武汉科技大学城市建设学院 湖北 武汉 430065
摘要：随着科技的发展，建筑物向大型化、高层化发展，施工难度加大。工程大型化带来了成本高，后期维护工作量大，难以精确定位损伤部位等问题。所以对建筑材料混凝土物理力学性能及耐久性等要求愈来愈高。因此高性能混凝士良好的力学性能与自我修复能是当前研究的一个热点。本论文介绍新材料纳米材料及其在混凝土中的应用;分析智能混凝土种类和特性，通过纳米碳纤维混凝土压敏特性试验，结合杭瑞高速北盘江特大桥应用智能混凝士实例，对纳米技术与智能混凝土结合及智能材料在大型工程中推广提出建议。
关键字：智能材料;纳米技术;压敏特性;自我修复性;工程应用
1引言
混凝士使用中，不仅要面对建造的问题，运营和维护建筑物也十分重要，如何保证安全，同时减少维修护理的频率和成本是必须考虑的问题。开发研究具有自我监测和修复能力的智能混凝土是目前新型建筑材料的发展方向。为了延长建筑物的寿命，新材料不仅要有自我修复能力，其耐久性也至关重要，否则只会增加成本。有效结合智能混凝土和纳米技术将是提高材料性能的主要举措之一。
2纳米材料
纳米材料是指材料粒子的三维尺寸中至少有维处于纳米尺寸 (0.100m)的材料，相当于10到100个原子紧密排列的尺度。
纳米材料具有良好的力学性能，电学性能，热学性能，记忆性能等材料特性。
电学性能:导电浆料，电极，半导体，超导体，压敏电阻，压电材料。
记忆性能:电学装置，电泳装置，显示装置。
纳米碳纤维混凝士的热电效应[1]碳纤维智能混凝土的温敏性体现在塞贝克效应(热电效应)，它是热电温度测量的基础，由塞贝克于1821年发现。
3纳米材料在混凝土中的应用
纳米矿粉的应用。混凝士中水泥石的空隙影响了混凝土的强度和耐久性等力学性能。纳米矿粉在很大程度上填充空隙，细化了界面结构，很好的解决了上述问题。纳米矿粉包括纳米氧化硅，纳米碳酸钙等。
纳米金属粉末的应用。纳米金属粉末是良好的吸波材料，其在微波场辐射下，原子和电子运动加剧，电子能转化为热能从而增加对电磁波的吸收，起到躲避雷达侦测的隐身效果。
4智能混凝土
智能混凝土是复合智能型组份的混凝土，具有自感知，自适应，自修复的性能。这些性能使智能混凝土具有自我诊断，自我调整，自我修复的功能力，有效地提高了混凝士的耐久性和力学特性。根据性能的不同可分为自感应混凝士，自调节混凝士，和自修复混凝土。
4.1自感应混凝土
混凝土材料本身无法自我感应，通过复合部分导电相可以实现自我感应的功能。美国的ChungDDL等在1989年首次发现在混凝士材料中掺入一定形状，尺寸的碳纤维，可以使材料具备自我感知能力。近年桥梁和路面经常受到超载的作用而损坏，超载车辆长期作用会使高速公路路面使用寿命缩短，给公路造成严重损坏。车辆超载对人们的生命和财产带来极大伤害，造成的直接损坏和间接损坏是无法估计的[2]。利用自感应混凝士可以对结构的载荷进行监测，有效地减少超载现象，保证了结构的安全性。
4.2形状记忆合金
形状记忆合金(SME)具有形状记忆特性[5]，形成记忆合金一般是两种以上金属合成，当合金在高温时发生变化，冷却后存有残余变形。再次加热时，残余变形消失，合金恢复到高温时所具有的形态。这就像合金记忆了高温状态的形状，使得混凝土结构在受到异常荷载干扰时，混凝土结构内部应力发生重新分布，从而提高结构的承载力。
4.3自修复混凝土
按照仿生的思路进行研究，期望如生物一般有一套自我反馈和修复的机制，感应器代替神经的作用来感知报给检测人员，新研制的一套系统达到可以自我修复的效果，笔者构想在建筑材料和结构中分布不影响结构性能和耐久度的特殊材料和材料组合系统，如同生物的体液或血管血液的粘聚物质，这些固体或液体的材料起到自我调节和修复的效果，遇到缝隙可以自我修补防患于未然，遇到承重不均的问题起到调节分担作用。目前，将无机纳米材料引入混凝土中，通过填充再生骨料混凝士内部的空隙与微裂纹来改善其内部结构，起到提高强度增加韧性的效果[3]。
5纳米碳纤维混凝士压敏特性试验
5.1试件材料
(1)纳米碳纤维(CNF)。(2)混凝士外加剂。高效减水剂，有助于分散纳米碳纤维。消泡剂，降低据入话性剂和水时产生的气泡。(3)混凝土材料。粗骨料采用辉绿岩碎石，细骨料采用普通河砂，水用自来水。
5.2试件制备
试验制备圆柱体和长方体2种试件，圆柱体试件直径10cm,高20cm。长方体试件尺寸7.5cm*7.5cm*20cm制备CNFC试件，将CNFC与水置于搅拌器中，搅拌3min。在CNFSCC中同时加入减水剂和消泡剂得到悬浊液。向悬浊液中加入悬浊液，搅拌5min获得良好的和易性。还需要进行坍落度，坛洛扩展度和表观稳定指标的测试。合格后将混凝土灌注到模具中，放入养护室。
5.3试验方法
试验中采用四电极法测量电阻。通过在CNFSCC圆柱体试件运用预埋铜网内置电极法，比较不同电阻测试方法对电阻变化率的影响。过程是:先接通电路，万用表稳定后开始加载，这样可以减少极化效应的影响。图1表示CNFSCC试件电阻变化率与应变关系曲线。
图1 CNFSCC10 试件电阻变化率与应变关系
从图1中看出，不含CNSCCDE的电阻变化没有规律，不同体积参量的CNFSCC混凝土的电阻随载荷增大而减小。
6工程实例
杭瑞高速北盘江特大桥就是成功运用智能混凝士的实例。这座大桥的建筑材料包含了智能混凝土的一种，即机制砂自密实混凝土。这是一种可以通过流动达到自我密实作用的混凝土。其性质包括抗离析泌水以及出色的流动性，无需通过人为振捣或搅拌被重力引导达到要求密实度。这样避免了在以往施工中常常出现的均匀密实度不达标的情况。而且在大型和高难度施工以及因配筋密集引起的工作量大施工难度大的问题得到很好的解决。利用纳米碳纤维混凝士的压敏特性，对大桥的荷载情况进行监控，根据热电效应检测大桥的温度状况，维护人员可以根据温度的变化做出相应的措施。技术人员将已知大部分建筑出现的问题录入数据库中，通过云计算，数据库可以智能地判断损坏原因，并给出及时的反馈。在这个信息网中，不同工程可以借鉴其他工程的经验，防患于未然。对每个零部件进行二维码编号，做到精确定位和监测。北盘江大桥就是纳米技术和智能混凝士在大型工程中应用的实例，它的特殊性能不仅很好的满足了力学的要求，而且其自我论斯自我调节的功能使大桥的使用维护变加经济安全。
7结论与建议
纳米碳纤维混凝土电阻随拉力增大而增大，随压力增大而减小，电阻变化与变形和裂缝息息相关。掺入纳米碳纤维后的混凝土有很好的压敏特性，可用于建筑监测方面，在大型工程中非常可行。碳纤维在混凝土中的分散是影响电学性能的关键，改变搅拌工艺能改善分布情况，分散剂的研究是关键的方向。智能混凝土的研究展示了未来建筑材料的发展方向，它将会让生活更加便捷，同时也保证了结构的安全性。在大型工程中，智能混凝士满足工程要求，提高工程质量，也减少了工作量。特别是在后期监测和维护中起到传统混凝土工程不可替代的作用。
参考文献
[1]吴献，郎东莹，杨昆.碳纤维混凝土热热效应的试验[J].沈阳建筑大学学报，2012.
[2]孙丽，甘博，崔迪形状记忆合金作为钢框架混凝土墙结构抗剪连接件性能研究[J]。沈阳建筑大学学报，2016.
[3]李文贵，龙初，罗智予，黄政字，龙炳煌，任洁强再生骨料混凝士破坏机理与改性研究综述[J]，2016.
作者简介：刘博阳，男，武汉科技大学城市建设学院土木1501班本科生。
指导老师：高永红，女，武汉科技大学城市建设学院副教授。
论文作者:刘博阳,高永红
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/5
标签：混凝土论文; 纳米论文; 碳纤维论文; 智能论文; 自我论文; 材料论文; 性能论文; 《防护工程》2018年第19期论文;