0  前言

    混凝土作為重要的建筑材料之一，因其原材料豐富、成本小、生產(chǎn)簡便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地用于各項(xiàng)工程建設(shè)中。隨著建筑行業(yè)的逐漸發(fā)展，人們也對混凝土的性能進(jìn)行不斷的研究與改善，以便其能更好的適應(yīng)建筑行業(yè)的市場要求。但混凝土自身還是存在著很多的問題。在混凝土的水化硬化過程中，其內(nèi)部不可避免地會(huì)出現(xiàn)很多微細(xì)孔、微裂縫以及孔洞等，而裂縫的存在會(huì)加速混凝土所包裹鋼筋的腐蝕，嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)整體的承載能力、耐久性能等等，對建筑的外觀及壽命會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響。長期的研究與實(shí)踐都表明裂縫在混凝土中是不可能完全避免的，只能采取一定的措施盡可能地減少與預(yù)防，另外，雖然混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但自身脆性大，如果遇到外力沖擊時(shí)，如地震、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害，就會(huì)因變形過大與鋼筋屈服等等，使建筑受到不可逆轉(zhuǎn)的破壞，對人身財(cái)產(chǎn)安全造成極大的損失。因此，如何更好地改善混凝土的自身缺陷，使之更好地服務(wù)于社會(huì)，是我們正在探索也是亟待解決的問題。

    1  形狀記憶合金簡介

    所謂形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指擁有“記憶”效應(yīng)的合金，它可以記憶原有形狀。目前，大多數(shù)SMA 是通過馬氏體相變實(shí)現(xiàn)其形狀記憶功能的。當(dāng) SMA 在高溫下形成一定的形狀，合金就將這個(gè)形狀“記憶”下來，在低溫下發(fā)生一定的變形后，當(dāng)溫度升高后它可自行消除之前所發(fā)生的形變，達(dá)到原來高溫下所呈現(xiàn)的形狀[2]。這是由于在升溫過程中SMA 內(nèi)部出現(xiàn)了特殊的相變過程——熱彈性馬氏體相變，SMA 在從低溫向高溫的轉(zhuǎn)變過程中其內(nèi)部固相由馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變，而在奧氏體狀態(tài)下的合金擁有比普通金屬大幾十倍的恢復(fù)應(yīng)力，從而使其自身形狀得以恢復(fù)。

    由于 SMA 具有形狀恢復(fù)的性質(zhì)，所以被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。從牙箍、眼鏡框到各種熱敏元件再到人造骨骼、航空航天飛行器、人造衛(wèi)星等都有SMA 的應(yīng)用。SMA 在水泥混凝土中的研究與應(yīng)用也較為廣泛，并取得不錯(cuò)的效果。

    2  SMA 在水泥混凝土中的研究與應(yīng)用

    2.1  SMA 在預(yù)應(yīng)力混凝土中的研究與應(yīng)用

    在 19 世紀(jì) 80 年代，英國、美國等已經(jīng)開始對預(yù)應(yīng)力混凝土的研究，到第二次世界大戰(zhàn)之后，由于很多建筑被破壞需要修復(fù)，預(yù)應(yīng)力混凝土得到了極大的發(fā)展。現(xiàn)階段，預(yù)應(yīng)力混凝土已被廣泛地應(yīng)用于鐵路、橋梁等各種項(xiàng)目工程中。目前，預(yù)應(yīng)力混凝土中大多采用熱處理的鋼筋作為施加預(yù)應(yīng)力的主體，SMA在預(yù)應(yīng)力混凝土中的研究與應(yīng)用還處于起步階段。美國學(xué)者 Sreenath Kotamala 將 SMA 置于混凝土中，利用 SMA 相變中產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)，能對梁結(jié)構(gòu)提供很好的縱向預(yù)應(yīng)力，也能在一定程度上達(dá)到構(gòu)件損傷與裂縫的自修復(fù)作用。金江等人則將SMA 與復(fù)合材料共同用于預(yù)應(yīng)力混凝土中，制作出了性能良好的自適應(yīng)梁結(jié)構(gòu)。雖然 SMA 在預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)用并不多，但很多研究與實(shí)踐都表明，SMA 預(yù)應(yīng)力技術(shù)是完全可行的，且SMA 預(yù)應(yīng)力混凝土較鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土的生產(chǎn)工藝更加簡單、成本更加低廉。

    2.2  SMA 在混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的研究與應(yīng)用

    現(xiàn)階段，SMA 對于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方式主要有主動(dòng)控制與被動(dòng)控制兩種。主動(dòng)控制的研究內(nèi)容主要是SMA 作為振動(dòng)控制元件以及如何增加 SMA 的使用頻率。而被動(dòng)控制則是將 SMA 用作智能阻尼器與振動(dòng)隔離裝置。

    美國學(xué)者 Rogers 首次將 SMA 設(shè)計(jì)成具有主動(dòng)振動(dòng)控制功能的結(jié)構(gòu)，其研究表明，SMA 的驅(qū)動(dòng)力能提升混凝土結(jié)構(gòu)的等效剛度，使混凝土構(gòu)件的共振頻率發(fā)生變化，從而起到對振動(dòng)的主動(dòng)控制作用。王吉軍等人將SMA 作為感知驅(qū)動(dòng)元件置于梁結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn) SMA 可靈敏的感知并抑制振動(dòng)的發(fā)生。Baz 則指出在 SMA 應(yīng)用于振動(dòng)控制器時(shí)，還需關(guān)注其恢復(fù)速度的快慢，防止恢復(fù)速度過大而導(dǎo)致的過控制現(xiàn)象。歐洲的幾個(gè)國家共同參與的MANSIDE 項(xiàng)目中，詳盡地研究了 SMA 作為阻尼器使用的力學(xué)性能、阻尼性能以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，表明 SMA 在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中具有非常優(yōu)良的效果。

    2.3  SMA 在混凝土裂縫控制中的研究與應(yīng)用

    SMA 不但具有形狀記憶功能，當(dāng)其形狀恢復(fù)時(shí)還能產(chǎn)生非常大的相變彈性，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的恢復(fù)應(yīng)力與應(yīng)變，而將其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中就能很好的控制混凝土的變形與裂縫。SMA的電阻率大小還隨著其應(yīng)變與應(yīng)力的變化而改變。根據(jù)這一特性固建鴻等人將 SMA 進(jìn)行一定的預(yù)應(yīng)變處理，再把處理后的 SMA 繞在梁柱結(jié)構(gòu)上，如果混凝土產(chǎn)生裂縫，處在裂縫處的SMA 就會(huì)發(fā)生形變且受到一定的應(yīng)力作用，其電阻率就會(huì)發(fā)生變化，通過安裝在外部的測量裝置就可以得到其電阻率變化值，當(dāng)裂縫增長到需要抑制的數(shù)值時(shí)，控制裝置就會(huì)對SMA 通電，使其發(fā)熱產(chǎn)生應(yīng)變。在 SMA 的恢復(fù)應(yīng)力作用下，可非常有效的降低梁柱的受力情況，增加其抗沖擊能力，減少裂縫的產(chǎn)生。不過在這個(gè)過程中，要對SMA 進(jìn)行循環(huán)的加熱與冷卻，這會(huì)出現(xiàn)一定的延遲性，很大程度上影響了 SMA 對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制性能。因此，還需進(jìn)一步的對其產(chǎn)生應(yīng)變與應(yīng)力的頻率加以改善，使之能更為有效的控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。

    2.4  SMA 在水泥混凝土中的其他研究與應(yīng)用

    SMA 在水泥混凝土中的應(yīng)用很廣泛，除了以上幾方面以外，其還應(yīng)用在智能自修復(fù)混凝土、水泥基智能堵漏材料等領(lǐng)域。南京航空航天大學(xué)在1997 年研制出了 SMA 智能自修復(fù)混凝土，他們將 SMA 與液芯光纖置入混凝土中，當(dāng)混凝土發(fā)生損害時(shí)，液芯光纖所形成的自診斷系統(tǒng)就會(huì)對損害處的 SMA 產(chǎn)生一定的激勵(lì)作用，使SMA 發(fā)生形變，在局部產(chǎn)生應(yīng)力使液芯光纖破裂，破裂后其所攜帶的修復(fù)液就流出到裂縫處完成裂縫的修復(fù)工作。而 SMA 受到激勵(lì)還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這會(huì)對修復(fù)液的固化非常有利，進(jìn)一步提升修復(fù)質(zhì)量。濟(jì)南大學(xué)的王琦教授首次將SMA 應(yīng)用于水泥基智能堵漏材料中，把 SMA、吸水樹脂、水泥等材料采用特殊的制作工藝成型，制成具有高效堵漏性能的材料，SMA 在進(jìn)入油井下方井漏區(qū)域時(shí)，由于井下溫度的影響而產(chǎn)生形變，同時(shí)其產(chǎn)生的應(yīng)力將所攜帶的水泥材料分散開來，之后再與吸水樹脂共同形成橋接，迅速、高效地完成整個(gè)堵漏過程，其堵漏效果明顯優(yōu)越于同類其他堵漏材料。

    3  結(jié)語

    SMA 以其獨(dú)有的特點(diǎn)與優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，其在水泥混凝土中的研究與應(yīng)用也得到了不斷的推廣與進(jìn)步。不過，還是要注意到SMA 應(yīng)用于水泥混凝土中所存在的一些問題，如其形變滯后性、相應(yīng)過程延遲性、成本較高等，這在一定程度上制約了 SMA 更進(jìn)一步的推廣與使用。不過隨著對 SMA研究的不斷深入，SMA 應(yīng)用于水泥混凝土的技術(shù)也在不斷的提升，應(yīng)用效果也逐漸改善。相信以后隨著 SMA 研究的逐漸成熟，其必將為水泥混凝土行業(yè)帶來全新的發(fā)展。

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