0  前言

    混凝土作为重要的建筑材料之一，因其原材料丰富、成本小、生产简便等优点而被广泛地用于各项工程建设中。随着建筑行业的逐渐发展，人们也对混凝土的性能进行不断的研究与改善，以便其能更好的适应建筑行业的市场要求。但混凝土自身还是存在着很多的问题。在混凝土的水化硬化过程中，其内部不可避免地会出现很多微细孔、微裂缝以及孔洞等，而裂缝的存在会加速混凝土所包裹钢筋的腐蚀，严重影响着结构整体的承载能力、耐久性能等等，对建筑的外观及寿命会产生非常不利的影响。长期的研究与实践都表明裂缝在混凝土中是不可能完全避免的，只能采取一定的措施尽可能地减少与预防，另外，虽然混凝土具有较高的抗压强度，但自身脆性大，如果遇到外力冲击时，如地震、台风等灾害，就会因变形过大与钢筋屈服等等，使建筑受到不可逆转的破坏，对人身财产安全造成极大的损失。因此，如何更好地改善混凝土的自身缺陷，使之更好地服务于社会，是我们正在探索也是亟待解决的问题。

    1  形状记忆合金简介

    所谓形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指拥有“记忆”效应的合金，它可以记忆原有形状。目前，大多数SMA 是通过马氏体相变实现其形状记忆功能的。当 SMA 在高温下形成一定的形状，合金就将这个形状“记忆”下来，在低温下发生一定的变形后，当温度升高后它可自行消除之前所发生的形变，达到原来高温下所呈现的形状[2]。这是由于在升温过程中SMA 内部出现了特殊的相变过程——热弹性马氏体相变，SMA 在从低温向高温的转变过程中其内部固相由马氏体向奥氏体转变，而在奥氏体状态下的合金拥有比普通金属大几十倍的恢复应力，从而使其自身形状得以恢复。

    由于 SMA 具有形状恢复的性质，所以被广泛应用于各个领域。从牙箍、眼镜框到各种热敏元件再到人造骨骼、航空航天飞行器、人造卫星等都有SMA 的应用。SMA 在水泥混凝土中的研究与应用也较为广泛，并取得不错的效果。

    2  SMA 在水泥混凝土中的研究与应用

    2.1  SMA 在预应力混凝土中的研究与应用

    在 19 世纪 80 年代，英国、美国等已经开始对预应力混凝土的研究，到第二次世界大战之后，由于很多建筑被破坏需要修复，预应力混凝土得到了极大的发展。现阶段，预应力混凝土已被广泛地应用于铁路、桥梁等各种项目工程中。目前，预应力混凝土中大多采用热处理的钢筋作为施加预应力的主体，SMA在预应力混凝土中的研究与应用还处于起步阶段。美国学者 Sreenath Kotamala 将 SMA 置于混凝土中，利用 SMA 相变中产生的驱动，能对梁结构提供很好的纵向预应力，也能在一定程度上达到构件损伤与裂缝的自修复作用。金江等人则将SMA 与复合材料共同用于预应力混凝土中，制作出了性能良好的自适应梁结构。虽然 SMA 在预应力混凝土中的应用并不多，但很多研究与实践都表明，SMA 预应力技术是完全可行的，且SMA 预应力混凝土较钢筋预应力混凝土的生产工艺更加简单、成本更加低廉。

    2.2  SMA 在混凝土结构振动控制中的研究与应用

    现阶段，SMA 对于结构振动控制的实现方式主要有主动控制与被动控制两种。主动控制的研究内容主要是SMA 作为振动控制元件以及如何增加 SMA 的使用频率。而被动控制则是将 SMA 用作智能阻尼器与振动隔离装置。

    美国学者 Rogers 首次将 SMA 设计成具有主动振动控制功能的结构，其研究表明，SMA 的驱动力能提升混凝土结构的等效刚度，使混凝土构件的共振频率发生变化，从而起到对振动的主动控制作用。王吉军等人将SMA 作为感知驱动元件置于梁结构中，发现 SMA 可灵敏的感知并抑制振动的发生。Baz 则指出在 SMA 应用于振动控制器时，还需关注其恢复速度的快慢，防止恢复速度过大而导致的过控制现象。欧洲的几个国家共同参与的MANSIDE 项目中，详尽地研究了 SMA 作为阻尼器使用的力学性能、阻尼性能以及结构设计等，表明 SMA 在结构振动控制中具有非常优良的效果。

    2.3  SMA 在混凝土裂缝控制中的研究与应用

    SMA 不但具有形状记忆功能，当其形状恢复时还能产生非常大的相变弹性，从而产生很强的恢复应力与应变，而将其应用于混凝土结构中就能很好的控制混凝土的变形与裂缝。SMA的电阻率大小还随着其应变与应力的变化而改变。根据这一特性固建鸿等人将 SMA 进行一定的预应变处理，再把处理后的 SMA 绕在梁柱结构上，如果混凝土产生裂缝，处在裂缝处的SMA 就会发生形变且受到一定的应力作用，其电阻率就会发生变化，通过安装在外部的测量装置就可以得到其电阻率变化值，当裂缝增长到需要抑制的数值时，控制装置就会对SMA 通电，使其发热产生应变。在 SMA 的恢复应力作用下，可非常有效的降低梁柱的受力情况，增加其抗冲击能力，减少裂缝的产生。不过在这个过程中，要对SMA 进行循环的加热与冷却，这会出现一定的延迟性，很大程度上影响了 SMA 对混凝土结构裂缝的控制性能。因此，还需进一步的对其产生应变与应力的频率加以改善，使之能更为有效的控制混凝土结构裂缝的产生。

    2.4  SMA 在水泥混凝土中的其他研究与应用

    SMA 在水泥混凝土中的应用很广泛，除了以上几方面以外，其还应用在智能自修复混凝土、水泥基智能堵漏材料等领域。南京航空航天大学在1997 年研制出了 SMA 智能自修复混凝土，他们将 SMA 与液芯光纤置入混凝土中，当混凝土发生损害时，液芯光纤所形成的自诊断系统就会对损害处的 SMA 产生一定的激励作用，使SMA 发生形变，在局部产生应力使液芯光纤破裂，破裂后其所携带的修复液就流出到裂缝处完成裂缝的修复工作。而 SMA 受到激励还会产生一定的热量，这会对修复液的固化非常有利，进一步提升修复质量。济南大学的王琦教授首次将SMA 应用于水泥基智能堵漏材料中，把 SMA、吸水树脂、水泥等材料采用特殊的制作工艺成型，制成具有高效堵漏性能的材料，SMA 在进入油井下方井漏区域时，由于井下温度的影响而产生形变，同时其产生的应力将所携带的水泥材料分散开来，之后再与吸水树脂共同形成桥接，迅速、高效地完成整个堵漏过程，其堵漏效果明显优越于同类其他堵漏材料。

    3  结语

    SMA 以其独有的特点与优越的性能被广泛应用于各个领域中，其在水泥混凝土中的研究与应用也得到了不断的推广与进步。不过，还是要注意到SMA 应用于水泥混凝土中所存在的一些问题，如其形变滞后性、相应过程延迟性、成本较高等，这在一定程度上制约了 SMA 更进一步的推广与使用。不过随着对 SMA研究的不断深入，SMA 应用于水泥混凝土的技术也在不断的提升，应用效果也逐渐改善。相信以后随着 SMA 研究的逐渐成熟，其必将为水泥混凝土行业带来全新的发展。

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责任编辑：王元

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