《智慧型材料與防震減災》是蘭州市地震局發布的一篇文章。
基本介紹
- 中文名：智慧型材料與防震減災
- 發布單位：蘭州市地震局
所謂智慧型材料，顧名思義，就是一種能"感覺"出周圍環境的變化，並且能針對這一變化採取相應對策的材料。當它接受到我界的震動，壓力、聲音、溫度、電磁波等物理量的變化時，其性狀亦隨之變化。智慧型材料是指那些能對環境產生反應的液體，合金、合成物、水泥、玻璃、陶瓷和塑膠等材料，套用領域十分廣闊。
將智慧型材料套用於建築橋樑中，不但可以檢測出建築物在長期使用或在遭受地震、狂風，載重車輛通過時產生震動後可能出現的隱患和潛在的危險程度，而且可以自動修復和加固，這將會減少很多意外的發生。
為了確保各種建築物的安全，美國的建築學家從20世紀90年代初開始研究能"呼救"和自我修補的智慧型型混凝土。就是在混凝土中埋入大量事先裝有"裂紋修補劑"的空心纖維。一旦建築物混凝土開裂，空心纖維也隨之開裂，並流出修補裂紋的粘合劑，把裂紋牢牢粘在一起，形成自愈混凝土結構，達到自我修復的目的。由於這種智慧型混凝土具有活的機物屬性，可以感覺到裂紋，並將裂紋自行修復好，因此，能夠延長混凝土結構的壽命，減少災害的損失和必要的維護工作，提高了建築物的安全性。這種智慧型材料稱為"被動式"智慧型材料。
形狀記憶材料是指對形狀有記憶功能的材料。如果改變了它的形狀，可以在一定條件下恢復其原來的形狀。形狀記憶合金類金屬可以變形，並在設定的溫度下恢復原來的形狀；鎳鈦合金在受熱時，具有在受控狀狀態下，從變形後的形狀，恢復到原來形狀的能力；電流變和磁流變液體是指將這些液體放在電場或磁場中時，它們的粘度在幾毫秒內就會大大改變，甚至立即變成固態。美國的另一些建築專家正在研究一種"主動式"智慧型材料。他們的方法是在混凝土中埋入光導纖維或微型電子晶片和感測器，在建築物出現問題時，能使建築物自動加固。例如，將形狀記憶材料或電流變材料埋入建築材料，其中的感測器得到某部分出現裂紋的信號後，計算機就會發出指令，使事先埋入建築物中的微小液滴變成固體而自動加固或使形狀記憶合金髮生相變以增加混凝土強度。在玻璃纖維增強環氧樹脂複合材料中，埋入鎳鈦形狀記憶合金及光纖和電阻應變絲感測器陣列，可以檢測材料中的受損部位，然後由計算機控制的執行系統對相應受損位置的形狀記憶合金進行加熱，激發其產生相變，使複合材料結構中的受力狀態自動適應原有設計的受力條件。美國維吉尼亞技術研究院的機械工程師正在研究用智慧型材料減弱或抵消由地震引起的破壞性振動。在一種複合材料內植入一些形狀記憶合金纖維，這些纖維像肌肉一樣，可以改變形狀和鬆緊，即當形狀記憶合金通電時，溫度增加，這時它像繃緊的肌肉一樣，增加了梁的剛性並由此控制梁的固有振動頻率。研究者又把這根可以通電後繃緊的梁粘結在一根支柱上，迫使其振動，然後再用計算機操縱一個控制形狀記憶合金纖維通電的規則系統，用來改變梁的剛性以抵消外來的振動，使建築物的壽命大大延長。實驗結果證明，埋有形狀記憶合金絲的智慧型材料，其抗震能力增加了10倍。
智慧型材料系統最成熟的套用之一可能是主動結構聲控。聲控的目標就是減少由於這些結構的振動而引起的聲輻射。美國密執安州立大學複合材料與結構中心實驗室的M.V.Gandhi等人在1988年6月首次公布了將電流變體與複合材料相結合的智慧型複合材料的研究結果。他們在複合材料懸臂樑的空腔內注入電流變體，通過外加電場改變其狀態，從而實時控制梁的剛度、阻尼，實現了對建築物結構整體振動的主動控制。
日本東京大學柳田博明等人將碳素纖維和玻璃纖維組合，埋入混凝土中，以檢測混凝土的應力狀態和形變數。兩種纖維在電學性能及力學性能方面的互補性，使纖維在增加強度的同時，還能通過纖維電阻的變化，分析出混凝土中的受力狀態、形變程度和破壞情況，起到診斷裂紋和警報損傷甚至預測服役壽命的作用。他們已經把這種智慧型材料成功地套用於銀行等重要結構設施的防盜報警牆體。日本人期望在將來，造價昂貴及重要的橋樑和建築物都能夠用上這種智慧型材料，實現在位即時監控：當建築物結構體受到破壞和損傷時能即刻發出早期警報。
目前，已有在橋樑上採用光纖智慧型結構以對橋樑的性能實現長期監測的實例。例如，Kererkusen的Schiessbergstrasse大橋上，設計者們將光纖埋入收縮量很小的合成樹脂砂漿中，組成預應力筋，每根預應力筋中安裝兩隻光纖感測器，實現了長期監測。1993年，在加拿大的Calgary建造了一座新型的兩跨度公路橋，名為BaddingtonTrail。在這座橋樑的橋墩部分首次採用了碳纖維複合材料替代混凝土中的鋼筋，這是因為採用鋼筋目前仍存在著較為嚴重的腐蝕現象，採用碳纖維會避免這一問題。同時，這座橋樑的另一創新之處還在於橋樑中布置了光纖維布拉格光柵感測器，以監測使用過程中碳纖維符合材料替代鋼筋的效果及橋樑內部的應變狀態。一個四通道的纖維雷射解調系統定期檢查光纖感測器的輸出。在這座橋樑中一共埋入了18隻布拉格光柵光纖感測器，其中15隻在橋樑建成以後仍保持完好。為了補償溫度的影響，橋樑中還埋入了感測器以測量溫度。
碳纖維是20世紀60年代發展起來的一種高強度、高彈性模量、輕質、耐高溫、耐腐蝕，導電性能良好的纖維狀碳素材料。將碳纖維加入混凝土中，則可形成智慧型混凝土。我國的沈榮大等人研究的一種對壓力敏感的壓敏混凝土材料，有較好的特性實用性。他們在混凝土中加入1%的碳素短纖維後，其電阻會隨所承受壓力而明顯變化。根據電阻變化的特徵，可以判斷出混凝土材料的安全期、損傷期和破壞期，達到診斷效果。將這種符合材料做成規則塊狀感測器，埋入大型混凝土結構中，並輔以網路結構系統，可以判斷出大型構件所受壓力的位置的受力面積的大小。如果內部各個部位的溫度不同，會產生電動勢差，進而可以通過檢測各部各部位電動勢的變化，來判斷大型結構部件內部溫度場的分布情況，形成所謂溫敏混凝土。還可以利用電熱效應對混凝土結構加熱，研究者稱之為自適應混凝土。這些將碳素纖維複合材料與光纖感測器結合形成的結構，可望套用於三峽等大型工程的一些重要位置。
隨著科學技術的發展，智慧型材料在建築工程上逐步得到套用，它將為人類防震減災做出巨大貢獻。
