智能混凝土材料作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，為傳統(tǒng)建材的發(fā)展注入了新的內(nèi)容和活力，也為建筑的發(fā)展與推廣提供了全新的機遇，于此同時也必將產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效益。
一、概念
智能混凝土，是在混凝土原有組分基礎(chǔ)上加入復合智能型組分，使混凝土具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復特性等多種功能，既可以有效地預報混凝土材料內(nèi)部損傷，滿足結(jié)構(gòu)自我安全檢測需要，又可以防止?jié)撛诘拇嘈云茐模瑥亩岣呋炷两Y(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。
二、各類智能混凝土的應(yīng)用
1、損傷自診斷混凝土，是指在混凝土基材復合部分加入能使混凝土具備壓敏性和溫敏性等自感應(yīng)功能的智能型組分。目前常用的智能型組分材料有：聚合類、碳類、金屬類和光纖類。
　　1.1碳纖維智能混凝土
碳纖維是一種高強度、高彈性且導電性能良好的材料。在混凝土中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強度和韌性，而且可以使混凝土具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和操作程度的功能，其電學性能也會得到明顯改善。
碳纖維混凝土具有壓敏性傳感功能，可對混凝土內(nèi)部在拉、壓、彎靜荷載和動荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及損傷開裂進行監(jiān)測。試驗發(fā)現(xiàn)，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應(yīng)變傳感器，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗中還發(fā)現(xiàn)，無論在拉伸或是壓縮狀態(tài)下，碳纖維混凝土材料的體積電導率會隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應(yīng)用這一現(xiàn)象對混凝土材料的疲勞損傷進行監(jiān)測。
碳纖維混凝土除具有壓敏性外，還具有溫敏性，即溫度變化引起電阻變化（溫阻性）及碳纖維混凝土內(nèi)部的溫度差會產(chǎn)生電位差的熱電性（Seebeck效應(yīng)）。試驗表明，在最高溫度為70℃，最大溫差為15℃的范圍內(nèi)，溫差電動勢（E）與溫差t之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。當碳纖維摻量達到一臨界值時，其溫差電動勢率有極大值，且敏感性較高，因此可以利用這種材料實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實時監(jiān)控；也可以實現(xiàn)對大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及用于熱敏元件和火警報警器等可用于有溫控和火災預警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。
　　1.2光纖傳感智能混凝土
    光纖傳感智能混凝土，即在混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋人入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化，并對由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴展等損傷進行實時監(jiān)測。利用外界環(huán)境（如溫度、壓力、電場、磁場等）的變化，對光波的強度、相位、頻率、偏振態(tài)引起的變化，可知導致光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。
近年來，國內(nèi)外進行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑檢測這一領(lǐng)域的研究，開展了混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及裂縫發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)的光纖傳感器技術(shù)的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進行監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測。光纖在傳感器中的應(yīng)用，提供了對土建結(jié)構(gòu)智能及內(nèi)部狀態(tài)進行實時、在線無損檢測手段，有利于結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和整體評價和維護。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大Caleary建設(shè)的一座名為Beddington Tail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測；美國Winooski的一座水電大壩的振動監(jiān)測；國內(nèi)工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測和蕪湖長江大橋長期監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)等。
2、自調(diào)節(jié)智能混凝土
自調(diào)節(jié)智能混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。混凝土結(jié)構(gòu)除了正常負荷外，還需要在受到臺風、地震等自然災害期間，能夠調(diào)整承載力和減緩結(jié)構(gòu)振動，但因混凝土本身是惰性材料，要達到自調(diào)節(jié)的目的，必須復合具有驅(qū)動功能的組件材料。如：形狀記憶合金（SMA），形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)（SME），若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至超過相變溫度，即可使原先出現(xiàn)的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。在混凝土中埋入形狀記憶合金，利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復相應(yīng)形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載干擾時，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。
有些建筑物對其室內(nèi)的濕度有嚴格的要求，如各類展覽館、博物館及美術(shù)館等，為實現(xiàn)穩(wěn)定的濕度控制，往往需要許多濕度傳感器、控制系統(tǒng)及復雜的布線等，其成本和使用維持的費用都較高。日本學者研制的自動調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料自身即可完成對室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需要對其進行調(diào)控。這種混凝土材料帶來自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。其機理為：沸石中的硅酸鈣含有大量的孔隙，這些孔隙可以對H₂o分子進行吸附。通過用沸石制備符合實際需要的自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土，使混凝土具有優(yōu)先吸附水分的特點，水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大，吸、放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。
　　3、自修復智能混凝土
混凝土結(jié)構(gòu)大多是帶縫工作，裂縫不僅影響構(gòu)件的強度，而且空氣中的CO₂、酸雨和氯化物等極易通過裂縫侵入混凝土內(nèi)部，使混凝土發(fā)生碳化，并腐蝕鋼筋。自修復混凝土在傳統(tǒng)組分中復合特性組分（如含有粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用粘結(jié)材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高材料性能的新型復合材料。在日本，以東北大學三橋博三教授為首的日本學者將內(nèi)含粘結(jié)劑的膠囊或空心玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結(jié)液流出并深人裂縫。粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。美國伊利諾伊斯大學的Carolyn Dry在1994年采用類似的方法，將在空心玻璃纖維中注人縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑埋人混凝土中使混凝土具有自愈合功能。在此基礎(chǔ)上Carolyn Dry還根據(jù)動物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機理，嘗試制備仿生混凝土材料，其基本原理是采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，在其中加人多孔的編織纖維網(wǎng)。在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。這樣便在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機與無機物，它們相互穿插粘結(jié)，最終形成的復合材料是與動物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機與有機相結(jié)合的材料，具有優(yōu)異的強度及延性等性能。而且在材料使用過程中，如果發(fā)生損傷，多孔有機纖維會釋放高聚物，愈合損傷。
4、其他智能混凝土
實現(xiàn)真正意義上的智能型建筑，不僅體現(xiàn)在建筑內(nèi)部弱電系統(tǒng)的應(yīng)用，還應(yīng)該把節(jié)能、環(huán)保、綠色、生態(tài)等發(fā)展可持續(xù)建筑的倡議思想宗旨融入建筑的智能化建設(shè)中去，實現(xiàn)資源的有效持續(xù)利用，節(jié)能節(jié)水節(jié)地，減少廢棄物，減低或消除污染，減小地球負荷，體現(xiàn)社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益的高度統(tǒng)一。
4.1電磁屏蔽混凝土，通過摻入金屬粉末導電纖維等低電阻導體材料，在提高混凝土結(jié)構(gòu)性能的同時，能夠屏蔽和吸收電磁波，降低電磁輻射污染，提高室內(nèi)電視影像和通訊質(zhì)量；
4.2透水混凝土，具備良好的透水透氣性，可增加地表透水、透氣面積，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度，減少城市熱島效應(yīng)，維持地下水位和植物生長；
4.3生物相容型混凝土利用混凝土良好的透水透氣性，提供植物生長所需營養(yǎng)。陸地上可種植小草，形成植被混凝土，用于河川護堤的綠化美化；淡水海水中可棲息浮游動物和植物，形成淡水生物、海洋生物相容型混凝土，調(diào)節(jié)生態(tài)平衡；
4.4抗菌混凝土，在傳統(tǒng)混凝土中加入納米抗菌防霉組分，使混凝土具有抑制霉菌生長和滅菌效果；
4.5凈水生態(tài)混凝土，將高活性凈水組分與多孔混凝土復合，提高吸附能力，使混凝土具有凈化水質(zhì)功能和適應(yīng)生物生息場所及自然景觀效果，用于淡水資源凈化和海水凈化；
4.6凈化空氣混凝土，在砂漿和混凝土中添加納米二氧化鈦等光催化劑，制成光催化混凝土，分解去除空氣中的二氧化硫、氮氧化物等對人體有害的污染氣體。另外還有物理吸附、化學吸附、離子交換和稀土激活等空氣凈化形式，可起到有效凈化甲醛、苯等室內(nèi)有毒揮發(fā)物，減少二氧化碳濃度等作用；
4.7溫度自監(jiān)控混凝土，通過摻入適量的短切碳纖維到水泥基材料中，使混凝土產(chǎn)生熱電效應(yīng)，實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化的實時測量。此外尚存在通過水泥基復合材料的熱電效應(yīng)利用太陽能和室內(nèi)外溫差為建筑物提供電能的可能性。
三、結(jié)束語
智能混凝土材料作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，和新型功能材料，為傳統(tǒng)建材的未來發(fā)展注入了新的內(nèi)容和活力，也提供了全新的機遇。我國在北京2008年奧林匹克運動會中提出了綠色奧運、科技奧運和人文奧運的口號，如何使奧運建筑與園區(qū)建設(shè)能夠真正實現(xiàn)“綠色化、科技化”的內(nèi)涵，建成可持續(xù)發(fā)展的建筑與園區(qū)，和智能建筑材料的使用息息相關(guān)。2010年上海世博會體現(xiàn) “城市，讓生活更美好”的主題，場館建設(shè)也突出了智能化。智能混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，也必將產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟效益。