土木道桥建设工程中智能材料的作用分析

土木道桥建设工程中智能材料的作用分析

袁浩文

重庆对外建设（集团）有限公司 重庆市 401121

摘要：在电子技术和材料科学高速发展下所诞生的各类智能材料，在土木工程建设中也发挥了良好作用。在依据智能材料的特点优势基础上，主要介绍了有关形状记忆金属、自调节混凝土、光导纤维等材料的特点和应用方向。分析智能材料未来发展过程中的问题，探索智能材料的未来应用和发展前景。

关键词：道路桥梁；工程建设；智能材料

引言：

工程领域和材料科学的深入开拓，诞生了越来越多的高精尖的工程材料，而主要以复合材料为发展基础，衍生出的智能材料为工程建设难题提供更加良好的解决途径。比如在当前一些复杂的建筑工程中，水利枢纽、大跨度桥梁、海域钻井平台等基础设施在长期的自然环境影响下，会导致材料、结构发生不同程度功能损失，增加了事故发生概率。但是如果在工程的一些关键环节点使用智能材料，可以高效便捷的评定相关建筑物的安全性能、监测建筑结构的变化，并且可以依靠材料本身的性能来自动修复。随着大型建筑工程的复杂度日渐上升，智能材料必然也会成为未来工程领域中的重点研究内容。

1. 智能材料的相关概念内涵

在上世纪70年代，美国弗吉尼亚理工学院首次展开了智能材料的实验，其先是将光导纤维等埋入到碳纤维材料中，以此来增强复合材料的性能，同时也让这类材料具备了自动损伤修复、感知应力的能力，后来又将此类材料称为“自适应材料”。20世纪末期，这类智能材料受到了美国军方、科研领域的重点关注，并将其作为一个重要的研究课题，发掘各类机敏材料、自适应材料的结构和物理性质，而这些材料都具备着“智能”的特性。智能材料概念：可以简单理解为智能材料就是指部分具备感知能力，可以感知外界环境的变化刺激，并自动形成反应机制来应对外界的变化，拥有这类性质的材料都被统称为智能材料。智能材料的特点：当前和未来阶段，工程领域对智能材料的深入研究和大规模应用后，可能会对材料科学的发展产生极大推动作用。而根据现阶段工程领域所制作出的各类智能材料，都普遍具备传感功能、自修复、自适应、信息识别等能力^[1]。目前在土工工程建设中，所使用的智能材料，可以自动检测和识别诸如光、热等外界因素的刺激。同时还可以根据周边环境情况来自动形成相应的变化，而在外界刺激消失之后，其自适应能力可以让材料本身快速恢复到原有的状态。

二、智能材料在土木道桥建设中的应用

1. 形状记忆金属的应用

材料工程领域中，这种具备自我记忆能力的金属材料被广泛应用，作为一类新型的功能性材料，其具备的主要优势是在于可以激发材料自身的形状记忆特性。这种材料可以承受700兆帕压力下的应力，并且产生10%左右的形变恢复应变。在具有较高的能量传输储存特性下，可以将该材料放置在各类工程结构当中，承担起关键结构连接点。由于其具备较强的抗压、抗拉恢复能力，并且其结构特征可以实现自我形状诊断、恢复，可以极大保证工程建筑关键节点的可靠性；由于形状记忆金属的增韧、强度以及适应变化能力，可以进一步将其研究制作为一种智能型的驱动传输装置，并将其运用到土木道桥施工中，可以实时地感知建筑物结构的形变、损伤、振动等问题，方便技术人员开展维护、监测和技术研究工作。

形状记忆金属的另一个特性就是其相变伪弹性和相变滞后性。在加压、卸压的过程中，如果分析监测材料的应力和应变参数变化，其参数曲线可以构成环状，则可以表明材料可以在此过程中吸收较多的耗散能量。而根据形状记忆金属自身具备高达400兆帕相变恢复力的特性^[2]，可以将其研制开发成为一种被动化耗能监测控制系统，在连接监控后台的情况下，可以了解材料的相变伪弹性的性能，将其作为土木工程结构中耗能抗震的被动控制材料，吸收建筑物震动能量，提升建筑抗震能力。一般将记忆金属安置在建筑结构的各个层间和底部，作以被动耗能控制系统，通过其所构成的被动式耗能系统，可以有效地感知到建筑结构层间的形状变化，也能起到大范围的抗震、抗压能力，可以显著地抵消地震所产生的震动能量。工程研究领域所探索的结果显示，在耗能器中安置记忆金属结构之后，可以有效吸收建筑物震动所产生的能量，同时也能减少建筑物结构的位移问题。

2. 自调节式混凝土

在土工道桥工程中，常常使用的钢筋混凝土结构，本身具备独特的复合材料性质，在现代工艺的不断优化下，已经可以有效对抗外界多种恶劣环境气候的影响。而为了进一步提升材料的性能，尤其是将钢筋混凝土结构用于跨海大桥类的工程建设中时，就需要尽可能地提升混凝土材料的承载能力和抗震抗压抗形变能力。从化学性质来看，混凝土属于惰性材料，本身不具备较高的自适应能力，而为了适应桥梁的使用和安全需求，工程领域后续在其中加入了一些具有驱动功能的材料，并且已经研发出了一种电流变体功能的混凝土材料，可以利用通过控制外界的电磁力场来改变和控制混凝土材料的弹性性能和粘附性。最初研究人员在混凝土材料中加入电流变体，就是为了尝试利用电流变体中的流变作用，以此来强化混凝土应对外界环境天气的能力。利用电磁力场对混凝土内部材料进行影响，改变其电流变体的流变性，可以起到调节混凝土结构的振动频率。

3. 光导纤维

二氧化硅是构成光导纤维材料的主要成分，这类材料可以成为传递信号的良好介质。 这种光导纤维材料的是由内层圆柱形透明介质和外层圆环形透明介质构成的，内层主要是放置纤芯，而外层则为保护层。材料采用这样的结构方式主要是可以调整内外层之间的折射率，保证携带的电信号可以在光纤维中远距离传输，降低在传输途中的能量损耗。而将这种光导纤维加入到混凝土当中，可以改变混凝土的结构形状。当混凝土结构产生变化时，植入砼结构中的纤维也会发生相应的改变，光导纤维受到混凝土的影响也会发生变化，而材料内部的传感装置可以直接获取变化的信号，将形变的参数、混凝土结构性能的变化都通过信号传输到接收器当中，就可以实现对混凝土结构的定期监测^[3]，可以为工程建筑的可持续优化提供依据。大范围光导纤维的植入，可以做到对建筑结构各个部位的实时监测，也可以理解为在建筑结构中构建了一个多视角的监控网络。现阶段，光纤维混凝土的使用，主要是用于对混凝土温度湿度的监测、结构裂缝、形变、强度等参数的监测。

结语与展望

智能材料由于其广泛的应用场景、良好的性能等优势，在未来的工程材料领域必然会有广阔的发展前景。比如形状记忆金属的出现，改变了传统工程建设的理念和方法，但是其所具备的智能化功能使得传统的力学材料研究办法无法有效地解释这类材料的内在机理，为此还需要研究人员另辟蹊径，尝试从多学科领域来研究这类材料的内在原理，构建新的理论模型，当前记忆金属的功能还尚不完善，资源消耗高，因此还需要开发更加高效的控制器；而诸如压电材料、光导纤维等智能材料，今后可能会成为工程结构中用以信息监测的首选感测元件，但是考虑到这类材料的自身的驱动力问题，需要研究人员进一步开发技术来弥补此类缺陷。不过这些材料由于其内部复杂的构造、理论模型和高难度的集成技术等，还需要将其作为未来智能材料的研究重点。

参考文献：

[1] 陶雨. 智能材料结构系统在土木工程中的应用[J]. 城市建设理论研究（电子版）, 2020, No.326(08):11-11.

[2] 许春娅. 关于新型土木工程材料的研究[J]. 低碳世界， 2019, 009(001):183-184.

[3] 刘源. 浅谈新型建筑材料在桥梁建设中的应用[J]. 工程建设与设计， 2016, 000(016):63-64.