以感应外界环境并做出相应响应的材料，可对周围环境变化产生感知，并具有自我预警、自我诊疗、自我调控和自我修复等功能。智能混凝土是在普通混凝土原本的成分中添加新的组成材料，使其具备更多优良性能。它可以模仿生态系统，同时使普通混凝土具有自我适应和自我调整、自我修复等多种功能[1]。智能混凝土材料通过添加智能组分、外加剂等成分来调整常规混凝土材料中的不佳特性，更好发挥混凝土的性能优势[2]。

智能混凝土属于智能材料的重要组成部分，其兴起发展可溯源到20 世纪60 年代，苏联科学家初次试验以碳黑为导电组分，制成了水泥基导电复合材料[3]。1993年，在美国开设了关于新型智能材料研究与智能结构的工厂[4]。新型混凝土的发展是当代科技与建筑材料的相互a 融合，是传统混凝土所无法比拟的，现有智能混凝土有损伤自诊断混凝土和自修复混凝土等。

损伤自诊断混凝土具有压敏型和温敏性等多种自感应功能，并能根据特定的感知做出相应的修复。普通的混凝土材料并无自我感知响应的功能。现今建筑物中用的复合材料有陶瓷、碳、金属和光纤等[5]。其中纤维状碳化合物之一的碳纤维是通过有机纤维在惰性气氛中高温碳化而产出，其优点有质量低、强度高、抗疲劳性好、耐高温性好、耐腐蚀性好及导电性好等。正因如此，温阻性和压敏性是碳纤维混凝土的两个主要性质，其中温阻性是混凝土内部温差产生热电性效应的原因，电阻随着温度的变化而变化。利用温阻性这一性质可实现对大体积混凝土温度自监控，在未来可能应用于对温度有高要求的建筑物，如预防火灾的混凝土结构中[6]。光纤混凝土在其结构中添加限位传感器用来监测混凝土的碳化程度，并监测混凝土内部的应力和应变趋势，对损伤混凝土进行实时监测[7]。

混凝土结构除承受上部恒荷载之外，还承受台风地震等可变荷载的负荷。在承受自然灾害等不可预料的荷载时，希望混凝土通过自我调节的功能来增大承载力，减缓混凝土结构的开裂与震动，自修复混凝土应运而生，它是一种具有自我调控和自我修复的新型混凝土。自修复混凝土是由水泥、水和粗细骨料等惰性材料按一定比例配合搅拌，经一定时间硬化而成，电流变体(ER)和形状记忆合金(SMA智能元件)等[8]的添加组分使其具备自我驱动性能。自修复混凝土采用有修胶黏剂和混凝土材料相复合的方法，是模仿自然生物受到创伤后自我愈合的机理，以达到自修复功能。如美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry[9]在20 世纪90年代通过修胶黏剂和混凝土材料相复合的方法，粘结剂使用缩醛高分子溶液，注入空心玻璃纤维中，随后置入普通混凝土中使其具备复生、自恢复能力。

微胶囊自修复混凝土是一种新型的自修复材料，由于微胶囊是一种球形的载体，它可以在任意位置与潜在损伤接触，并在外界环境刺激下将其中的胶凝材料释放出来，可以提高修复的准确率，把修复材料存放在微胶囊中，对普通混凝土起到一定修补。胶囊的尺寸可以根据工程需要进行调整，把修复剂放入微胶囊中无疑是对胶凝材料得最好保护。但是，修复材料应当完好无损地包裹进胶囊里是关键。天津的圣工科技[10]发展有限公司利用微胶囊包裹沥青再生剂及各种油料等，将其与沥青成比例混合制备，以增强沥青的自修复能力，达到延长沥青老化和保护环境的效果。微胶囊自修复材料研发的新型沥青产品可广泛地应用于各类防水沥青及公路桥梁沥青、核电设备、军事基地设施等特殊领域中。徐晶等[11]将细菌与含乳酸钙和谷氨酸钙的营养物质按照一定的配合比掺入普通砂浆试块来达到自修复的目的。

2 智能混凝土应用现状

自我调节和仿生是智能混凝土两个非常重要的特点。智能混凝土可对建筑物的结构性能进行预先检测，研究人员可根据检测结果出具一系列报告，利用报告中的数据可以达到减少维护结构所需要的费用的目的。同时，智能混凝土还可防止因结构破坏而产生的严重危害。普通混凝土中常添加的组分有水泥、水、砂、石和化学外加剂，而智能混凝土中加入了新的组分，改善了混凝土的一些使用性能，同时加入了一些功能型、智能型的添加物，提供了现在倡导的节能、绿色生态等功能。因此，智能混凝土在建筑中有着非常实用的作用。

电碱屏蔽混凝土可以改善混凝土的使用性能，延长建筑物的使用寿命；调湿混凝土是在普通混凝土的基本组成条件下加入了纳米组分的天然沸石粉，由于传统的方法是采用温度、湿度感应器调控室内温度，因此，采用调湿混凝土能显著降低建筑造价；透水混凝土具有良好的透水性，此外较大的透气面积可以较好地控制环境的温度和湿度，降低了城市热岛效应发生的频率，为植物生长提供了良好的环境，地下水位有了较为持久的稳定[12]；抗菌混凝土是在普通混凝土原有组分的基础上添加防止产生霉菌的纳米组分材料，这样即使在较为潮湿的环境条件下混凝土的功能也能得到很好的发挥[13]；净水生态混凝土可以净化水质，并提供生物栖息地，保证了净化淡水资源和海水资源的同时也可以提供一定的景观效果[14]；净化空气混凝土是在普通混凝土基本组分的基础上加入二氧化钛，这样在有阳光照射和雨水冲刷时，危害空气的物质将被分解，它的作用机理是形成光催化混凝土；再生混凝土是回收再利用废弃的混凝土替代天然骨料，配制出新型混凝土，这种混凝土的出现大大减少了城市垃圾；温度自监控混凝土可以对建筑内部和周围进行温度测量，大体积的混凝土尤其会因为温度的急剧变化产生温度裂缝，因此对大体积混凝土实施温度监测是至关重要的。

3 智能混凝土在地下空间工程中的应用

当今，随着我国越来越向城市化进程迈进，造成了土地资源紧缺，尤其是制约了城市的发展。于是，为有效缓解交通拥堵问题，人们将目光转向了地下，寻求可以提高城市防灾能力和改善地面环境的途径。在未来，我们应学会科学利用地下空间，探求地下空间的新发展。受地质、水文等因素影响，地下工程施工环境十分复杂，较大的工程施工难度，较高的投资成本，对将来城区地下工程的施工提出了新的挑战。相比于地上空间，地下空间有着其独特之处：温度恒定，绝热和蓄热功能良好；对于地震的冲击、核辐射、放射性污染有较高的防护性；封闭功能容易得到满足，具有良好的遮蔽性和隔音性；相对隔离的地下环境使地下空间温度相对稳定。

举世瞩目的港珠澳大桥，作为一座跨海桥梁，施工难度大，高温、高湿、多盐的水下条件对混凝土的抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性提出了挑战。传统的混凝土材料抗拉能力弱，易裂缝，为解决此问题，利用纳米材料在纳米尺度上做了改进，有机聚合物的加入可以促进硅酸盐凝胶成网，这样混凝土的抗拉强度也有了明显的提高。在水凝胶单体中加入水泥基材料，大大提高了抗拉强度。有机与无机交混的纳米复合材料可有效调节混凝土水化时释放的热量，有效改善混凝土使用中出现裂缝的情况，进而提高混凝土的持久性，延长混凝土的使用寿命。

北盘江特大桥应用了能自己流动均匀的机制砂自密实混凝土，相比于传统的滚筒工具振荡混凝土，这种智能混凝土保证了施工质量，机械设备运行更为高效，避免了桥梁空洞的问题。伊朗研制出一种在砂子和水泥的基础上混合石英砂和各种纤维的超高性能混凝土，它不仅能抵抗较大的压迫，而且更柔韧、耐用。

白鹤滩水电站右侧地下洞室群体存在片帮、岩爆、崩塌、岩化、泥化、风化等问题，该工程采用了低热硅酸盐水泥混凝土，由于其具有放热速率慢、强度增进速率慢等特点，可以减少开裂现象。此外，坝体浇筑的混凝土中还埋设了温度传感器和循环冷却水管，冷却水直接供应到温度升高的地方，进行无死角地降温处理。

4 总结与展望

相比于普通混凝土，智能混凝土具有更多优势，智能混凝土可以对台风、地震等做出监测和评估，并在建筑构件出现裂缝之后，可自行调节与修复，不仅提高建筑物的安全性，还大大增加了其耐久性。智能混凝土研究还处于初级阶段，缺少在工程中的应用，尤其表现在智能元件与混凝土的连接性，修复混凝土的可靠性等，这为今后研究指明了方向。深入研究使智能混凝土更能适应当代需求，更能满足工程需要，使建筑材料焕发出新的活力，将为国家节省大量建设成本，为建筑领域做出了卓越的贡献。