新型建筑材料 课件 第10章 智能混凝土

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概述自感应混凝土形状记忆合金混凝土自修复材料智能混凝土的发展趋势CONTENTS52026/1/243第十章智能混凝土1234概述自感应混凝土形状记忆合金混凝土自修复材料智能混凝土的发展趋势CONTENTS52026/1/24410.1概述

智能混凝土是在传统混凝土原有组分基础上复合智能型组分，如传感器、驱动器、微处理器等，使混凝土成为既能承载又具有自感知、记忆、自适应、自修复等特定功能的多功能材料。

智能材料依据功能特点主要分为三大类：（1）自感应材料（2）自调节材料（3）自修复材料2026/1/245第十章智能混凝土1234概述自感应混凝土形状记忆合金混凝土自修复材料智能混凝土的发展趋势CONTENTS52026/1/24610.2

自感应混凝土10.2.1导电混凝土

自感应混凝土也称为自诊断混凝土。普通混凝土材料没有自诊断功能，人们将其他特殊组分掺入其中，使混凝土材料发生特性变化，并以此来判断混凝土结构内部所发生的变化，这就是混凝土的机敏性（压敏性、温敏性以及湿敏性等）。1.定义导电混凝土是指在原混凝土配料中掺入一定比例的导电材料，使其具有良好的导电性能。2026/1/24710.2自感应混凝土10.2.1导电混凝土1.导电材料（1）碳系导电材料1）炭黑:炭黑是一种价格极为低廉的导电材料，但其比表面积大，吸水性率高。2）石墨:石墨具有良好的导电和导热性，化学性质稳定，耐腐蚀，不易与酸、碱发生反应。3）碳纤维:适量的碳纤维，不仅可以增加混凝土的力学性能，还可以改善混凝土的导电性。2026/1/24810.2自感应混凝土10.2.1导电混凝土（2）金属与金属衍生物导电材料1）钢纤维和钢屑钢纤维和钢屑也是一种常用的导电填料.2）钢渣钢渣中含有一定量的氧化铁和金属铁，有作为导电材料的潜质。2.导电混凝土的工作原理（1）复合材料导电性能的基本概念1）极化效应:极化效应是电极在有电流通过时所表现的电极电势与可逆电极电势产生偏差的现象。极化类型有电子式极化，离子式极化，转向极化（对于极性电介质）和空间电荷极化。其中，离子极化是影响导电混凝土电阻率的最重要因素。2026/1/24910.2自感应混凝土10.2.1导电混凝土2）载流子材料在电场作用下能产生电流时由于介质中存在能自由迁移的带电质点，这种带电质点被称为载流子。3）渗滤阀值渗滤阈值，是在给定的复合材料中构建连续导电通路所需的最小导电填料体积分数。（2）聚合物复合材料导电机理

1）渗滤理论

普通混凝土通常不具备良好的导电能力，因此一般需要掺入导电填料，利用导电填料在混凝土基质中所形成的导电通路，才能赋予混凝土足够的导电性能。电纳米复合材料渗流理论示意图2026/1/241010.2自感应混凝土10.2.1导电混凝土2）有效介质理论渗滤理论主要探讨导电微粒浓度复合材料电阻率直接的关系。3）量子力学隧道导电理论①隧道导电理论在二元组分导电复合材料中，当高导组分含量较低（在渗滤阈值附近）时，隧道导电效应对材料的导电行为影响较大。根据量子力学理论，当两种导电粒子间距足够小时，即使该两种导电粒子未接触，一种导电材料中的电子也会跃迁到另一种导电材料中，形成导电电流，这种现象称为隧道效应。2026/1/241110.2自感应混凝土10.2.1导电混凝土（1）压电效应压电材料受到机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动，从而导致压电元件表面产生电荷，这种现象称为正压电效应。（2）主要压电参数对压电材料或压电元件的压电性能具有影响的主要参数有：1）压电系数

2）介电常数

3）弹性系数

4）机电耦合系数

5）介电损耗

6）频率常数

7）机械品质因数2026/1/241210.2自感应混凝土10.2.1导电混凝土2.压电混凝土的工作原理目前国内外基于压电陶瓷的结构健康监测技术主要可以分为两大类：主动健康监测技术与被动健康监测技术。主动健康监测技术是利用嵌入结构内部或粘贴在结构表面换能器，一部分作为驱动器发射激励信号，另一部分作用传感器接收信号，结合相应的算法来评估结构的健康状态。而被动监测是在没有驱动器主动激励的情况下，直接根据嵌入结构内部或粘贴在结构表面的压电传感器响应（应变、温度等），并结合相应的模型及参数的分析，以此来评估结构的健康状态。2026/1/241310.2自感应混凝土10.2.2压电混凝土3.导电混凝土的应用导电混凝土具有导电、热敏、压敏、温敏以及电磁屏蔽等方面的性能，目前开展的应用研究主要有以下几个方面：电力设备接地工程、结构的安全监测、智能交通系统、电热除冰化雪和电磁屏蔽。1.压电材料19世纪80年代，皮埃尔·居里和雅克·居里发现在进行热点现象及晶体对称性的研究中，发现在电轴方向施加应力时，一些没有对称中心的晶体会在与电轴正交方向的电极面上产生大小相等但符号相反的电荷。2026/1/241410.2自感应混凝土10.2.3光导纤维混凝土光导纤维简称光纤，一般用来传输通讯信息。光纤可对任何导致光纤中光信号变化的物理量进行测量。这也是制成光纤传感器的依据。与传统传感器相比，光纤传感器具有体积小、灵敏度高、耐疲劳、抗电磁干扰、传输频带较宽、使用期限内维护费用低以及能够实现分布或准分布式测量等优点。组成光纤的材料自身抗剪能力很差，易断。光纤的检测和数据处理系统复杂、成本高。2026/1/2415第十章智能混凝土1234概述自感应混凝土形状记忆合金混凝土自修复材料智能混凝土的发展趋势CONTENTS52026/1/241610.3自调节混凝土10.3.1形状记忆合金混凝土

形状记忆合金被广泛应用于智能材料的研究中，除了因为它拥有能够记忆形状的功能之外，还依赖于形状记忆合金自身拥有高弹性，以及良好的阻尼特性。1.形状记忆合金材料发生塑性变形后，经过合适的热过程，能够恢复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金。这种材料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能。2026/1/241710.3自调节混凝土10.3.1形状记忆合金混凝土

形状记忆合金被广泛应用于智能材料的研究中，除了因为它拥有能够记忆形状的功能之外，还依赖于形状记忆合金自身拥有高弹性，以及良好的阻尼特性。（1）SMA的分类至今为止发现的形状记忆合金体系有50多种，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。而其中具有较大应用价值而被广泛研究的主要有Ni-Ti合金、Fe基合金及Cu基合金。2026/1/241810.3自调节混凝土10.3.1形状记忆合金混凝土

（2）SMA的工作原理一般情况下，SMA在温度和应力的作用下将会出现两种结构状态，即高温奥氏体相（又称母相A）和低温马氏体相（M）。1）温度诱发的马氏相变当SMA仅受温度作用时，存在四个临界相变温度—马氏体相变开始温度Ms、马氏体相变完成温度Mf、逆相变开始温度As以及逆相变完成温度Af，且满足：Mf<Ms<As<Af。2）应力诱发的马氏相变当SMA在低温下仅受应力作用时，存在两个临界相变应力——马氏体相变开始应力σs以及马氏体相变完成应力σf。2026/1/241910.3自调节混凝土10.3.1形状记忆合金混凝土（3）SMA特性1）形状记忆效应：随着温度的升高，形变逐渐消失，材料可重新恢复至初始形状。这种特性即为SMA材料的形状记忆效应。2）超弹性和伪弹性超弹性是指处于完全奥氏体相的SMA材料在外部应力作用下直至产生非弹性变形，卸载后不需加热变形也能够完全自动恢复。3）阻尼特性及弹性模量变化特性阻尼是指使自由振动衰减、并把运动能转化为热能或其他可以耗散的能量的一种阻碍作用，是材料对能量吸收的量度。2026/1/242010.3自调节混凝土10.3.1形状记忆合金混凝土2.形状记忆合金混凝土工作机理基于现有研究与工程应用，形状记忆合金混凝土可对混凝土完成裂缝宽度检测，隔振、减震以及自修复，其相应的工作原理如下。3.形状记忆合金混凝土的应用将SMA材料应用到建筑结构中，主要有以下两种方式：（1）与混凝土结合，制成智能混凝土（2）先将SMA施加拉力作用，制成预应力SMA，2026/1/242110.3自调节混凝土10.3.2相变混凝土1.相变材料

相变材料是利用相变过程中吸收或释放的热量来进行潜热储能的物质，其相变过程是伴随有较大能量吸收或释放的等温或近似等温过程。2.相变储能混凝土工作机理相变储能材料的应用方式主要有两类：一类是将相变材料与围护结构相结合，利用相变材料潜热储能的性能调控室内温度，达到舒适和节能的目的。另一类是将相变材料与大体积混凝土结合，主要通过相变材料储热吸热的性能，降低大体积混凝土内部的绝热温度抑制温度裂缝的产生，改善混凝土强度和使用寿命。2026/1/242210.3自调节混凝土10.3.2相变混凝土相变储能围护结构的应用原理主要有以下四点：（1）相变储能建筑材料可以积极的吸收建筑过剩的能量与废能，可将采暖空调制热以及人体释放的热能储存起来，同时被动的吸收室外太阳能，相当于增加墙板的隔热性能，降低高峰值温度，在温度较低的时候将这些储能释放出来调控室内温度。（2）可以调整能量在供给和需求时间上的不一致性：将白天的高温余热转移到夜间释放；延迟室内高温，减轻电力高峰负荷，有效解决能量供给与需求时间失衡的难题。2026/1/242310.3自调节混凝土10.3.2相变混凝土（3）可以调整能量在不同空间位置上的迁移：相变围护结构将吸收房间墙板、地板、天花板以及空气中等各个方位的热量，使房间内各个位置的温度保持一致，增加人体舒适度。（4）具有良好的热惯性，增加墙体的储能容量，削减室内温度幅度的变化，有效改善建筑热环境；提高墙体的保温隔热能，节省空调和采暖能耗；可减轻墙体自重，降低墙体厚度，增大房间的有效使用面积。因此，相变建筑材料在节约建筑能耗方面有广阔的应用前景。

2026/1/242410.3自调节混凝土10.3.3其他自调节混凝土1.基于电流变体的自调节混凝土

电/磁流变体材料在外部施加的电/磁场作用下，材料性质（如黏性、塑性）会发生比较明显的可逆变化。当施加的外部电场或磁场超过一定的范围时，电/磁流变体材料就会从液态迅速变成固态。电流变材料响应速度快、状态转变所需要的能量低、价格低廉。磁流变体材料则有滞迟现象。目前电/磁流变体材料已广泛运用于风振及地震等环境下的工程结构减振控制。电流变体的本质是一种悬浮粘合剂，它可以通过感知外部电场的变化来调节自身流变的变化，2026/1/242510.3自调节混凝土10.3.3其他自调节混凝土2.基于湿度传感器的自调节混凝土

磁致伸缩材料是一种在外部磁场的作用下发生偏转进而产生应变的材料。电致伸缩材料的原理类似于磁致伸缩材料，在外部施加电场时也会产生变形。磁/电致伸缩材料具有很强的磁/电致伸缩效应，能够进行磁/电能和机械能的相互转换。图中该材料制备的磁致伸缩传感器主要用于位移的测量，测量主要是依据嵌有磁致伸缩材料的波导丝、电源及非接触磁环进行。2026/1/2426第十章智能混凝土1234概述自感应混凝土形状记忆合金混凝土自修复材料智能混凝土的发展趋势CONTENTS52026/1/242710.4自修复混凝土10.4.1自修复材料

材料的自修复可以定义为其自动或主动愈合（覆盖、修复）损伤的能力。10.4.2纤维自修复混凝土1.空芯光纤自修复空心光纤是由纤芯、包层和涂敷层等多层介质组成的结构对称圆柱体，将纤芯含修复剂的空心光纤网络埋于混凝土结构中，当混凝土结构在外部荷载或温度变化产生内部变形或损伤，导致光纤受到拉压、弯曲时，光纤中的光损耗会迅速加大，使输出的光强度、相位、波长及偏振等发生变化，通过监控系统及时监测到基体损伤。并精确判断损伤的具体位置，在注胶系统加压作用下，纤芯内的修复剂从破裂的空芯光纤管内迅速流出，对损伤处进行修复。2026/1/242810.4自修复混凝土10.4.2纤维自修复混凝土

光纤修复也存在一定的局限：（1）由于修复剂的注入削弱了光的传输，智能结构中的光纤长度受到限制；（2）空芯光纤纤芯细，容量有限，制约修复剂储存量，需配套修复剂注入设施；（3）光纤埋入混凝土中，向混凝土中引入了界面缺陷，影响混凝土的力学性能和耐久性；（4）光纤与混凝土结合界面产生应力集中，导致空心光纤的传输性能下降，甚至断裂。2026/1/242910.4

自修复混凝土2.纤维自修复

中空纤维自修复方法与空芯光纤方法相近，即将胶粘剂注入到中空玻璃纤维中，并埋到混凝土中，从而形成智能仿生自愈合网络系统。中空纤维自修复具有以下优点：（1）中空纤维的排布可以与结构纤维相匹配；（2）可以按堆积规律排布，以应对可能的失效威胁；（3）可以根据不同的操作需要应用不同的修复剂；（4）可以用不同的激化方法处理树脂；（5）由纤维通道，潜在地可以有大量的液体树脂用于修复裂纹2026/1/243010.4自修复混凝土10.4.2纤维自修复混凝土中空纤维自修复技术尚存以下缺点有待解决：（1）纤维必须破裂以释放修复剂；（2）为了方便纤维渗流，必须使用低粘度的树脂；（3）修复剂必须作为一种附加的处理方法被注入；（4）如果用在碳纤维混合的复合材料中，玻璃纤维的热膨胀系数会不匹配。不同中空纤维自愈合方法10.4.3微胶囊自修复混凝土微胶囊自修复混凝土中微胶囊自修复方法的基本原理为：（1）使用一定的方法包覆修复剂，制作微胶囊，并将其分散在基体材料中；（2）当一定的触发机制（主要有力学、化学、光触发等）发生，微胶囊响应释放出修复剂；（3）修复剂与基体材料发生反应，达到自修复目的。2026/1/243110.4自修复混凝土10.4.3微胶囊自修复混凝土

1.力学触发微胶囊自修复混凝土力学触发微胶囊自修复方法的优点为：（1）有利于单一树脂体系的修复；（2）在树脂体系的自修复中较好的强度恢复；（3）水泥基体内部存在大量微小空隙使得微胶囊易于均匀分散于材

料而不会明显影响材料性能。但该方法缺点包括：（1）要求微胶囊破裂以释放修复剂（2）树脂胶囊必须紧密接触催化剂（3）胶囊的掺加影响基体中纤维选择（4）催化剂和微胶囊的分散要与破坏

区域相配（5）树脂储存量有限（6）修复树脂消耗后产生内部孔隙（7）树脂必须与微囊壁材相匹配（8）在复合材料自修复技术上存在

应用难题。2026/1/243210.4自修复混凝土10.4.3微胶囊自修复混凝土2.化学触发微胶囊自修复混凝土（1）氯离子Cl-触发：有学者研究以了一种海藻酸钠-银离子Ag+微胶囊，与在Cl-下，海藻酸钠壁瓦解，释放出Ag+与Cl-反应，生成沉淀从而固化Cl-。使用方法可阻止或减缓氯离子对混凝土的侵蚀。（2）碳酸根离子CO32-触发：通过该方法制备的微胶囊实现了单一离子响应，提高微胶囊的控制释放功能和使用性能，使得微胶囊在自修复材料中的应用领域得到推广。（3）pH触发：有学者研究了一种酸降解微胶囊（图10-35），在pH=7.5时，降解24h囊壁崩溃；在pH=5时，降解4h外壳崩溃。2026/1/243310.4自修复混凝土10.4.3微胶囊自修复混凝土

3.光触发微胶囊自修复混凝土

有学者研发了一种光引发的微胶囊涂层，用于混凝土的修复。将甲基丙烯酸丙氧基为终止基团的聚二甲硅氧烷和BIE光