智能混凝土：革命性的建筑材料，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

近年來，我們看待科學(xué)技術(shù)的方式，以及新概念和新進(jìn)步應(yīng)用于日常生活的方式發(fā)生了變化。智能混凝土具有徹底重塑建筑環(huán)境的潛力，是建筑行業(yè)創(chuàng)新的光輝典范。它有多種形式，如自感應(yīng)混凝土、自修復(fù)混凝土等，是材料科學(xué)的一項突破，打破了傳統(tǒng)的定義。它既智能又靈活，能夠滿足當(dāng)代世界的需求。

自感知混凝土是混凝土產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的“明智”決策。它將給傳統(tǒng)混凝土材料領(lǐng)域帶來深刻變革，對社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)都有利。許多此類框架還將了解趨勢并以類似的方式改變社會現(xiàn)狀。此外，它還提供了更有效的方法來改善建筑環(huán)境。

什么是智能混凝土？

自感應(yīng)混凝土、自調(diào)節(jié)混凝土和自修復(fù)混凝土都屬于被稱為“智能混凝土”的一大類材料。它是監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)狀況的替代方法。由于其天生具有感知和響應(yīng)外部刺激的能力，它與傳統(tǒng)混凝土不同。其顯著特點包括使用壽命更長、機械性能優(yōu)越、安裝方便、維護(hù)要求低。

與傳統(tǒng)混凝土相比，智能混凝土采用創(chuàng)新材料或添加劑，具有獨特的品質(zhì)，如更高的耐用性、自我修復(fù)或自我感知。這將有助于實現(xiàn)多種目標(biāo)，包括確保結(jié)構(gòu)的完整性和安全性、延長結(jié)構(gòu)的使用壽命、提高交通安全性和效率、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)和交通設(shè)計、減少能源和資源消耗等等。

自感應(yīng)混凝土是智能混凝土的一個分支，也是最早被提出并經(jīng)過廣泛研究的領(lǐng)域。自修復(fù)混凝土不僅可以提高可持續(xù)性，還可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和環(huán)保性。

智能混凝土的制造

智能混凝土的基礎(chǔ)是尖端技術(shù)與新材料的結(jié)合。為了加固目的，其體積的 0.2% 至 0.5% 由碳纖維制成。這可以在混凝土結(jié)構(gòu)斷裂之前檢測出其中的應(yīng)力或應(yīng)變。

智能混凝土的制造與傳統(tǒng)混凝土的制造相當(dāng)，它由水泥、水、沙子或二氧化硅和納米材料組成。當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)攪拌機將碳納米管或黑碳融入漿料中時，通常使用的水灰比為 0.22 至 0.60。然后將混合物倒入涂有油脂的模具中，并使其固化一天。之后，將樣品成型并在潮濕的環(huán)境中固化 28 天。通常，這些樣品會在烤箱中烘干以備實驗室檢查。

此外，修復(fù)裂縫并延長結(jié)構(gòu)壽命的自修復(fù)系統(tǒng)采用微生物、聚合物或攜帶修復(fù)化學(xué)物質(zhì)的膠囊。碳納米管、礦物摻合料和形狀記憶合金是一些重要的添加劑，可以改善智能混凝土的獨特性能。值得注意的是，這種方法經(jīng)常需要加入高效減水劑或消泡劑。

然而，將碳納米材料分散或分離成其組成部分卻非常具有挑戰(zhàn)性。它們的高表面能導(dǎo)致它們團(tuán)聚和聚集。

智能混凝土的應(yīng)用

智能混凝土具有廣泛的突破性應(yīng)用，有可能徹底改變多個行業(yè)。物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和智能混凝土共同打造網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)全球效率、可持續(xù)性和彈性。

此外，與傳統(tǒng)混凝土不同，碳纖維的加入可以調(diào)節(jié)開裂過程，防止裂縫的災(zāi)難性發(fā)展。它可用于創(chuàng)建一條高速公路，跟蹤每輛車的位置以及其重量和速度。在道路上，車輛可以在正常行駛時進(jìn)行稱重。此外，它還可用于在高速公路上稱重車輛。

自感應(yīng)混凝土是智能混凝土的一個組成部分，可用于施工過程。從設(shè)計到施工和持續(xù)維護(hù)，它在每個階段都被精心融入到施工過程中。為了實現(xiàn)預(yù)期功能，在混合步驟中加入了精確數(shù)量的添加劑。在基礎(chǔ)設(shè)施的整個生命周期中，通過先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)收集，可以實現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)和性能優(yōu)化。

智能建筑市場預(yù)計將繼續(xù)擴大，從而加速智能混凝土在建筑和建筑行業(yè)的應(yīng)用。這是因為智能混凝土不僅具有識別小裂縫的基本能力，而且還有助于阻止裂縫的擴展并修復(fù)裂縫。此外，它還能承受更大的能量，而不會斷裂和彎曲。

高層建筑、高速公路、橋梁、機場跑道、高速列車的連續(xù)板式枕木、水壩和核電站只是智能混凝土在民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的幾個例子。它在交通檢測、邊境和軍事安全以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域也具有很大的潛力。

智能混凝土的優(yōu)勢

因此，當(dāng)混凝土被拉伸或變形時，纖維和水泥基體之間的接觸會受到影響，進(jìn)而影響混凝土的體積電阻率。然后測量電阻程度以計算應(yīng)變。碳纖維將使額外材料的成本增加約 30%，但即便如此，它仍將比將傳感器連接或嵌入結(jié)構(gòu)中便宜得多。

由于智能混凝土中添加了碳纖維，因此其彈性比普通混凝土更大。它在斷裂前吸收更多能量，彎曲時需要更多應(yīng)變。兩個因素——混凝土作為復(fù)合材料的使用日益增多以及其低應(yīng)變耐受性——可能推動智能混凝土市場的發(fā)展。這表明，為了確保及時修復(fù)，必須監(jiān)測裂縫。還有其他評估裂縫的方法，例如插入傳感器并將其固定在結(jié)構(gòu)上。然而，部署傳感器的成本較高。相比之下，它更便宜。

總之，智能混凝土標(biāo)志著建筑行業(yè)新篇章的開始，智能和靈活性共同打造未來城市。為了改變混凝土對應(yīng)變或壓力的反應(yīng)方式，使用傳統(tǒng)的混凝土攪拌機將少量碳纖維添加到混凝土中。它用于評估結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀況，特別是在地震之后，因為它能夠識別出哪怕是最輕微的結(jié)構(gòu)缺陷。建造能夠檢測汽車位置、重量和速度的道路是智能混凝土的另一個用途。

隨著研究人員和工程師不斷突破材料科學(xué)和技術(shù)的界限，智能混凝土的革命性潛力將為子孫后代的建筑環(huán)境留下不可磨滅的印記。

資料來源：parametric-architecture 作者：Osama Nasir

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