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智能材料特征及其在土木工程中的应用

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摘要：随着人们对土木工程质量和使用功能的要求不断提高，包括光纤、压磁、压电、记忆合金等各种智能材料在土木工程领域得到了广泛的应用，有效解决了土木工程中结构构件的强度和刚度变化以及形变等问题，有关智能材料的研究越来越受到世界各国研究人员的重视。

关键词：土木工程;智能材料;应用

1智能材料特征

目前智能材料作为一种新型材料，学术界对其还没有一个统一的定义。但在现有的智能材料的各种定义中仍然是大同小异的。智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。这种材料的独特之处就是可以自我发现故障，自我修复，并且还能够根据实际情况而作出相应的优化反应，发挥控制功能。总的来说，智能材料可分为两大类：一类为嵌入式智能材料，它是指在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。另一类为材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。具有以下特征：

在土木工程建筑建设中，其所使用到的智能材料，一般具备以下几个基本特征：自适应功能、自我修复建筑结构的功能、识别和积累信息的功能、相应功能、自诊断功能、传感功能和反馈功能等。而目前在土木工程建设的过程中，所使用的智能材料主要具有以下特征：①智能材料能够准确地感知外界环境，还能对环境中存在的刺激及其强度进行精准的检测，如应变量、化学能、核辐射、热能、光能及应力等;②智能材料还具备驱动功能，能够适应外界的相应变化;③智能材料还能根据预先设计的方式，对自身进行相应的控制，并能够对具体的方式进行相应的选择;④智能材料还能快速地对外界的刺激进行反应，且这一反映非常恰当;⑤智能材料能够在外界的刺激消失之后，以最短的时间、最快的速度恢复到最初的状态。

2智能材料在土木工程结构中的应用

2.1光导纤维

光纤维的主要化学成分为二氧化硅，作为信息传递的绝佳介质，有着其他任何材料无法比拟的传导能力。材料主要由内层圆柱形透明介质和外层圆环形透明介质组成，内层为纤芯，外层为包层。内外层折射率的差异能够保证携带信息的光在纤维里面能量损失少，传输距离大。将光纤维植入到混凝土结构中，制成光纤维混凝土结构。当混凝土结构因外部因素的变化而产生变形时，植入砼结构中的纤维也随之发生变化，进而导致纤维中的光发生改变，相应的传感器能够直接获取变化，从而间接确定混凝土结构的各种性能变化，实现对结构的全方位监测，为工程的可持续性提供技术指导。并且，分布监控的模式可保证混凝土结构任何部位的改变均能被监测到，相当于在混凝土结构中创造了一个全覆盖、光角度、无死角的监测网络，两者组合而成的光纤维混凝土可以认为是一种具有强大自我调节的智能材料。

2.2压电材料

在传统的建筑结构中，一般应用的压电体为集成式，其主要是通过传感压电的原件对建筑结构的振动模式和状态加以感知，并根据其输出的感知结果，来确定控制算法应输入的压电体，以实现结构振动的主动控制，这也是智能结构中展开压电类研究与应用的前沿领域。目前，一些研究人员主要利用陶瓷压电体作为加速驱动与传感器，对控制主动振动及主被动阻尼在压电层合结构中的问题进行相应的研究。近年来，随着堆技术与压电材料的不断发展，促使智能材料中的压电类材料的研究与应用也变得更加广泛。目前，土木工程建设中应用的压电材料，一般更注重健康监测、安全评定、控制静变形能及主动控制噪声等方面，并且取得了非常好的效果。

2.3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，在将其形状改变后，在一定的条件下其形状记忆效应可被激发出来，产生强大的回复应力和回复应变，同时形状记忆合金也具备较强的能量传输储存能力，因此在土木工程中可将其置于结构中，实现对结构的自我诊断、增加材料的韧性和强度等，在结构出现变形、裂缝、损伤以及受到外界振动影响时，较大部分的能量都可被形状记忆合金吸收并耗散掉，因此增加了结构的安全可靠性，最常用的是利用其这一优点实现对地震作用的被动控制，工程实践中，将形状记忆合金安置于结构层间、底部或建筑物四角等受地震力作用较大部位，实现对地震能量的吸收和消耗。

2.4压磁材料

在外界加磁场的影响下，磁留悬浮变液体系所具备的各种流变性质均能产生非常显著的可逆变化。当临界值低于外加场强时，这一变液就会从液体状态快速转变成固体状态，同时利用显微镜进行观察，可以看到：在磁场的作用下，这一变液的相分散颗粒能够顺着磁场的方向逐渐形成连状结构。处于固体与液体之间的变液，其能够结合自身的特点，即可逆性质、可控性质及快速性等，对流体的特性实时控制，但此