浅谈土木工程材料的发展.doc

浅谈土木工程材料的发展AbstractWith the development of human civilization and science and technology, civil engineering materials continue to improve. In modern civil engineering, despite the dominance of traditional soil, stone and other materials have gradually been replaced by new materials. Currently, cement concrete, steel, reinforced concrete structure have been irreplaceable materials, new alloys, ceramics, glass, organic materials, FRP (Fiber Reinforced Plastics) and other synthetic materials in civil engineering occupy more to the more important position. 摘要随着人类文明及科学技术的发展，土木工程材料不断进步与改善。现代土木工程中，尽管传统的土、石等材料的主导地位已逐渐被新型材料所取代。目前，水泥混凝土、钢材、钢筋混凝土已是不可替代的结构材料，新型合金、陶瓷、玻璃、有机材料、FRP（纤维增强复合塑料Fiber Reinforced Plastics）及其他人工合成复合材料等在土木工程中占有愈来愈重要的位置。关键词：土木工程材料 传统材料 新型材料 未来展望一、 土木工程材料现状随着土木工程材料的生产和应用的发展，材料科学已形成一门独立的学科。与以往相比，当代土木工程材料的物理力学性能也已获得明显改善，随着现代陶瓷与玻璃的性能改进，其应用范围也有明显的变化。例如水泥和混凝土的强度、耐久性及其他功能均有所改善。随着现代陶瓷与玻璃的性能改进，其应用范围与使用功能已经大大拓宽。此外，随着技术的进步，传统的应用方式也发生了较大变化。现代施工技术与设备的应用也使得材料在工程中的性能表现比以往好，为现代土木工程的发展奠定了良好的物质基础。一些新型材料如FRP等还处于发展阶段。为了解决我国现阶段材料方面面临的一些问题，真正与国际接轨甚至达到世界领先水平，新材料的开发，应用技术的成熟迫在眉睫。历史发展到今天，以往大量采用的粘土砖瓦和木材等已经慢慢退出历史的舞台，传统建筑材料的性能也越来越不能满足社会发展的需求。为此，以天然材料为主要材料的时代即将结束，取而代之的将是各种人工材料，这些人工材料将会向着再生化、利废化、节能化和绿色化等方向发展。为满足现代土木工程结构性能和施工技术的要求，材料应用也向着工业化的方向发展。例如，水泥混凝土等结构性能向着预制化和商品化的方向发展，材料向着半成品或成品的方向延伸，材料的加工、贮存、使用、运输及其他施工技术的机械化、自动化水平不断提高，劳动强度逐渐下降。这不仅改变着材料在使用过程中的性能表现，也逐渐改变着人们对于土木工程使用的手段和观念。二、传统土木工程材料的应用传统土木工程材料种类繁多，如水泥、钢筋、混凝土、钢结构1.近几十年，混凝土发展几乎可说达到巅峰，混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点，因而在土木工程材料里面占据极为重要的地位。然而，其缺点也往往令人头疼，它抗拉强度极低，耐腐蚀性差，因而其防护工作应是我们未来考虑的重点。2.钢结构是以钢材（钢板和型钢等）为主制作的结构。钢结构在我国现代化建设中的地位日益突出，在国民经济的各个领域都得到了大量应用。钢结构自重较轻，工作的可靠性较高，抗震性、抗冲击性好，钢结构制造的工业化程度较高，钢结构可以准确快速地装配，拆迁方便，室内空间大，容易做成密封结构，以上优点促进了钢结构的发展。然而，其缺点也不容忽视。钢结构易腐蚀，耐火性差，价格比较昂贵。耐火性差是钢材的一个致命弱点。2001年，9.11事件中，美国纽约世贸中心钢结构大楼倒塌，最初人们普遍认为倒塌的主要原因是飞机的撞击，经过深入研究调查，该楼毁坏的原因是飞机撞击引起的火灾。由此可见，钢结构建筑的防火防灾极为重要。我们可以在钢结构表面加一层耐火涂料以提高其耐火性能。3.任何一种单一的材料都有其局限性，对此，聪明的人类想到了将多种材料混合在一起，从而大大提高其力学性能。钢材与混凝土的结合便产生了钢筋混凝土。钢筋混凝土是目前应用最多的一种结构形式。目前在中国，占总数的绝大多数，同时也是世界上使用钢筋混凝土结构最多的地区。发改委相关数据显示，该地区其主要原材料水泥产量已于2005年达到10.60亿吨，占世界总产量48%左右。与混凝土以及钢结构相比，它更具优势。它可以就地取材，耐久性、耐火性比钢结构好，整体性好，比钢结构节约钢材。它有一些缺点人们正在努力克服，如自重大、混凝土抗拉强度较低、易裂、费工费模板周期长、施工受季节影响、补强修复困难等等。这些也正是需要我辈去解决的。此外还有一种钢管混凝土，钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件。众所周知，混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中。它的承载力高、延性好，抗震性能优越，施工方便，工期大大缩短，有利于钢管的抗火和防火，耐腐蚀性能优于钢结构。钢筋混凝土发展日趋完善，具有新功能的材料不断出现。预应力混凝土的出现缓解了混凝土结构易开裂的问题，是混凝土发展史上浓墨重彩的一笔。三、新型土木工程材料的发展1.混凝土材料发展至今远远不能满足社会进步的需求，因此，新型材料的研究将是未来一段时间的主要任务。在前辈们的努力下，新型材料取得了一定的成果。业内人都知道，裂缝一直是混凝土研究领域的难点。纤维掺入混凝土中大大提高了它的抗裂性能，这就出现了纤维混凝土。其实，建筑材料中掺入纤维的做法由来已久。但是直到21世纪，纤维混凝土才越来越受到重视，成果也逐渐丰富。纤维混凝土与普通混凝土相比，虽有许多优点，但毕竟代替不了钢筋混凝土。人们开始在配有钢筋的混凝土中掺加纤维，使其成为钢筋-纤维复合混凝土，这又为纤维混凝土的应用开发了一条新途径。目前发展起来的纤维增强混凝土，应用最广泛是指钢纤维增强混凝土、玻璃纤维增强混凝土和丙烯纤维增强混凝土。2.除混凝土材料外，纤维也应用于一些复合塑料。FRP（纤维增强复合塑料），中文名称叫做玻璃钢。它以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求, 正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中, 受到结构工程界广泛关注。FRP复合材料具有良好的力学性能和特点。首先，FRP的抗拉强度均明显高于钢筋, 与高强钢丝抗拉强度差不多, 一般是钢筋的2倍甚至达10倍。但FRP材料在达到抗拉强度前,几乎没有塑性变形产生, 受拉时应力、应变呈线弹性上升直至脆断, 因此FRP复合材料在与混凝土结构共同作用的过程中, 往往不是由于FRP材料被拉断破坏, 而是由于FRP-混凝土界面强度不足导致混凝土结构界面被剥离破坏，所以FRP-混凝土界面粘结性能问题成为今后工程应用的一个重点和难点。其次，FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近, 这样当环境温度发生变化时, FRP与混凝土协调工作,两者间不会产生大的温度应力。与钢材相比, 大部分FRP产品弹性模量小。约为普通钢筋的25% 75%。因此, FRP结构的设计通常由变形控制。FRP材料抗腐蚀、抗疲劳性能好, 可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用, 因而可提高结构的使用寿命, 这是结构材料难以比拟的。但同时, 与一般混凝土相比较, FRP复合材料的防火性能偏差, 这也制约了该类结构产品的推广应用, 成为今后要解决的问题之一。比强度很高，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重，施工方便, 其重量一般为钢材的20%。FRP约束混凝土和钢管混凝土是两种不同的约束混凝土应用形式，对混凝土进行约束，可以提高其承载力和延性，FRP约束下核心混凝土强度提高幅度较大，钢管混凝土构件延性好，对两种结构施加轴力，当轴力越来越大时，两种结构均破坏，钢管混凝土破坏时变形较大，而FRP混凝土构件破坏呈脆性，破坏时变形较小，破坏发生突然。3.除FRP外，还有一种水泥基复合材料-ECC(Engineered Cementations Composites)，它是一种新型的高延性纤维增强水泥基复合材料。其特点是强度高、模量高、耐磨、抗酸碱, 与水泥、石膏等基材有良好的粘结性能, 且无毒、无污染、不损伤人体肌肤, 对人体无害, 是新一代高科技的绿色建材之一。ECC通常是以水泥、粉煤灰、石英砂作为基体, 用外添加剂和纤维做增强材料，在纤维体积掺量小于2%的情况下,其极限拉应变通常在3%7%的范围内，且饱和状态的多缝开裂裂缝宽度小于0.1mm。四、土木工程材料的发展趋向尽管目前土木工程材料在品种与性能方面已有很大进步，但是与人们对材料的期望相比还有较大的差距。以天然材料为主导材料的时代即将结束，取而代之的将是各种人工材料。从其来源特征看，这些人工材料将会向着高性能化、多功能化、工业规模化、生态化等方向发展。1. 高性能化 从土木建筑工程本身的发展来说，应发展高性能工程材料，其高性能应包括轻质高强、高耐久、高抗渗、高保温等。就材料类别来说，应发展高性能无机材料，特别是高性能的复合材料最具有发展前景。2多功能化 新型土木工程材料应是具有多种功能或是智能的材料。如墙体材料必须向节能、隔热、高强发展，装饰材料必须向装饰性、功能性、环保性、耐久性方向发展，防水材料必须向耐候性、高弹性、环保性发展。3工业规模化 从土木工程材料使用方式的变化看，为满足现代土木工程结构性能和施工技术的要求，材料的使用必然向着机械化和自动化的方向发展。材料的供应向着成品或半成品的方向延伸。例如，水泥混凝土等结构材料向着预制化和商品化的方向发展。此外材料的加工、储运、使用以及施工操作的机械化、自动化水平也在不断提高，劳动强度逐渐下降。 土木工程材料的生产要实现现代化、工业化，而且为了降低成本、控制质量、便于机械化施工，生产要标准化、大型化、商品化等。4. 生态化 为了降低环境污染、节约资源、维护生态平衡，生产节能型、环保型和保健型的生态建材也是今后发展的方向。例如，充分利用工业废渣生产土木工程材料，以保护自然资源、保护环境，维护生态环境的平衡；生产和开发能够降解有害气体、抑菌与杀菌以及能够自洁的材料。结语总而言之，土木工程材料往往标志一个时代的特点。土木工程材