智能混凝土研究

智能混凝土研究（精选7篇）

智能混凝土研究 篇1

智能混凝土是智能化时代的产物。从混凝土出现到今天, 混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响, 结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减, 甚至导致突发事故。人们逐渐地把一些科技成果应用到材料科学领域中, 从而使材料的发展出现了向智能化方向发展的趋势。随着电子信息技术和材料科学的不断进步, 社会及其各个组成部分, 如交通系统、办公场所、居住社区等等向智能化方向发展。作为最主要的建筑材料的混凝土材料已逐渐向高强、高性能、多功能和智能化发展。自感应混凝土、自调节混凝土、自修复混凝土等一系列机敏混凝土的相继出现为智能混凝土的研究和发展打下了坚实的基础。作为混凝土材料发展的高级阶段。智能混凝土的研究和开发方兴未艾, 研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能一体化的发展趋势。

1 智能混凝土研究现状

目前提出的智能化混凝土只是具备了智能混凝土的某一基本特征, 是一种智能混凝土的简化形式, 因此有人也称之为机敏混凝土。目前, 其智能 (机敏) 性研究主要有自感应性、自修复性能和自调节性能几个方面。

1.1 自感应性能

自诊断智能混凝土具有压敏性和温敏性等性能。普通的混凝土材料本身并不具有自感应功能, 但在混凝土基材中掺如部分导电相组分制成的复合混凝土可具备自感应性能。目前常用的导电组分可分为三类:聚合物类、碳类和金属类, 二最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及炭黑;金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片、金属网等。

1.2 自修复性能

综合了自然愈合、基体增强和有机物释放邓机制, 在混凝土材料组分中复合活性无机掺和料、微细底弹模纤维和有机化合物, 从而在混凝土内部形成自增强、自愈合网络, 是混凝土裂缝重新愈合, 恢复甚至提高混凝土材料的性能。

1.3 自调节性

对于通常作为建筑材料使用的混凝土, 其结构除了承受正常负荷外, 人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间, 能够调整承载能力和减缓结构振动。混凝土本身是惰性材料并没有自调节功能, 要达到自调节的目的, 就要在混凝土中复合驱动器材料, 如形状记忆合金 (SMA) 和电流变体 (ER) 。

有些建筑物对其室内的湿度有严格的要求, 如各类展览馆、博物馆及美术馆等。为此, 可在混凝土中掺入沸石粉, 即可对室内湿度进行自动调节, 它具有如下特点:优先吸附水分;水蒸气气压低的地方, 其吸湿容量大;吸放湿与温度有关, 温度上升时放。

2 智能混凝土研究热点

2.1 形状记忆合金应用于混凝土

邓宗才, 李庆斌等对形状记忆合金在混凝土梁中驱动效应进行了研究认为合金在逆相变过程中能对混凝土粱产生很大的驱动力, 使得对粱挠度值的主动控制与调整成为可能。

2.2 仿生自愈合混凝土

在日本, 以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的空心胶囊或玻璃纤掺入混凝土材料中, 一旦混凝土在外力作用下发生开裂, 部分胶囊或空心纤维破裂, 粘结液流出深入裂缝, 粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。

美国伊利诺伊斯大学的Carolyn Dry在1994年采用类似的方法, 将空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液作为粘结剂, 埋入混凝土中, 使混凝土产生自愈合效果。

2.3 导电混凝土

国内外研究者研究发现, 导电混凝土有以下性能:

1) 压敏性即碳纤维混凝土的电阻率在外力作用下产生有规律的变化。Chung进行了大量研究, 认为碳纤维混凝土在拉应力作用下, 纤维拔出, 电阻增大;在压应力作用下, 纤维插入, 电阻减小, 压敏性远远高于一般的电阻应变片。2) 温敏性即温度变化引起电阻变化 (温阻性) 及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性 (Seebeck效应) 。在混凝土结构中的应用包括, 嵌入式温敏混凝土结构, 碳纤维水泥层普通混凝土复合温敏结构等结构。其温阻现象可以实现对大体积混凝土的温度自监控, 亦可做成热敏元件和火警报警器等, 应用与有温孔和火灾预警要求的智能混凝土结构工程。3) 其他特性力电效应, 在外力作用下产生电流的现象, 在从小荷载直到破坏荷载的全过程中压应力与所产生的电流强度之间存在一一对应关系。运用水泥基材料的力电和电力效应可开发集感知和驱动功能与一身的机敏混凝土结构。

3 智能混凝土的发展前景和研究应注意问题

智能混凝土具有广阔的应用前景, 但作为一种新型的功能材料, 如果投入实际工程, 还有很多问题需要进一步地研究:如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等;光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式;自愈合混凝土的修复粘结剂的选择、封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。为促进智能混凝土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识:

1) 开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生恶化和结构发生破坏等现象, 考虑不同的智能方法, 如针对这些现象, 设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的, 因此, 缩小智能化范围, 以某种功能为对象, 从而开发出相对最适应的方法是必要的。2) 实施中应具有可行性。浇注混凝土多在施工现场进行, 因而作为智能混凝土的施工方法, 对其技术与工艺要求不能过高。应以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有化学稳定性, 要有利于安全使用, 不挥发任何有刺激的气味和其它有害物质, 并能大量应用, 而且成本较低。3) 设计应具有综合性。采用智能化, 虽然可以提高材料的耐久性, 但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种恶化现象进行控制和改善, 但是否会对强度等其它性能有所影响, 所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和权衡。

4 结语

智能混凝土正在朝着混凝土中智能组件的集成化和小型化, 智能控制材料的开发和实现混凝土材料结构、智能一体化方向发展, 将来会有更广的应用前景。

参考文献

[1]李彦军, 商建, 尚伯忠.智能混凝土的研究.山西建筑, 2009.

[2]李卓球, 宋显辉.智能复合材料结构体系.2005.

变压式水泥混凝土智能养护研究 篇2

1 养护机结构组成、作用及优点

1.1 养护机的结构组成

该养护机内部包含可编程逻辑控制器 (PLC) 、Zig Bee无线接收模块、水压控制器、电磁阀、定时器, 外设部分主要有Zig Bee无线传输模块、温湿度传感器。

1.2 各结构作用

温、湿度传感器:混凝土养护时可置于浸湿麻布底下, 测量混凝土表面温度、湿度, 并将数据传递给Zig Bee无线传输模块。ZigBee无线传输模块:将接收到的数据转化为无线信号。Zig Bee无线接收模块:接收传输模块传输的数据。PLC:可编程逻辑控制器, 根据事先编好的程序依次执行, 从而根据Zig Bee模块接收的数据控制电磁阀、定时器以及水压控制器, 实现低于临界温湿度下定时定距喷灌养护。水压控制器:控制进水口水压, 进而间接控制出水速度, 从而控制喷水距离。电磁阀:PLC控制其开关。

1.3 各结构优点

首先, PLC具有灵活性强、通用性强、可靠性高、体积小、能耗低、编程简单等优点[4]。其次, Zig Bee具有低能耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠安全等特点[5]。

2 养护机工作流程

首先, 温度、湿度传感器测试水泥混凝土表面温度、湿度, 并将数据传给Zig Bee无线传输模块, 再将其转化为无线信号传递给主机无线接收模块, 主机接收模块再将其传递给PLC, PLC中事先有相关程序, 即根据水泥种类, 混凝土种类设定好临界温度、湿度, 当接收的温度、湿度低于临界值时, PLC控制电磁阀打开, 根据相关温度设定喷水时长, 根据接收信号的位置设定进水水压, 从而实现水泥混凝土定时定距喷灌养护, 工作流程图见图1。

3 智能养护系统工作原理及相关参数计算

1) 智能养护系统工作原理。

在图2中, a, b, c, d, e, f, g, h这几个点处设置温湿度传感器, 各点之间等距, 将这几个点分配到左右两个主机, 分别接收它们的信号, 例如:左边主机接收到b点处温湿度传感器信号并判断其小于临界温湿度, 左边主机将控制水压使其在b, c两点之间部分来回周期性洒水, 同时根据温湿度的值确定整个洒水时长, 时间到, 定时器关闭电磁阀, 水压控制器将水压变为零。

由于该文所述养护原理是通过控制水压实现不同距离的混凝土养护, 因此需要确定的参数即为进水时的起始水压。

2) 起始水压计算。以进水口为基准, 根据短管水头损失计算:

得到:

其中,

其中, p为水压控制器控制后的起始水压;ρ为水的密度;hw为沿程水头损失;ζ为局部水头损失系数;λ为沿程摩阻系数;s为需要喷水的距离。

4 变压式智能养护的优缺点

1) 变压式智能养护的优点。a.避免了人工日夜监测浇灌;b.通过测试温湿度进行浇灌, 规范了混凝土养护;c.通过变化压力避免了大量管路的铺设;d.喷灌的方式有利于形成局部小气候, 减小蒸发量, 节约了用水量。2) 变压式智能养护的缺点。a.在温湿度传感器铺设时较为麻烦;b.要求跟人工洒水一样铺设草垫或麻布;c.水压有最大限制, 喷洒距离不远。

5 结语

本文建立的变压式混凝土智能养护系统实现了混凝土养护的智能化、自动化, 避免了传统混凝土养护时专人监测、专人养护、劳动强度高的缺点, 同时利用温湿度传感器解决了人工对温湿度监测不规范的问题。与此同时, 该养护方式使用了喷灌方法形成了局部小气候, 减小了水的蒸发量。但是由于系统本身问题, 在铺设温湿度传感器时比较麻烦, 水压有一定限定值, 不能实现无限远喷灌。但由于其规范化养护及减少了人工, 其在梁式桥面、水泥混凝土路面以及混凝土楼板的养护有着重要的应用。

参考文献

[1]陈康军.水泥混凝土智能养护系统在桥梁工程中的应用研究[J].公路, 2013 (11) :218-220.

[2]王贤权, 赵晓魏, 王波, 等.浅谈混凝土薄膜养护工艺[J].中国高新技术企业, 2008 (12) :179-180.

[3]林尤莲.规范混凝土养护与建筑质量控制的关系[J].四川水泥, 2014 (11) :94.

[4]张建召.论PLC的应用及其发展[J].现代企业教育, 2010 (6) :134-135.

智能混凝土研究 篇3

关键词：预应力混凝土,智能张拉,智能压浆新工艺

前言:为了提升建筑工程的质量, 加快其建筑工期, 建筑工作人员在应用预应力混凝土智能张拉与智能压浆新工艺的过程中, 需要深入分析其工作原理, 并以提升质量为主, 制定科学的施工方案, 从而保障在施工的过程中做到精益求精, 这不仅能为建筑企业减轻压力, 也能为其带来良好的经济效益。此外, 确保建筑企业能安全的进行施工也是在应用预应力混凝土智能张拉与智能压浆新工艺时所应关注的问题。

一、关于预应力混凝土智能张拉与智能压浆新工艺工作原理的分析

通过对智能张拉研究, 从中发现其主要是由主机、油泵、千斤顶这三个部分构成的一个系统。该系统以应力为主, 在应用的过程中控制指标。此外, 该系统可以根据传感技术所收集的数据对每台主机进行判断, 并控制其接收指令, 在一定范围内调整其电机的工作参数, 这样职能张拉就能发挥其主要的作用。另一方面, 千斤顶中的传感器主要负责收集压力值, 然后根据主机提供的数据值, 计算机油表的数值, 进而将其数据储存在预应力记录表中。

智能压浆技术主要是指配置设备问题, 其工作原理是浆液在由预应力管道、制浆机、压浆泵组成的回路内持续循环以排净管道内空气, 及时发现管道堵塞等情况, 并通过加大压力进行冲孔, 排出杂质, 消除致压浆不密实的因素[1]。

二、关于预应力混凝土智能张拉与智能压浆新工艺的重要性

根据对实际施工案例的分析, 从中得知, 预应力混凝土在进行智能张拉使, 需要保证其压浆孔道要在48小时内完成, 才能进行相关的施工措施, 否则则会导致预应力钢筋生锈, 无法正常使用。在此过程中, 建筑人员要能实时对浆体进行监控, 将其浆体的稠度控制在14 14~18s之间。这样当预应力混凝土完成相关张拉和预压后, 就可以使用环氧树对孔道进行封闭, 从而避免因为预压的因素而损失浆体。

控制温度也十分重要, 在控制温度的过程中, 要能针对施工环境和气候进行分析, 在施工前对气候进行研究, 从而确保施工时温度符合相关的要求, 这样就能对建筑工程起到一定的保障作用。另外, 为了体现预应力混凝土智能张拉系统与智能压浆新工艺技术的主要功能, 使其在建筑工程中发挥良好的效果, 建筑企业需要为其配备专业的人员和先进的科学仪器, 只有做好充足的准确工作, 才能确保建筑工程能顺利的施工。

三、针对预应力混凝土智能张拉与智能压浆新工艺提出的施工要点

对于经验较为丰富的建筑人员而言, 智能张拉技术过于简单, 而且操作起来便捷, 其功能比较人性化。因此, 大部分建筑工程在建设的过程中都会采用智能张拉技术。但要想获取更多的信息, 在建筑的过程中, 建筑人员需要对现场环境进行分析和研究, 进而根据实际施工环境应用智能张拉技术。另外, 在借助智能张拉技术的过程中, 要能保证其系统正常安全的运行。为了提升其建筑效率, 整个过程都属于自动化, 无需人工操作, 这为建筑企业减轻了大量的人力, 从而真正实现了预应力混凝土智能张拉[2]。

(一) 提升建筑质量的关键点

尽管预应力混凝土智能张拉在施工的过程中完全自动化, 不需要人力, 但为了确保整个工程的质量。建筑企业需要为其配置相关的专业的管理人员, 定期对现场进行监测和管理, 以免出现影响建筑工程因素。其次, 要对管理人员加强监管和指导, 使其能安全的监测预应力混凝土智能张拉系统。为了将风险值降到最低, 相关的管理人员要能精细的控制预应力的值, 以防止建筑工程出现质量问题。而且这样也能确保其结构合理安全, 耐久性也会提升, 减少维修成本。由于建筑工程中存在着巨大的安全隐患, 所以, 对其的配备也要标准化。

(二) 增强对施工人员的技术指导和培训

作为一项巨大的建筑项目, 在应用预应力混凝土智能张拉与智能压浆新工艺的过程中, 建筑企业需要对建筑人员进行指导和培训, 使其具备专业的技术能力, 这样建筑人员就能熟练的操作相关的技术设备。其次, 在培训的过程中, 建筑企业将责任落实到每一个工作人员的身上, 使其提升良好的责任意识, 这样建筑人员就可以根据相关的技术要求和规章制度, 保质保量的完成建筑工程。此外, 需要注意一点则是, 在施工的过程中, 建筑单位一定要为其建筑人员提供安全保障措施, 使其建筑人员能秉持着安全第一的观念展开施工[3]。

(三) 制定合理的施工方案

在应用智能张拉与智能压浆工艺的过程中, 建筑企业需要结合实际的施工情况, 制定合理的施工方案, 进而保障在出现问题时能及时的解决。而且, 明确的施工方案, 也能提升建筑质量。这对于建筑工程而言尤为重要。因此, 在制定施工方案的过程中, 建筑企业要深入分析和研究建筑工程, 在节省建筑成本的基础上, 选择合格的材料, 确定人力、物力、财力等相关问题的对策, 从而保障施工秩序更加具有规范性。

结束语:综上所述, 在进行预应力混凝土进行施工时, 相关的技术人员要能正确的应用智能张拉与智能压浆新工艺技术, 从而准确的实现智能张拉, 使其具备良好的控制能力, 并保证其依旧具备自动化、标准化等特性, 这样才能确保其施工技术符合建筑工程要求, 也才能有效的提升建筑工程的质量。只有充分的做到以上几方面, 建筑企业才能在节省成本和减少建筑周期的基础上, 建设环境友好型的工程, 并且从中获取更多的经济利润, 而且这也能带动我国其他行业经济的提升。

参考文献

[1]王文生.预应力混凝土箱梁施工质量控制[J].公路交通科技 (应用技术版) , 2016, (09) :12-23.

[2]赵翔宇.浅谈梁板智能张拉压浆系统在高速公路的应用及发展前景[J].山西交通科技, 2012, (06) :56-78.

浅析智能混凝土的发展和应用 篇4

1 绿色混凝土

绿色混凝土, 指既能减少对地球环境的负荷, 又能与自然生态系统协调共生, 为人类构造舒适环境的混凝土材料, 即可理解为:节约资源、能源, 不破坏环境, 更有利于环境[3]。

1.1 绿色高性能混凝土

高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能, 如果将高性能混凝土与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来考虑, 则成为绿色高性能混凝土 (GHPC) 而真正的绿色高性能混凝土应该是节能型混凝土, 所使用的水泥必须为绿色水泥。普通水泥生产过程中需要高温煅烧硅质原料和钙质原料, 消耗大量的能源。如果采用无熟料水泥或免烧水泥配制混凝土, 就能显著降低能耗, 达到节能的目的。

1.2 环保型混凝土

混凝土材料给环境带来了负面影响, 而新型的混凝土不仅要满足作为结构材料的要求, 还要尽量减少给地球环境带来的负荷和不良影响, 能够与自然协调, 与环境共生。因此, 作为人类最大量使用的建设材料, 混凝土的发展方向必然是既要满足现代人的需求, 又要考虑环境因素, 有利于资源、能源的节省和生态平衡, 环保型的混凝土成为了混凝土的主要发展方向。

1.3 机敏型混凝土

机敏混凝土是一种具有感知和修复性能的混凝土, 是智能混凝土的初级阶段, 是混凝土材料发展的高级阶段。可以有效的预报混凝土材料内部的损伤, 满足结构白我安全检测需要, 防止混凝土结构潜在的脆性破坏, 能显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。

2 再生混凝土

再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后, 按一定比例与级配混合, 部分或全部代替砂石等天然集料, 再加入水泥、水等配而成的新混凝土。再生混凝土按集料的组合形式可以有以下几种情况:集料全部为再生集料;粗集料为再生集料、细集料为天然砂;粗集料为天然碎石或卵石、细集料为再生集料;再生集料替代部分粗集料或细集料。再生集料成分不仅有少量脱离砂浆的石子、部分包裹砂浆的石子, 还有少量独立成块的水泥砂浆。因为水泥砂浆的表面粗糙、棱角多并且在混凝土构建破坏和集料生产过程中集料内部出现大量微细裂缝, 从而导致再生集料孔隙率大, 进而使得表观密度和堆积密度降低。研究认为, 再生集料的表观密度为天然集料的85%以上, 并且其离散性很大。由于废旧混凝土在破碎过程中受到较大外力作用, 在集料内部会出现大量微细裂缝, 使得再生集料的吸水率和吸水速率都远高于天然集料。研究认为, 再生集料的吸水率是天然集料的6-8倍。一般认为, 再生细集料的吸水率超过10%, 而再生粗集料一般吸水率为5%左右。由于再生集料的孔隙率较大, 在短时间内再生集料就可以吸水饱和。在再生混凝土配合比设计时需要考虑再生集料的高吸水率问题。由于再生集料在性能上较天然集料差, 对再生混凝土的许多性能产生不利影响, 因此可以通过改善再生集料性能来提高再生混凝土的性能。

(1) 机械活化

其目的在于破坏弱的再生颗粒或去除黏附于再生颗粒表面的水泥砂浆, 从而提高再生集料的强度。但该方法能耗较高, 同时会产生大量难以处理的粉末。

(2) 酸液活化

将集料置于酸液中, 如冰醋酸、盐酸溶液中, 利用酸液与再生集料中的水泥水化物Ca (OH) 2反应, 起到改善再生集料颗粒表面的作用, 从而改善再生集料的性能。

(3) 化学浆液处理

用高强度水泥和水按照一定比例调成水泥浆。利用浆液对再生集料进行浸泡、干燥处理, 以改善再生集料的空隙结构, 从而提高再生集料质量。

(4) 水玻璃溶液处理

用水玻璃溶液浸渍再生集料, 利用水玻璃与再生集料表面的水泥水化物填充再生集料孔隙, 从而改善再生集料的密度。

3 智能混凝土的发展和应用方向

前面所述研究是初级阶段, 它们只具备了智能混凝土的某一基本特征, 是一种智能混凝土的简化形式。就如何发展智能混凝土, 许多学者提出了许多中肯的意见和建议, 现归纳如下:

(1) 加强混凝土科研开发、标准制定、工程设计和施工人员等的环保意识, 加大智能概念的宣传力度, 以引起混凝土工程领域各个环节的高度重视。

(2) 大力发展高标号熟料水泥生产, 提高高标号熟料在整个熟料生产中的比重;研究改进熟料矿物组分, 对传统的熟料矿物、水泥进行改性、改型发展生产能耗低的新品种, 调整水泥产品结构, 及发展满足配制高性能混凝土和绿色高性能混凝土要求的水泥, 并在满足这一要求的前提下, 尽量减少混凝土中的水泥用量;研究开发、改进、提高和发展水泥生产工艺及技术装备, 采用新技术、新工艺、新装备改造淘汰落后技术和装备, 以提高水泥质量, 达到节能、节约资源的目的。

(3) 大力发展人造骨料, 特别是利用工业固体废弃物粉煤灰、煤矸石生产制造轻骨料;积极利用城市固体垃圾, 特别是拆除的旧建筑物和构筑物的废弃物混凝土、砖、瓦及废物, 以其代替天然砂石料, 减少砂石料的消耗。

(4) 更新传统的混凝土设计方法, 提高施工质量意识, 严格施工, 以保证混凝土的施工质量。

(5) 成立有关智能高性能混凝土专门的研究、开发、推广、质量检验和控制的机构。

参考文献

[1]中建三局总承包公司.普通混凝土高性能化研究与应用[C].武汉.[1]中建三局总承包公司.普通混凝土高性能化研究与应用[C].武汉.

[2]赵国藩.高性能混凝土发展简介[J].施工技术, 2002, (4) .[2]赵国藩.高性能混凝土发展简介[J].施工技术, 2002, (4) .

智能混凝土材料的性能及应用浅析 篇5

但是不可否认这些混凝土只是智能混凝土的简单形式, 其功能单一, 并且很多还没有走出实验室, 离普通人印象里的“智能”还有很大距离, 这也是限制智能功能混凝土使用范围的原因之一。目前人们正在研究将两种或两种以上的功能进行组合的智能组装混凝土[3], 这种混凝土是将具有自感应、自修复、自调节功能的组件材料与混凝土基材复合, 并按照结构的需要进行排列, 以实现混凝土结构内部损伤自诊断、自修复和抗震的智能化。

1 智能混凝土的应用

智能混凝土相对于传统混凝土有很多优点, 能解决传统混凝土不能解决的问题。比如在结构健康监测方面、抗震方面、节能环保方面运用智能混凝土将很大程度上改善建筑结构状况。下面以三种智能混凝土的机理以及作用来说明:

1.1 自感知混凝土

自感应性能实质是在混凝土里中加入一些可以导电的成分, 形成具备自感应性能的智能混凝土, 使用最多的添加材料是碳类和金属类。

温度自调节混凝土是在水泥基中掺入一定比例的导电材料, 如碳纤维材料等。掺入导电材料后混凝土中未水化的颗粒、水化产物、裂纹等形成势垒构成一定的导电网络, 从而使混凝土的导电性能大大改善[4]。导电材料的掺入量越大, 混凝土的导电性能越好。当碳纤维混凝土结构受到外荷载作用, 产生应变时, 混凝土中产生裂缝, 导电颗粒之间的距离也随着变化, 从而使碳纤维混凝土的电阻率发生变化, 如图1所示。利用这一温差特性可以对大型建筑物的温差进行实时监控, 也可以用于对温度敏感的设备里, 如热水器、火警报警器等。

如图1所示, 碳纤维混凝土所受的压应力与自身的电阻率有一定关系, 随着压应力增大, 其电阻率先减小后增大。如果将碳纤维混凝土作为建筑结构的关键部位, 测算出碳纤维混凝土的电阻率, 再结合工程实际就可以反推出混凝土结构的受力状况[5], 从而判断建筑结构的安全状况。

1.2 自修复混凝土

混凝土结构广泛应用于各种工程建筑, 普通混凝土因为抗压强度高、耐久性好、成本低的特点得以广泛应用。但是普通混凝土本身具有脆性大的特点, 在使用过程中由于疲劳效应、腐蚀效应和自身老化的不利因素的影响, 混凝土结构将发生损伤积累和抗力衰减, 从而不可避免地会产生微开裂和破坏, 也就是说混凝土结构往往会带裂缝工作。空气中的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和氯化物等会通过裂缝进入混凝土结构内部, 与混凝土或者钢筋发生反应, 腐蚀混凝土结构, 导致结构强度降低。更严重的是这种破坏比较隐蔽, 很难发现, 为建筑结构安全埋下隐患。为了解决这个问题, 科学家们研制出了自修复混凝土[6]。为达到自修复的功能, 常用的方法有结晶沉淀技术、渗透结晶技术、聚合物固化技术等。下面着重介绍聚合物固化技术。

聚合物固化技术对混凝土裂缝的自修复是模仿生物组织对创伤部位自动分泌某种物质, 使创伤部位修复的原理, 如图2所示, 主要由水泥基、修复剂、修复纤维愈合管、修复剂容器等组成。其作用原理类似生物断骨愈合的过程:当混凝土结构受到外部荷载作用产生裂缝时, 水泥基内部的脆性愈合管由于应力作用破裂, 馆内的修复剂在压力作用下溢出, 流向裂缝处, 然后粘合修复破坏处裂缝, 使混凝土结构再次成为一个完整体, 不但能够增加结构强度还能防止钢筋被腐蚀。这种方式的难点在于愈合管能否按预定条件破裂释放修复剂、修复剂能否准确到达裂缝处以及修复剂的保存。

1.3 自调节性能

普通混凝土, 作为无生命材料并不具备自调节能力, 其结构一般只能承受来自自身和外界的正常荷载。当发生洪水、地震等自然灾害时, 为提高混凝土的承载能力起到减震的效果, 可以在混凝土中加入形状记忆合金、电流变体等驱动材料。在混凝土中添加形状记忆合金形成具备独特的形状记忆效应、调节由温差引起变形能力的自调节混凝土。当受到外荷载的干扰时, 利用其形状记忆的特性, 结构内部发生内力重分布现象, 从而提高混凝土结构的承载力。

利用电流变体其本质属于胶体这一特性, 通过外加电场的方式改变电流变体的流变能性能。用电流变体与混凝土相结合形成的智能混凝土面对混凝土结构受到异常荷载时, 通过改变自身阻尼的性质, 消耗由于变形产生的能量, 进而起到削减异常外荷载带来的不良影响。

2 智能混凝土的发展趋势

现阶段的智能混凝土一般只具备某种单一功能, 智能化程度也不高, 有人提出现阶段的智能混凝土严格意义上只能称作“机敏混凝土”。虽然目前智能混凝土还不能完全满足工程需求, 但是国内外对智能混凝土的研究在不断深入。研究方向正朝着高智能化、高可靠度、低成本的方向发展。

随着科技的发展, 材料、机械、电子方面的技术也不断提高, 新的智能混凝土也将不断涌现, 将使人们的生产生活更加安全、高效、节能、环保。我国现阶段主要重心是经济发展, 城市化进程不断加快, 同时伴随着环境的恶化, 雾霾、水污染、噪声污染等成为日益严峻的问题, 未来智能混凝土将在节能环保方面将做出很大贡献, 为解决我国的环境问题出力。

3 结语

智能化已逐渐向我们生活的方方面面迈进, 智能混凝土作为智能材料的一个分支, 也是建筑材料发展的一个重要趋势。现阶段的智能混凝土不能完全满足要求, 应用范围有限, 但是有些类型的智能混凝土如温度自监控混凝土、生物相容混凝土、导电混凝土、自修复混凝土等现在已经体现出来的潜力是传统混凝土难以比拟的, 发展智能混凝土能有效解决目前建筑中的很多难题, 创造安全、高效、健康的生产生活环境。因此, 作为建筑工程专业的我们为了适应将来工作的需求与研究的深入有必要关注和参与智能混凝土的发展。

摘要：本文结合智能混凝土材料的典型应用, 论述了混凝土材料在诸多方面的工程应用需求及前景。

关键词：智能混凝土,性能,应用,发展趋势

参考文献

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[3]吴泽进, 施养杭.智能混凝土的研究与应用评述[J].混凝土, 2009 (11) :86-88.

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[5]周浩, 陈隆道.导电混凝土及其应用[J].混凝土与水泥制品, 1992 (4) :12-13.

[6]Mihashi H, KANEKO Y, Nishiwaki T, et al.Fundamental study on development of intelligent concrete characterized by self-healing capability for strength[J].Transactions of the Japan Concrete Institute, 2001, 22:441-450.

[7]刘鹏, 贾平, 周宗辉, 等.自修复混凝土研究进展[J].济南大学学报:自然科学版, 2006, 20 (4) :287-291.

混凝土强度预测的人工智能方法 篇6

在实际工程中,不同的结构对混凝土不同龄期的强度都有明确的要求,传统的做法主要是通过试配,在不同的龄期进行检测,而这必然耗费大量的人力、物力及时间,而有效的预测模型无疑能缩减不必要的试验,大幅度提高工作效率。

传统的预测模型一般都包括数学规则和表达式,虽能在一定程度上反映混凝土强度变化的复杂特性,但是,这种传统的构造方法存在局限性。近年来,随着计算机和人工智能的发展,人工神经网络(Artificial Neural Network)理论和模型得到了迅速发展,已经在许多领域内得到成功应用[1,2,3]

1 人工神经网络基本原理

人工神经网络(Artificial Neural Network,简称ANN)是在对人脑组织结构和运行机制的认识理解基础之上模拟其结构和智能行为的一种工程系统,它的组织能够模拟生物神经系统对真实世界物体所做出的交互反应。人工神经网络是由大量简单的处理单元(神经元)广泛地互相连接而形成的复杂网络系统。大量神经元构成的网络系统具有很强的存储能力和计算能力。理论已证明,3层神经网络模型可以实现任何函数映射。神经网络有多种模型结构,各有特点和用途。

目前应用最广最成熟的是一种采用误差反向传播算法的前馈多层神经元网络,即BP(Back Propagation)神经网络。标准的BP模型有输入层、中间层(隐含层,可以是1层或多层)、输出层3个神经元层次,相邻层神经元之间两两连接,而同一层次的神经元之间没有连接。BP神经网络模型见图1。

BP神经网络建立之后,需要利用历史数据进行训练。此过程见图1。

为使BP网络更快的收敛,可以采用附加动量法、自适应学习率法对基本BP算法的改进,能有效缩短训练时间,使误差达到全局最小。

2 混凝土强度预测

2.1 混凝土材料

2.1.1 水泥

选用42.5级普通硅酸盐水泥,指标见表1。

2.1.2 粉煤灰

选用兰州二热电厂西亚公司生产的二级粉煤灰,指标见表2。

%

2.1.3 矿粉

矿粉为钢渣磨细而成。

2.1.4 外加剂

选用天津建筑科学研究院生产的YNB型泵送剂。

2.1.5 骨料

碎石:(人工筛分)5 mm～10 mm碎石,连续级配,堆积密度1 490 kg/m3,表观密度2 710 kg/m3,含泥量0.5%;粗骨料为河北易县产5 mm～25 mm石灰石碎石,表观密度为2 660 kg/m3,级配良好,含泥量为1.14%,针片状含量为8.18%,压碎指标为6.96%;

砂:中砂,细度模数为2.6,堆积密度1 480 kg/m3,表观密度2 690 kg/m3,含泥量2.1%。

2.1.6 拌合水

混凝土拌合用水为兰州交通大学自来水。

2.2 混凝土的配比

在本试验中,以C30为混凝土配置的基准强度,将砂率维持在0.36左右,保持外加剂的用量在胶凝材料的1%,而分别以水灰比、粉煤灰掺量、矿粉掺量、水泥用量的不同值,配置16种混凝土,其中水灰比0.4,0.45,0.50,0.55,粉煤灰和矿粉掺量分别为0,10%,20%,30%,用水量170 kg/m3,180 kg/m3,190 kg/m3,200 kg/m3。

将(100×100×100)mm3的试块在养护室中进行标养,分别测量7 d,14 d,28 d,90 d的抗压强度。

2.3 混凝土强度预测的BP人工神经网络模型的建立

在强度发展预测模型中,取粉煤灰掺量、矿粉掺量、水灰比、单方用水量、龄期为输入参量,以测量强度为输出变量,设置1个隐层,隐层神经元数为8。试验数据共64组,将其中48组作为训练样本,每种配比各取1组共16组作为检验样本。

训练中取7 d,14 d,42 d,56 d,90 d的强度作为训练样本,网络迭代1 000次,拟合残差为0.001 2,样本最大误差8.2%,预测最大相对误差5.0%。人工神经网络模型训练好后,以28 d强度作为预测样本,训练结果和预测结果见表3。

3 结语

本文将人工神经网络应用于混凝土抗压强度的预测,建立了混凝土强度随时间、水灰比、粉煤灰掺量、矿粉掺量、用水量变化的人工神经网络模型,很好地预测了混凝土抗压强度随各种因素变化的规律。需要指出的是,模型是根据较少的样本训练出的,但所建立的神经网络模型是动态的,随着实测数据的不断积累,可以不断加强网络的学习能力,即它可以在新取得的样本基础上进行自学习,形成更完善、更完整的评估预测系统,使网络的输出值更加接近实测值,从而进一步提高预测的精度和模型的应用范围。另一方面,在建立神经网络时,隐含层单元数量的选择是一个关键因素,理论上单元数量越多收敛速度越快,但实际应用过程中往往并非如此,必须经过多种运算比较来找到相对最优数量,以确定最后模型,随着研究的不断深入,还可以考虑在神凯网络中加入遗传算法,利用遗传算法淘汰其中的次要因素,得到更适用的神经网络。因此,神经网络与其他有益的理论(如模糊评价、遗传算法)相结合,有很大的潜力,是值得研究人员进一步尝试和研究的

摘要：针对混凝土强度预测中存在的问题,提出了一种人工智能模型——人工神经网络预测方法,用人工神经网络对16种配比的混凝土进行了28 d强度预测,结果表明该模型可靠度很高,可用于优化混凝土的试配,从而节约大量的人力、物力和时间。

关键词：混凝土,人工神经网络,强度,预测

参考文献

[1]闻宝联.城市污水环境下混凝土腐蚀及耐久性研究[D].天津:天津大学博士学位论文,2005.

[2]王文成.神经网络及其在汽车工程中的应用[M].北京:北京理工大学出版社,1998.

[3]王新刚,王起才.基于人工神经网络的大体积混凝土温度场预测[J].混凝土,2006(9):23-24.

碳纤维智能混凝土的温敏性探讨 篇7

混凝土路面因具有强度高、稳定性好、抗滑性能好、耐磨耗、使用寿命长等优点而在世界各国得到了广泛的应用。目前,我国正处于基础设施建设的高峰阶段,修建了许多混凝土道路、桥梁和机场路面。这些基础设施的建设对整个国家国民经济的发展起着不可估量的作用。然而,路面状况的好坏直接影响道路交通的安全。气候条件的变化影响着路面状况,也影响着道路、飞机场的通行能力和行车安全。特别是在寒冷的冬季,当混凝土路面因降雪而积雪结冰时,会给道路畅通和行车安全带来严重的影响,甚至造成道路和机场关闭,给客货运输带来很大不便。为了保障道路畅通和行车安全提高道路和机场的运营效益,必须采取措施清除道路、机场的冰雪。

目前,冬季除冰雪的方法主要有两种:机械除雪法和融雪法。机械除雪法主要是利用机械清除道路冰雪,该法适用于大面积的道路清除,效率高,除雪直接,但当气温较低时,由于冰和路面之间的粘结力较大,单独使用机械除雪效果并不好;另外,除雪机械受季节影响较强,使用效率低,经济效益较差。融雪法有化学融雪法和热融雪法二种。化学融雪法是通过在路面上喷撒化学药剂使冰雪融化,包括撒盐法和喷洒能降低冰点的化学溶剂等。化学溶剂法是通过降低水的冰点,使积雪融化,该法具有材料来源广泛,价格便宜,化冰雪效果好等特点,但化学融雪法易引起钢筋混凝土的锈蚀,使路面剥蚀破坏和造成环境污染。热融雪法是采用加热的方法使冰雪融化,有地热管法、红外线灯照加热法、电热丝法、热液法等。热融雪法普遍具有效率低、操作费用高及不能满足桥面强度需要等缺点。

因碳纤维混凝土(SCFC)具有很好的导电性能,故许多研究人员试图利用SCFC的电热性能来完成道路、机场的除冰化雪[1~4]。

SCFC化雪除冰的作用机理同一般导电材料一样,当SCFC通电以后,会产生热量(电能转化为热能),SCFC表面温度升高,当温度高于零度时,路面上的冰雪就会自动融化成水蒸发、流走。

笔者对SCFC试件的温热效应进行了初步探讨。

1 材料的正、负温度系数效应

正温度系数(Positive Temperature Coefficient),简称PTC,PTC效应是指电阻值随温度的升高而增大的现象。

负温度系数(Negtive Temperature Coefficent)简称NTC,NTC效应是指电阻值随温度的升高而降低的现象。

1.1 材料的PTC效应[5]

PTC热敏电阻效应,也就是电阻值阶跃增高的原因。由于材料组织是由许多小微晶构成的,在晶粒的界面上,即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒,阻碍电子越界进入到相邻区域中去,因此而产生高的电阻。这种效应在温度低时被抵消,在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动。而这种效应在高温时,介电常数和极化强度大幅度地降低,导致势垒及电阻大幅度地增高,呈现出强烈的PTC效应。

PTC效应分为线性PTC效应和非线性PTC效应,电阻随温度增加而线性增加称为线性PTC效应;电阻随温度增加而呈非线性增加称为非线性PTC效应。

1.2 材料的NTC效应[5]

高分子运动对温度非常敏感,升高温度对分子热运动是有利的,一方面使热运动能量增加,另一方面升高温度使高分子体积膨胀,能提高分子链和其它单元活动的空间,有利于加速分子运动。同时,随着温度的升高,材料中的各种极化作用变大,材料表面的势垒也变小。两方面作用导致复合材料电阻率下降,产生NTC效应。

2 干冻碳纤维混凝土在升温过程中的电阻变化规律

2.1 试验设计

试件:试件尺寸为40mm×40mm×40mm;配合比为水泥∶砂子∶水∶硅微粉=1∶1∶0.5∶0.15;碳纤维含量为水泥质量的0.5%;CMC溶液的浓度为1%;增塑剂:(水泥+硅微粉)=0.008:1;消泡剂:(水泥+硅微粉)=0.0003:1。试件采用半干拌法制作工艺;试件制作成型后在标准养护箱内养护至规定龄期。

试块电极:导电介质层使用铜粉导电胶加固化剂。为测量方便,试块两侧粘贴尺寸为30mm×30mm的铜箔,铜箔上焊接引出线。

试验方法:先将试块用塑料袋套好,并置于-20℃的冷藏箱内冷冻12h后拿出,再放入25℃的恒温箱内升温,用LCR自动测试仪采集数据,每半分钟记录一次电阻值。

2.2 试验结果

(1)图1和图2分别为试件A和试件B冷冻试样在升温过程中电阻随时间的变化图,其中黑粗实线代表为电阻的实测值,细实线代表电阻变化的趋势。

(2)比较图1和图2可以发现,试件A和试件B的电阻变化趋势非常类似,即将干冻后的SCFC试件置于恒温室内升温,其电阻值呈现出随着时间的延续先减小后增大的趋势。升温初期,SCFC试件的电阻值随温度升高而降低;升温后期,SCFC试件的电阻值随温度的升高而增大,即干冻SCFC试件在升温过程中表现出明显的NTC效应和PTC效应。

(3)在升温过程中,SCFC试件的电阻值减小速度较SCFC试件电阻值的增大速度为快。

2.3 试验结果分析

(1)SCFC试件干冻试样在升温过程中存在着两个相互影响的过程:隧道效应的增强和SCFC水泥基材体积的膨胀。在升温初期,随着温度的升高,部分能量带中的电子吸收能量成为载流子,在碳纤维之间发生跳跃并进行导电传输,或者说,原来处于绝缘态的、悬挂在导电骨架上的部分导电簇团被导链导通,产生附加导电通路,从而使试件的电阻率降低,出现NTC效应;当温度继续升高时,试件产生热膨胀,由于水泥基体的热膨胀系数为(10~20)×10-6/℃,大于碳纤维热膨胀系数(约4×10-6/℃),同时在微观层次上,碳纤维水泥基材料是非均质的,由于热膨胀的缘故,在碳纤维与水泥基体界面间出现内应力,引起碳纤维之间的相对移动,致使部分导电网络通路断开,出现PTC效应。

(2)在升温过程中,两种过程相互作用的结果就是SCFC干冻试样的电阻出现随着时间的延续先减小后增大:在升温初期,第一种过程占主导地位,SCFC试件的电阻值变化整体上表现为NTC效应;在升温后期,第二种过程占主导地位,SCFC试件的电阻值整体上表现为PTC效应。

(3)升温过程中,隧道效应的增强和水泥基材料的膨胀两种过程相互作用,因而SCFC试件的电阻值表现出图1和图2的现象。在升温初期,隧道效应的增强明显,而水泥基材的膨胀较小,因而SCFC试件的电阻值减小较快;升温后期,水泥基材的膨胀占主导地位,但是隧道效应仍然在继续增强,因而SCFC试件的电阻值增大,但增大速率变得缓慢。

参考文献

[1]王建军,宋显辉,李卓球.碳纤维水泥涂层的温敏性研究.武汉理工大学学报,2005(1),Vol.27.

[2]Sihai Wen,D.D.L.Chung.Carton finer-reinforced cement as athermistors.Cement and Concrete Research.1999(29).

[3]侯作富,李卓球,胡胜良.融雪化冰用碳纤维导电混凝土的电阻变化特性研究.混凝土.2003(3).

[4]Day C M.First European Conference on smart structures andMaterials.Glasgow UK.1992 May