智能材料在土木工程中的应用王延铭

智能材料在土木工程中的应用王延铭

王延铭夏慧源

济南金宇公路产业发展有限公司山东省济南市250000

摘要：随着科学技术的发展，各种人造材料、合成材料也逐渐问世，智能材料作为近代新兴的材料类别，不论从质量，还是用途上都占有绝对的优势。智能材料在土木工程中已经得到了广泛的应用，并仍然处于高速发展阶段。本文主要分析探讨了智能材料在土木工程中的应用情况，以供参阅。

关键词：智能材料；土木工程；应用

1智能材料的种类及特点

随着科学技术的发展，目前我国土木工程中使用的智能材料有多种形式，不利用这些智能材料可以有效提升土木工程的建设质量。正是因为目前发展智能材料的种类众多，所以特点也是不能同日而语。可以根据智能材料的不同应用功能而分成不同的类型，如果具有感知功能的材料，就可以将那些可以感受内外部的刺激的不同强度的材料就叫做感知材料，主要是感知内外部的光、声、热、电等各种物理刺激，具有这方面的功能的智能材料主要有压电陶瓷和高分子材料、具有形状记忆的合金等，其中，光导纤维算得上是最为重要的感知材料。正是因为这些智能材料具有高科技智能感受功能，因此还被称作智能感知材料。还有一种材料能够对内外部出现的不同状态，甚至根据环境的变化而做出相应反应的智能材料，通常把这样的材料叫做智能驱动材料，如果内外部的温度发生变化，这种材料可以自动改变自身的特点来适应变化后的温度，一般来说，这些材料可以改变的是机械特性，其中主要包括形状、硬度、震动频率等，利用智能驱动材料，可以很好地保证元件在驱动中的作用效果。在实际应用中，主要根据不同功能和应用部位，选择最合适的智能材料，只有这样，才能物尽其用。在使用智能材料时，一般是将多种智能材料复合起来使用。通常，可以利用智能材料，保证整个材料体系的完整，这样不光可以保证智能功能完美的展现，还能很好地对相应的反应作出正确的指令，并能够按要求完成规定的任务，实现材料结构体系的自我修复、自我检测等目的。如果能够将不同功能的材料集合起来共同作用，就能保证完成各种智能化目标。

2智能材料在土木工程中的应用

2.1光导纤维

光导纤维简称光纤，是一种纤维状的光通信介质材料，普遍用于各种高要求的通信传输中，具有传输速度快、无信号衰减、并行处理能力强、信息容量大等多种优点。在土木工程中，可充分利用光导纤维的特点，将其用于监测、传感以及信息远距离传输等，目前较成熟的做法是将光纤埋置于混凝土结构中，作为传感原件，以实现对混凝土结构的监测、诊断、分析等功能。众所周知，混凝土结构具有抗拉强度较差、钢筋易锈蚀等缺点，而且在大体积混凝土浇筑过程中由于结构内外温差较大容易出现温度裂缝，此时通过光纤作为传感元件即可实现对混凝土内外温差的监控，当出现内外温差高于设计要求时，光纤可及时将信息反馈给管理人员，实现即时报警，以便及时采取措施控制内外温差，提高混凝土结构的施工质量。

2.2压电材料

压电材料是指晶体材料在受到压力作用时，在两端产生电压，且电荷量与电压成正比。这种现象被称为“压电现象”。比如煤气罩中的压电陶瓷，当按下点火装置弹簧时，压力会传送至压电陶瓷上，生成电，并点燃燃气。压电材料在人类生活中的应用十分广泛，土木工程领域将压电材料与其他智能材料相结合使用，可提高其他材料的感应程度。近年来，从压电材料演变而来的压电堆技术发展迅速，不仅可实现对噪声的控制，还可对人类安全、健康进行检测，性能丰富，价格低廉。

2.3压磁材料

土木工程领域中常规的压磁材料主要包括磁流变材料和磁致伸缩智能材料等。在外部磁场作用下．磁流变液悬浮体系的黏弹塑性会发生明显的变化．并且这种变化是可逆的。当外部磁场超过一定强度后．磁流变也会在极短的时间内变成固态．微观上表现为材料的分散相颗粒沿着磁场方向结成了链状结构。磁流变液介于液体与固体之间的这种独特的可变属性，以及对这种特性实施控制时耗能低、变化范围广、成本低等特性．使得磁流变液成为工程结构中作动器件的重要材料。当前。磁流变液主要被应用到元器件的控制桥路以及电源的高速开关等多个领域．且磁流变液在土木工程领域的应用主要集中在高层建筑、塔形建筑物、大跨框架和大跨度结构等。同时．有着高磁致伸缩效应的磁致伸缩智能材料．可以保证材料在机械与电磁直接进行可逆转换。因此具有广阔的应用前景。

2.4形状记忆合金

形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种智能合金材料，作为新型功能性材料，最主要的优点就是在激发材料的形状记忆效应过程中，材料可以产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变，同时具有较强的能量传输储存能力。该特性的应用能够将材料置于各种结构中，实现结构的自我诊断、增韧、增强与适应控制的应用研究，而且还可以将材料研制为智能型驱动器，在结构变形、损伤、裂缝及振动等方面开展应用研究工作。相变伪弹性与相变滞后性能是形状记忆合金的另一个优点，在加卸载过程中其应力-应变曲线构成环状，表明材料在此过程中能够吸收耗散较多的能量。形状记忆合金具有高达400兆帕的相变回复力，结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统，该系统可实现相变伪弹性性能，可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制。通常在结构层间或底部安置形状记忆合金被动耗能控制系统，用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知，进而起到消耗地震能量的作用。有关研究结果显示，耗能器安装形状记忆合金结构后，耗能器可吸收约为三分之二的地震能量，并显著抑制结构的位移。

结束语

综上所述，随着智能材料的广泛应用，同时元件逐渐向小型化、多功能化及高功率化方向发展，在建筑结构中复合控制、传感、驱动系统及耦合/连接元件，建筑结构将发展成为主动式智能建筑结构，对于有效利用太阳能、抵御地震、风振等严重自然灾害影响具有重要作用，为人们工作生活提供更为舒适安全的环境，对于提高土木工程结构建设质量具有十分重要的意义。

参考文献

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