材料发展与土木工程发展的关系

土木工程的发展取决于材料的发展，新材料的应用，降低了土木工程造价成本。如轻钢结构的出现，保温板的出现建筑节能方面得到了突破，等等。土木工程有三大力学|理论力学；材料力学；结构力学。力学的新发现得以应用也降低了工程的造价。理论指导工程，如青藏铁路工程，理论指导工程解决很多难题才技术创新才有技术难题突破。社会需求很多，如青藏铁路工程，中国的长城；中国的故宫，等等。碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。1999年发生在南联盟科索沃的战争中，北约使用石墨炸弹破坏了南联盟大部分电力供应，其原理就是产生了覆盖大范围地区的碳纤维云，这些导电性纤维使供电系统短路。目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中含碳量在90%以上。由于碳的单质在高温下不能熔化（在3800K以上升华），而在各种溶剂中都不溶解，所以迄今无法用碳的单质来制碳纤维。碳纤维可通过高分子有机纤维的固相碳化或低分子烃类的气相热解来制取。目前世界上产生的销售的碳纤维绝大部分都是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。其产生的步骤为A预氧化：在空气中加热维持在200-300度数十至数百分钟。预氧化的目的为使聚丙烯腈的线型分子链转化为耐热的梯型结构，以使其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。B碳化：在惰性气氛中加热至1200-1600度，维持数分至数十分钟，就可生成产品碳纤维；所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氨气，但一般多用高纯氮气。C石墨化：再在惰性气氛（一般为高纯氩气）加热至2000-3000度，维持数秒至数十秒钟；这样生成的碳纤维也称石墨纤维。碳纤维有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300KG/MM2;还有耐高温、耐腐蚀、导电、传热、彭胀系数小等一系列优异性能。目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异性能。目前，碳纤维主要是制成碳纤维增强塑料来应用。这种增强塑料比钢、玻璃钢更优越，用途非常广泛，如制造火箭、宇宙飞船等重要材料；制造喷气式发动机；制造耐腐蚀化工设备等。羽毛球：现在大部分羽毛球拍杆由碳纤维制成。【碳纤维】carbonfibre含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，乂射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa\模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为90%以上的纤维。 碳纤维目前在替代采暖材料核心发热体上也有新的贡献，国外，在很多节能采暖设备的核心发热体上已经由以前普遍采用的金属材料逐步升级到碳纤维材料，碳纤维材料在采暖方面的应用主要考虑利用了材料的耐腐蚀，抗氧化（金属容易氧化造成局部击穿），高稳定性，寿命更长（很多产品在300摄氏度下普遍能够达到稳定工作100000小时的时间），热转换率高（97%以上）等特点。由于我国在碳纤维材料生产研发方面相对还处在落后的境况，高质量的碳纤维材料还是依靠日韩进口，所以价格居高不下，但随着国内合资、合作形式的出现，以碳纤维为核心技术的产品却已经走入了寻常消费者的家中。碳纤维产品在采暖方面的应用分了不少形式，比如短纤，短切纤维通常用在如“碳晶”“地暖膜”等采暖产品上，石墨类产品在早起的采暖膜中应用比较广泛，膜类产品除了在采暖上有所应用，在热水器，工业设备恒温环境保障方面应用也是十分广泛。在工程实践中，由于没有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂纹在内夕卜应力的作用下发展为更大的裂纹，以至最终形成贯通的毛细孔道及裂缝，常常导致防水失败，也造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的安全及使用。研究表明，多数裂缝同荷载无关，塑性收缩、干缩、温度变化等开裂因素才是混凝土众多问题的根源。聚丙烯纤维是一种以聚丙烯为原料以独特工艺制造的高强度聚丙烯单丝纤维。由于纤维以单位体积内少量均匀分布于混凝土内部，故微裂缝在发展的过程中必须遭遇到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝达到了抗裂的作用。纤维的加入犹如在混凝土中掺入巨大数量的微细筋，这些纤维筋抑制了混凝土开裂的进程，提高了混凝土的断裂韧性，而这些单靠加强钢筋是不能实现的。这样，聚丙烯纤维成了混凝土（砂浆）抗裂抗渗的卓越手段。一、聚丙烯纤维的作用机理聚丙烯纤维加入水泥基体中，理论上可起到：1、提高基体的抗拉强度；2、阻止基本中原有缺陷（微裂缝）的扩展，并延缓新裂缝的出现；3、提高基体的变形能力，并从而改善其韧性与抗冲击性等作用。混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理不外乎两种解释：第一，“纤维间距机理”，根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用，认为在混凝土内部原来就存在缺陷，俗提高强度，必须尽可能地减少缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数；第2,〃复合材料机理”，理论出发点是复合材料构成的混合原理，将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度，提出了纤维混凝土强度与纤维的掺入量、方向、长径比以及粘结力之间的关系。二、聚丙烯纤维的功能1、有效提高混凝土（砂浆）的抗裂能力在建筑实践中，聚丙烯纤维已成为一种非常有效的提高砂浆及混凝土抗裂能力的卓越手段。它以特殊的生产工艺进行表面处理，同水泥基料有极强的粘结力，因此可在混凝土中发挥更有效的抗裂作用。有关机构的研究表明，在混凝土中，聚丙烯纤维的乱向分布形式大大有助于削弱混凝土塑性收缩及冻融时的应力，收缩的能量被分散到每立方米上千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上，从而极为有效地增强混凝土（砂浆）的韧性，抑制微细裂缝的产生和发展。同时，无数的纤维单丝在混凝土内部形成的乱向撑托体系可以有效阻碍骨料的离析，保证混凝土早期均匀的泌水性，从而阻碍了沉降裂纹的形成。2、大大提高混凝土（砂浆）的抗渗防水性能在混凝土中掺加适量微细纤维可有效地抑制其早期干缩微裂及离析裂纹的产生及发展，极大减少混凝土的收缩数量，尤其是有效抑制了连通裂缝的产生;均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起着“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与骨料的离析，从而使混凝土中的孔隙含量大大降低，可以极大地提高抗渗能力。混凝土地下室工程，屋面、贮水池、夕卜墙抹灰批荡等，采用聚丙烯纤维为刚性自防材料的效果尤为显著，可以有效解决渗裂问题的困扰。3、 增强抗冲击能力混凝土中加入纤维凝固后，握裹水泥的高强纤维丝相粘联成为致密的乱向分布的网状增强系统，有利于防止并控制微裂缝的产生和发展，增强混凝土的韧性。同时由于有效改善了泌水性，对于早期养护大有助益。纤维独特的表面处理工艺使得纤维可以和水泥基料紧密地结合在一起，水泥的水化反应更彻底，骨料离析减少，级配更加均匀，极大地保持了混凝土的整体强度，混凝土受到了冲击时纤维吸收了大量能量，从而有效减少集中应力的作用，阻碍了混凝土中裂缝的迅速扩展，增强了混凝土的抗冲击能力。4、 增强抗冻能力在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止微裂缝的扩展；同时，混凝土抗渗能力的提高也利于其抗冻能力的提高。在寒冷地区的公共建筑设施使用聚丙烯纤维混凝土后，都有效地减少冻裂问题，它可作为一种有效的混凝土温差补偿性抗裂手段。三、 聚丙烯纤维的主要适用范围1、 聚丙烯纤维的用途十分广泛，主要适用于：（1） 对表面抗裂要求严格的场合；（2） 作为非结构性或作为温差补偿性的加强材料；（3） 要求抗冲击、耐磨、抗震性能较强的混凝土；（4） 用于陡坡加固、喷射混凝土、灌浆等，以加强其内部支撑及粘结性能；（5） 要求较高抗渗强度的工程，作为刚性自防水材料；（6） 要求非磁性加强材料的场合；（7） 要求抗碱及抗化学腐蚀的场合。2、 在工业与民用建筑中的主要适用范围：（1） 在外墙、卫生间抹灰砂浆中掺入聚丙烯纤维，可解决墙面粉刷的开裂，从而增强外墙抗渗漏的能力；（2） 在屋面找平层中掺入聚丙烯纤维，可解决找平层的裂缝和起砂等问题，从而增加找平层的强度和抗渗漏能力；（3） 在预应力混凝土，混凝土构件及现场浇筑的混凝土中掺入聚丙烯纤维可减少混凝土非结构性裂缝，提高混凝土抗渗、抗冲击、抗震、抗冻性。四、 聚丙烯纤维在工程中的应用天明花园为中山市一新开发住宅小区，该区住宅属七层框架结构，开发商本着住户利益出发点，要求施工单位在保证工程施工质量的同时绝对不允许出现屋面裂缝现象，以便用户住得舒畅，买得安心。该小区由我公司施工，为满足开发商的要求，经公司研究决定在2cm厚的屋面水泥砂浆找平层施工过程中，选用中山市青龙防水补强工程有限公司生产的抗裂抗渗很强的聚丙烯纤维，在水泥砂浆基体中按体积0.05%的比率掺入少量的聚丙烯纤维均匀拌和其中找平时尽量避免纤维外露砂浆表面，以防纤维干晒收缩枯萎，其它工序按设计图纸要求进行施工。该小区屋面工程面积约7000平方米左右，所有屋面的找平层水泥砂浆均掺入了体积0.05%聚丙烯纤维均匀拌和结果整个小区屋面至今未发现一条裂缝消除了过去那种屋面裂缝普遍存在的工程质量通病。相比较湛它除层面板以外的楼面板均未掺入聚丙烯纤维，尽管它们的温度收缩影响没有天面严重，但实际上楼板混凝土出现裂缝较多，这就足以证明聚丙烯纤维掺入混凝土(砂浆)中的抗裂作用。同样，中山市南下市场天面的找平层水泥砂浆也掺入体积0.05%的聚丙烯纤维，结果该工程屋面也未曾出现裂缝现象。五、生产效率和经济效益的评价经济效益是一个综合性的指标，需要对长期效益和短期效益，一次投资与维修保养以及材料管理费用，施工难易等多方面因素进行综合考虑，方能做出合理的经济评价。实践证明：同普通混凝土相比，体积掺量0.05%(约0.5kg/m3)的聚丙烯纤维混凝土抗裂能力提高近70%，抗渗能力提高60%-70%。充分认识，利用和发挥其产品特性，结合工程实际要求，是能够取得较好的经济效益的。如果采用纤维砂浆抹灰，其施工操作简易、抹灰效率高、灰浆跌落少、抗裂性强，可部分取代钢丝网，对于提高工作效率、保证工程质量、降低成本都有非常重要意义。虽然聚丙烯纤维要另外投资，但它的价格适中，在工程总投资中所占的比例极少，却可以换取极大的工程质量效益。实践表明，聚丙烯纤维少量掺入混凝土（砂浆）中，将大大提高混凝土（砂浆）的抗裂抗渗能力，在我国的工程应用中具有极大的潜力。土木工程材料是土木工程结构与土木工程发展的基础和核心，也是土木工程结构改革与创新的推动力。改革开放以来，中国的各个方面都加速了前进的步伐，土木工程材料的发展目前呈现了新的转机，伴随着中国建筑工程、基础工程、国防防护工程的大规模兴建和前所未有的发展速度高速公路、高速铁路、地下工程、大型和超大型桥梁工程，水电-核电-风电工程、国家治山治水与治海治沙工程，南水北调与西气东输工程等等，其建设规模空前，如高速公路通车里程由1.7万公里扩大到2.74万公里，铁道建设从2006年到2010年政府将投资125000亿人民币建设17000公里、时速达300-350KM/小时的新干线，电力方向的建设与发展遍及全国各个省份，所有这些无一不与新型、高性能、高抗力的土木工程材料息息相关。2007年我国水泥产量13.6亿吨，不仅居世界首位，而且占世界总产量的50%。混凝土产量超过70亿吨，居世界第一，占全世界总产量的45%以上。特别是对土木工程材料的性能和功能的要求越来越高，这就大大推动和促进了土木工程材料基本理论和应用技术的发展，已是土木工程材料自主创新的重要推动力。土木工程材料的主要研究方向：（1） 生态环保型高性能土木工程结构材料（2） 土木工程材料智能化理论和技术；（3） 土木工程材料功能化理论和技术；（4） 工业废渣资源化和高效利用的理论和技术；（5） 在力学与环境因素耦合作用土木工程材料与土木工程结构损伤劣化过程微结构演变机理和服役寿命预测新理论与新方法；（6） 高与超高性能纤维增强水泥基复合材料的强化、韧性与阻裂机理及其在基础与防护工程中的应用技术；（7） 混凝土材料原位增韧理论和技术及其防灾、抗灾、提高抗灾能力与服役寿命；（8） 高与超高性能水泥基材料结构形成与损伤劣化过程中微结构演变计算机模拟理论和方法就现代混凝土而言，可开展以下方面的研究：（1） 现代混凝土胶凝浆体结构形成机理（涵盖了复杂组分的交互作用的基础研究，现代混凝土水化进程的热动力学定量描述，现代混凝土胶凝材料的微结构模型和微裂纹形成的驱动力）（2） 现代混凝土微结构与本构方程（即现代混凝土微裂纹对其弹性系数