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、生產簡便等優點而被廣泛地用于各項工程建設中。隨著建筑行業的逐漸發展，人們也對混凝土的性能進行不斷的研究與改善，以便其能更好的適應建筑行業的市場要求。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，其內部不可避免地會出現很多微細孔、微裂縫以及孔洞等，而裂縫的存在會加速混凝土所包裹鋼筋的腐蝕，嚴重影響著結構整體的承載能力、耐久性能等等，對建筑的外觀及壽命會產生非常不利的影響。長期的研究與實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防，另外，雖然混凝土具有較高的抗壓強度，但自身脆性大，如果遇到外力沖擊時，如地震、臺風等災害，就會因變形過大與鋼筋屈服等等，使建筑受到不可逆轉的破壞，對人身財產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，使之更好地服務于社會，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”效應的合金，它可以記憶原有形狀。目前，大多數SMA 是通過馬氏體相變實現其形狀記憶功能的。當 SMA 在高溫下形成一定的形狀，合金就將這個形狀“記憶”下來，在低溫下發生一定的變形后，當溫度升高后它可自行消除之前所發生的形變，達到原來高溫下所呈現的形狀[2]。這是由于在升溫過程中SMA 內部出現了特殊的相變過程——熱彈性馬氏體相變，SMA 在從低溫向高溫的轉變過程中其內部固相由馬氏體向奧氏體轉變，而在奧氏體狀態下的合金擁有比普通金屬大幾十倍的恢復應力，從而使其自身形狀得以恢復。

    由于 SMA 具有形狀恢復的性質，所以被廣泛應用于各個領域。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、人造衛星等都有SMA 的應用。SMA 在水泥混凝土中的研究與應用也較為廣泛，并取得不錯的效果。

    2  SMA 在水泥混凝土中的研究與應用

    2.1  SMA 在預應力混凝土中的研究與應用

    在 19 世紀 80 年代，英國、美國等已經開始對預應力混凝土的研究，到第二次世界大戰之后，由于很多建筑被破壞需要修復，預應力混凝土得到了極大的發展。現階段，預應力混凝土已被廣泛地應用于鐵路、橋梁等各種項目工程中。目前，預應力混凝土中大多采用熱處理的鋼筋作為施加預應力的主體，SMA在預應力混凝土中的研究與應用還處于起步階段。美國學者 Sreenath Kotamala 將 SMA 置于混凝土中，利用 SMA 相變中產生的驅動，能對梁結構提供很好的縱向預應力，也能在一定程度上達到構件損傷與裂縫的自修復作用。金江等人則將SMA 與復合材料共同用于預應力混凝土中，制作出了性能良好的自適應梁結構。雖然 SMA 在預應力混凝土中的應用并不多，但很多研究與實踐都表明，SMA 預應力技術是完全可行的，且SMA 預應力混凝土較鋼筋預應力混凝土的生產工藝更加簡單、成本更加低廉。

    2.2  SMA 在混凝土結構振動控制中的研究與應用

    現階段，SMA 對于結構振動控制的實現方式主要有主動控制與被動控制兩種。主動控制的研究內容主要是SMA 作為振動控制元件以及如何增加 SMA 的使用頻率。而被動控制則是將 SMA 用作智能阻尼器與振動隔離裝置。

    美國學者 Rogers 首次將 SMA 設計成具有主動振動控制功能的結構，其研究表明，SMA 的驅動力能提升混凝土結構的等效剛度，使混凝土構件的共振頻率發生變化，從而起到對振動的主動控制作用。王吉軍等人將SMA 作為感知驅動元件置于梁結構中，發現 SMA 可靈敏的感知并抑制振動的發生。Baz 則指出在 SMA 應用于振動控制器時，還需關注其恢復速度的快慢，防止恢復速度過大而導致的過控制現象。歐洲的幾個國家共同參與的MANSIDE 項目中，詳盡地研究了 SMA 作為阻尼器使用的力學性能、阻尼性能以及結構設計等，表明 SMA 在結構振動控制中具有非常優良的效果。

    2.3  SMA 在混凝土裂縫控制中的研究與應用

    SMA 不但具有形狀記憶功能，當其形狀恢復時還能產生非常大的相變彈性，從而產生很強的恢復應力與應變，而將其應用于混凝土結構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變與應力的變化而改變。根據這一特性固建鴻等人將 SMA 進行一定的預應變處理，再把處理后的 SMA 繞在梁柱結構上，如果混凝土產生裂縫，處在裂縫處的SMA 就會發生形變且受到一定的應力作用，其電阻率就會發生變化，通過安裝在外部的測量裝置就可以得到其電阻率變化值，當裂縫增長到需要抑制的數值時，控制裝置就會對SMA 通電，使其發熱產生應變。在 SMA 的恢復應力作用下，可非常有效的降低梁柱的受力情況，增加其抗沖擊能力，減少裂縫的產生。不過在這個過程中，要對SMA 進行循環的加熱與冷卻，這會出現一定的延遲性，很大程度上影響了 SMA 對混凝土結構裂縫的控制性能。因此，還需進一步的對其產生應變與應力的頻率加以改善，使之能更為有效的控制混凝土結構裂縫的產生。

    2.4  SMA 在水泥混凝土中的其他研究與應用

    SMA 在水泥混凝土中的應用很廣泛，除了以上幾方面以外，其還應用在智能自修復混凝土、水泥基智能堵漏材料等領域。南京航空航天大學在1997 年研制出了 SMA 智能自修復混凝土，他們將 SMA 與液芯光纖置入混凝土中，當混凝土發生損害時，液芯光纖所形成的自診斷系統就會對損害處的 SMA 產生一定的激勵作用，使SMA 發生形變，在局部產生應力使液芯光纖破裂，破裂后其所攜帶的修復液就流出到裂縫處完成裂縫的修復工作。而 SMA 受到激勵還會產生一定的熱量，這會對修復液的固化非常有利，進一步提升修復質量。濟南大學的王琦教授首次將SMA 應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 在進入油井下方井漏區域時，由于井下溫度的影響而產生形變，同時其產生的應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、高效地完成整個堵漏過程，其堵漏效果明顯優越于同類其他堵漏材料。

    3  結語

    SMA 以其獨有的特點與優越的性能被廣泛應用于各個領域中，其在水泥混凝土中的研究與應用也得到了不斷的推廣與進步。不過，還是要注意到SMA 應用于水泥混凝土中所存在的一些問題，如其形變滯后性、相應過程延遲性、成本較高等，這在一定程度上制約了 SMA 更進一步的推廣與使用。不過隨著對 SMA研究的不斷深入，SMA 應用于水泥混凝土的技術也在不斷的提升，應用效果也逐漸改善。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帶來全新的發展。

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責任編輯：王元

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