Con el avance continuo de la ciencia de los materiales moderna, el hormigón, como uno de los materiales de construcción más importantes, se está desarrollando gradualmente hacia una alta resistencia, alto rendimiento, multifunción e inteligencia. Las estructuras de hormigón construidas con él también suelen ser grandes y complejas. Sin embargo, las estructuras de hormigón están sujetas a cargas ambientales durante su uso. Bajo la influencia de factores desfavorables como los efectos de la fatiga, los efectos de la corrosión y el envejecimiento del material, las estructuras inevitablemente experimentarán acumulación de daños, atenuación de la resistencia e incluso accidentes. Para evitar accidentes de manera efectiva y extender la vida útil de la estructura, es necesario realizar un monitoreo de "salud" en tiempo real de dichas estructuras y repararlas de manera oportuna. Los métodos de prueba no destructivos existentes, como las pruebas acústicas de rayos X y escaneo C, solo pueden detectar de forma cualitativa, no cuantitativa y digital y, lo que es más importante, no pueden lograr un monitoreo en tiempo real. Por lo tanto, es difícil, si no imposible, monitorear el estado interno de la estructura y estimar los daños, título de tesis. Los métodos tradicionales de reparación de estructuras de hormigón se centran principalmente en el refuerzo externo de las partes dañadas, pero es difícil reparar la estructura original dañada, especialmente el daño dentro de la estructura. A medida que la sociedad moderna evoluciona hacia la inteligencia, este modo de detección y reparación que permanece en el modo pasivo y planificado ya no puede cumplir con los requisitos de los materiales concretos en los edificios modernos multifuncionales e inteligentes. Por lo tanto, la investigación y el desarrollo de hormigón inteligente con funciones de autodiagnóstico estructural, autoajuste, autorreparación y autorrecuperación se ha convertido en una tendencia de desarrollo de integración estructural y funcional (inteligente).
1. Definición e historia del desarrollo del hormigón inteligente
Los materiales inteligentes se refieren a materiales que pueden "percibir las condiciones ambientales y tomar las acciones correspondientes". Puede imitar sistemas vivos y tiene funciones duales de detección y motivación. Puede detectar factores cambiantes en el entorno externo y tomar decisiones oportunas automáticamente. Responde de forma sensible y adecuada, y tiene las funciones de autodiagnóstico, autoajuste, autorreparación y predicción de vida. El hormigón inteligente es un material multifuncional basado en los componentes originales del hormigón y combinado con componentes inteligentes para hacer que el hormigón tenga las características de autopercepción, memoria, autoadaptación y autocuración. Con base en estas características, el daño interno de los materiales de concreto se puede predecir de manera efectiva, cumpliendo con los requisitos de detección de seguridad de la estructura misma, evitando posibles daños frágiles de la estructura de concreto y reparando automáticamente la estructura de concreto según los resultados de la detección, mejorando significativamente la Seguridad y durabilidad de la estructura de hormigón. Como se mencionó anteriormente, el hormigón inteligente tiene autoconciencia, memoria de sí mismo y capacidades de adaptación. La autocuración y otras funciones son indispensables. Con el nivel actual de ciencia y tecnología, es bastante difícil preparar materiales de hormigón inteligentes perfectos. Sin embargo, en los últimos años han surgido hormigones con autodiagnóstico de daños y hormigones con autoajuste de temperatura. Una serie de hormigones inteligentes, como el hormigón biónico autorreparable, han surgido uno tras otro, sentando una base sólida para la investigación sobre el hormigón inteligente.
1.1 Concreto de autodiagnóstico de daños
El hormigón de autodiagnóstico tiene funciones de autodetección como sensibilidad a la presión y sensibilidad a la temperatura. Los materiales de concreto ordinarios en sí mismos no tienen funciones de detección automática, pero se combinan con algunos otros componentes materiales en el material base de concreto para hacer que el concreto mismo tenga funciones de detección automática inherentes. Los componentes materiales más utilizados actualmente son: polímeros, carbono, metales y fibras ópticas. Entre ellos, el carbono, el metal y la fibra óptica son los más utilizados. A continuación se presentan principalmente dos tipos de autodiagnóstico de daños concretos que son más populares en las investigaciones actuales.
1.1.1 Hormigón inteligente con fibra de carbono
La fibra de carbono es un material de gran resistencia, gran elasticidad y buena conductividad eléctrica. Agregar una cantidad adecuada de fibra de carbono a materiales a base de cemento no solo puede aumentar significativamente la resistencia y la tenacidad, sino también mejorar significativamente sus propiedades físicas, especialmente las eléctricas. Puede actuar como un sensor, reflejando su propio estrés y daño interno en forma de salida de señal eléctrica. Agregar fibras de carbono cortas de cierta forma, tamaño y cantidad a los materiales de concreto puede hacer que el concreto sea consciente de la tensión interna, la deformación y las condiciones de operación. A través de la observación, se encontró que los cambios de resistencia de los materiales compuestos a base de cemento correspondían a cambios en la estructura interna. En la etapa elástica de los componentes estructurales, la tasa de cambio de resistencia de los materiales a base de cemento de fibra de carbono aumenta linealmente con la tensión interna. Cuando se acerca a la carga última del componente, la resistencia aumenta gradualmente, lo que indica que el componente está a punto de destruirse. La conductividad eléctrica del material de referencia a base de cemento casi no cambia hasta que está cerca de fallar, y la tasa de cambio de resistencia aumenta bruscamente, lo que refleja la relación tensión-deformación en el concreto. De acuerdo con esta característica del hormigón de fibra, al probar el estado de funcionamiento del hormigón de fibra, el estado de funcionamiento de la estructura se puede monitorear en línea [2].
En el concreto de autodiagnóstico de daños por fibra de carbono, el concreto de fibra de carbono en sí es un sensor que puede monitorear la deformación elástica, la deformación plástica y el daño por agrietamiento del concreto bajo la acción de factores externos como tensión, compresión, carga estática de flexión y carga dinámica. Al agregar una cantidad adecuada de fibra de carbono a la lechada de cemento, se descubrió que la sensibilidad del sensor de deformación es mucho mayor que la de las galgas extensométricas de resistencia ordinarias. También se encontró en la prueba de fatiga que la conductividad volumétrica del hormigón con fibra de carbono disminuirá irreversiblemente a medida que aumente el número de tiempos de fatiga, ya sea en tensión o compresión. Por lo tanto, este fenómeno se puede utilizar para monitorear el daño por fatiga de los materiales de concreto. Al calibrar este hormigón autodetección, los investigadores pueden determinar la relación entre la impedancia y la carga para determinar parámetros como la orientación del vehículo, la carga y la velocidad en carreteras construidas con hormigón autodetección, lo que proporciona información sobre la base del material de gestión inteligente del tráfico.
El hormigón de fibra de carbono no sólo es sensible a la presión, sino también a la temperatura, es decir, los cambios de temperatura provocan cambios de resistencia (resistencia a la temperatura) y la diferencia de temperatura en el interior del hormigón de fibra de carbono produce diferencias de potencial termoeléctrico (efecto Seebeck). ). Los experimentos muestran que existe una relación lineal buena y estable entre el potencial termoeléctrico (E) y la diferencia de temperatura T dentro del rango de temperatura máxima de 70 °C y la diferencia de temperatura máxima de 65438 ± 05 °C. Cuando el contenido de fibra de carbono alcanza un valor crítico, su tasa de fuerza electromotriz termoeléctrica tiene un valor máximo y tiene una alta sensibilidad. Por lo tanto, este material se puede utilizar para realizar un seguimiento en tiempo real de los cambios en el interior del edificio y el entorno circundante. También puede realizar el autocontrol de la temperatura de hormigón de gran volumen y puede utilizarse en estructuras de hormigón inteligentes con requisitos de control de temperatura y alarma contra incendios, como elementos térmicos y alarmas contra incendios.
Además de su función autoinductiva, el hormigón con fibra de carbono también se puede utilizar en estructuras industriales antiestáticas. Retire el hielo y derrita la nieve de las aceras de las autopistas y las pistas de los aeropuertos. Protección catódica de barras de acero en estructuras de hormigón armado. Estructuras de calefacción eléctrica para casas y granjas, etc.
1.1.2 Concreto inteligente con detección de fibra óptica
Concreto inteligente con detección de fibra óptica [3], es decir, enterrando sensores o conjuntos de fibra óptica en partes clave de la estructura de concreto para detectar el carbonización y cambios de tensión y deformación interna durante el proceso de carga, y monitoreo en tiempo real de deformaciones, grietas y daños por expansión causados por fuerzas externas y fatiga. Durante la transmisión por fibra óptica, la luz se ve fácilmente afectada por factores ambientales externos, como cambios de temperatura, presión, campo eléctrico y campo magnético, provocando cambios en la intensidad, fase, frecuencia y estado de polarización de la luz. Por lo tanto, se descubrió que si se puede medir el cambio en la cantidad de ondas de luz, se puede conocer la magnitud de la temperatura, la presión, el campo magnético y otras cantidades físicas que causan el cambio en la cantidad de ondas de luz. Como resultado, surgió la tecnología de detección de fibra óptica. En los últimos años, se ha estudiado en el país y en el extranjero la aplicación de sensores de fibra óptica en la detección de estructuras y edificios de hormigón armado, y la tecnología de sensores de fibra óptica para los estados internos de estructuras de hormigón como tensión, deformación y aparición y desarrollo de grietas. Se ha estudiado incluyendo el seguimiento durante el proceso de endurecimiento del hormigón y el análisis estructural. La aplicación de fibra óptica en sensores proporciona un método de prueba no destructivo en línea y en tiempo real para la inteligencia y el estado interno de estructuras civiles, lo que es beneficioso para el monitoreo de seguridad, la evaluación general y el mantenimiento de la estructura. Hasta ahora, los sensores de fibra óptica se han utilizado en muchos proyectos, como el monitoreo del estado de tensión interna de un puente de carretera de doble tramo llamado Bedington Tail construido por Caleary Company en Canadá. Monitoreo de vibraciones de la presa de una central hidroeléctrica en Winooski, EE. UU.: los proyectos nacionales incluyen el monitoreo del puente Hongcaofang en la autopista Chongqing-Changchun, el sistema de monitoreo y evaluación de seguridad a largo plazo del puente del río Wuhu Yangtze, etc.
1.2 Hormigón inteligente autoajustable
El hormigón inteligente autoajustable tiene efectos eléctricos y efectos electrotérmicos. Además de las cargas normales, la gente también espera que las estructuras de hormigón puedan ajustar su capacidad de carga y ralentizar la vibración de la estructura durante desastres naturales como tifones y terremotos. Sin embargo, dado que el hormigón en sí es un material inerte, para lograr la autorregulación, es necesario combinar los materiales componentes con funciones impulsoras, como la aleación con memoria de forma (SMA) y el fluido electrorreológico (ER). Las aleaciones con memoria de forma tienen un efecto de memoria de forma. Si se somete a una deformación plástica por tracción más allá del rango elástico a temperatura ambiente, la deformación residual original puede desaparecer y volver a su tamaño original cuando se calienta al menos más allá de la temperatura de transición de fase. La incorporación de aleaciones con memoria de forma en el hormigón aprovecha la sensibilidad de la aleación con memoria de forma a la temperatura y su capacidad para restaurar la forma correspondiente a diferentes temperaturas. Cuando la estructura de hormigón se ve perturbada por cargas anormales, el cambio de forma de la aleación con memoria redistribuye la tensión interna de la estructura de hormigón y genera una cierta cantidad de pretensado, mejorando así la capacidad de carga de la estructura de hormigón.
El fluido electrorreológico es un líquido en suspensión cuya viscosidad, elasticidad y otras propiedades reológicas pueden controlarse mediante un campo eléctrico externo.
Bajo la acción de un campo eléctrico externo, el fluido electrorreológico se puede combinar en un gel sólido con una estructura de cadena o red en 0,1 ms. Su grado inicial cambia con el aumento del campo eléctrico externo hasta completar la solidificación. se elimina, su estado reológico aún se puede restaurar. Cuando la estructura de concreto es atacada por tifones y terremotos, combinados con el fluido electrorreológico en el concreto, se pueden ajustar las características reológicas de la estructura de concreto, se pueden cambiar la frecuencia natural y las características de amortiguación de la estructura y el propósito de disminuir la velocidad. Se puede lograr la vibración de la estructura.
Algunos edificios tienen requisitos estrictos sobre la humedad interior, como varias salas de exposiciones, museos, galerías de arte, etc. Para lograr un control estable de la humedad, a menudo se requieren muchos sensores de humedad, sistemas de control y cableado complejo, que son costosos en términos de coste y mantenimiento. El material de hormigón desarrollado por académicos japoneses puede ajustar automáticamente la temperatura ambiente. Puede detectar la humedad del ambiente interior y ajustarla según sea necesario. El ingrediente clave de este material de hormigón con la función de ajustar automáticamente la humedad ambiental es el polvo de zeolita. El mecanismo es que el silicato de calcio de la zeolita contiene poros. Estos poros pueden adsorber selectivamente humedad y gases NOx y SOx. Seleccionando el tipo de zeolita es posible preparar compuestos de hormigón que regulen automáticamente la humedad ambiental. Tiene las siguientes características: (1) Absorbe agua preferentemente donde la presión del vapor de agua es baja, su capacidad de absorción de humedad es grande. La absorción de humedad y la deshumidificación están relacionadas con la temperatura, liberando humedad cuando la temperatura aumenta y absorbiendo humedad cuando la temperatura aumenta; caídas de temperatura.
1.3 Durante el uso de estructuras de hormigón inteligentes autorreparables, la mayoría de las estructuras funcionan a través de juntas. Las grietas en el concreto no solo reducen la resistencia, sino que el CO2, la lluvia ácida y los cloruros en el aire también pueden invadir fácilmente el interior del concreto a través de las grietas, carbonizar el concreto y corroer las barras de acero del concreto, lo cual es especialmente perjudicial. a estructuras subterráneas o instalaciones de procesamiento que contengan mercancías peligrosas. Una vez que aparecen grietas en el concreto, son difíciles de inspeccionar y reparar. El hormigón autorreparable nació como respuesta a esta necesidad. En la vida humana real, podemos ver que después de cortar la piel, naturalmente volverá a crecer después de un período de tiempo y se reparará sin problemas después de que se rompa un hueso. Siempre que se suture, el hueso roto se recuperará; sanar automáticamente. El hormigón autorreparable [4] es una función que imita el tejido biológico y secreta automáticamente ciertas sustancias en el área lesionada para curarla. El sistema de red neuronal biónica inteligente y autorreparable se forma en concreto combinando los componentes característicos de los componentes de concreto tradicionales (como fibras de núcleo líquido o cápsulas que contienen aglutinantes) para imitar la estructura del tejido óseo de los animales y la regeneración y recuperación postraumática. mecanismo. El material adhesivo se combina con el material de matriz para crear un nuevo material compuesto con funciones de autocuración y regeneración después de daños materiales, que pueden restaurar o incluso mejorar las propiedades del material. En Japón, académicos japoneses dirigidos por el profesor de la Universidad de Tohoku, Hirofumi Mitsuhashi, mezclaron cápsulas o fibras de vidrio huecas que contenían un aglutinante con materiales de hormigón. Una vez que el hormigón se agrieta bajo la acción de una fuerza externa, algunas cápsulas o fibras de vidrio huecas se rompen y el líquido aglutinante sale, provocando grietas profundas. El líquido adhesivo puede volver a curar las grietas del hormigón. Carolyn Dry de la Universidad de Illinois en Estados Unidos utilizó un método similar en 1994, inyectando una solución polimérica de acetal humano en fibras de vidrio huecas como aglutinante y enterrándola en concreto humano para que el concreto se curara solo. Sobre esta base, Carolyn Dry también intentó preparar materiales de hormigón biónicos basándose en la estructura y el mecanismo de formación de los huesos de los animales. El principio básico es utilizar cemento óseo de fosfato de calcio (incluido monómero) como material de matriz y agregarle una malla de fibra tejida porosa. Durante el proceso de hidratación y endurecimiento del cemento, las fibras porosas liberan iniciadores de polimerización y monómeros para polimerizarse en polímeros, y el agua sobrante de la reacción de polimerización participa en la hidratación del cemento. De este modo se forman en la superficie de la red de fibras una gran cantidad de sustancias orgánicas e inorgánicas que se intercalan y unen entre sí. El compuesto resultante es una combinación de materiales orgánicos e inorgánicos que se asemeja a la estructura de los huesos de animales y tiene una resistencia y ductilidad excelentes. Y si se produce daño durante el uso del material, las fibras orgánicas porosas liberarán polímeros para curar el daño.
2. Estado de la investigación sobre la planificación inteligente de la coagulación y cuestiones a las que se debe prestar atención.
El autodiagnóstico, el autoajuste y la autocuración del hormigón mencionados anteriormente son las etapas iniciales de la investigación del hormigón inteligente. Sólo tienen algunas características básicas del hormigón inteligente y son formas simplificadas de hormigón inteligente. Por eso algunas personas lo llaman hormigón inteligente. Sin embargo, este tipo de hormigón con una única función no puede desempeñar el papel de hormigón inteligente. Actualmente, la gente se dedica a la investigación de los llamados materiales de hormigón ensamblados inteligentes que reúnen más de dos funciones.
El ensamblaje inteligente de materiales de concreto combina materiales con componentes autodetectables, autocurables y autorreparables con materiales base de concreto y los organiza de acuerdo con las necesidades estructurales para lograr autodiagnóstico inteligente, autoreparación y resistencia a terremotos y reducción de vibraciones de Daños internos en estructuras de hormigón.
El hormigón inteligente tiene amplias perspectivas de aplicación, pero como nuevo material funcional, si se utiliza en proyectos reales, todavía quedan muchas cuestiones que requieren más investigación: como la estabilidad de la resistividad, la disposición de los electrodos y la durabilidad. de hormigón con fibra de carbono, et al.; Disposición optimizada de conjuntos de sensores de fibra óptica en hormigón con fibra óptica: selección de adhesivos para reparación de hormigón autorreparable. Método de sellado y mejora de la durabilidad del hormigón después del curado. Resolver estos problemas tendrá un profundo impacto en el futuro desarrollo del hormigón inteligente. Para promover el desarrollo fluido de la investigación concreta inteligente, es necesario * * * comprender los siguientes puntos:
(1) El desarrollo debe tener un objetivo. La llamada pertinencia significa considerar diferentes métodos inteligentes para la degradación del desempeño del concreto y el daño estructural. Para estos fenómenos, es difícil imaginar desarrollar un medio para hacer frente a todas estas situaciones. Por lo tanto, es necesario limitar el alcance de la inteligencia y apuntar a una determinada función para desarrollar el método relativamente más adaptable.
(2) Debe ser viable en su implementación. El vertido del hormigón se realiza principalmente en la obra, por lo que, como método de construcción con hormigón inteligente, los requisitos técnicos no pueden ser demasiado altos. Deberíamos desarrollar un método relativamente simple basado en el proceso original. Los materiales seleccionados deben ser químicamente estables, propicios para un uso seguro, no volatilizar olores penetrantes ni otras sustancias nocivas, tener una amplia gama de usos y ser de bajo costo.
(3) El diseño debe ser integral. Aprovechar la inteligencia puede mejorar la durabilidad de los materiales, pero también puede tener consecuencias negativas. Si el uso de un determinado material puede controlar y mejorar un determinado fenómeno de deterioro, pero afectará otras propiedades como la resistencia, todas estas cuestiones positivas y negativas deben considerarse y sopesarse de manera integral en el juicio y el diseño.
3. Conclusión
El hormigón inteligente es un producto de la era inteligente. Tiene un gran potencial para monitorear la tensión de las principales infraestructuras civiles, evaluar de manera no destructiva los daños, realizar reparaciones oportunas y mitigar el impacto de tifones y terremotos, y es de gran importancia para garantizar la seguridad y la durabilidad a largo plazo de los edificios. Además, en el contexto del desarrollo inteligente de los edificios modernos, se han planteado grandes desafíos para la investigación, fabricación, prevención de defectos y reparación de materiales de construcción tradicionales como tecnología de alta tecnología en el campo de los materiales de construcción, los materiales de hormigón inteligentes. han infundido el desarrollo futuro de los materiales de construcción tradicionales y proporciona nuevos contenidos y vitalidad, así como nuevas oportunidades. Su desarrollo definitivamente ampliará las perspectivas de aplicación de materiales concretos y producirá enormes beneficios sociales y económicos.
Para obtener más información sobre licitaciones de ingeniería/servicios/adquisiciones y para mejorar la tasa de adjudicación de ofertas, puede hacer clic en la parte inferior del sitio web oficial de servicio al cliente para realizar una consulta gratuita: /#/? fuente=bdzd