范文一:土木工程材料的发展
土木工程材料的发展
摘要:这篇文章概要的描述了20世纪末运用在土木工程中建筑材料的一些问题同时展望了建筑材料的未来前景。对19世纪至20世纪基本建筑材料如钢和混凝土的一些改进做了分析。它描述了新材料如碳纤维增强复合材料,高强混凝土,高性能混凝土如何为材料的进一步发展创造了可能性。同时也介绍了现代胶合木结构的新机遇。指出了玻璃和塑料作为建筑材料运用在土木工程中的一些局限性。
重要词汇:钢,混凝土,高强混凝土,高性能混凝土,碳纤维增强复合材料,高层建筑,水中建筑
1. 引言
土木工程——一门关于各式各样建筑的艺术——早在文明发展的初期就存在于人类的领域中了。这些建筑除了住宅还有公共建筑,工业建筑,桥梁,高架桥,隧道,公路和火车道,高速公路和飞机场,水库和仓库,水堰,大坝,水中建筑,电视塔,以及大量的构成我们生活环境的其他建筑。
土木工程领域中的人类活动可以追溯到很早以前,当人类观察他周围的自然环境并开始模仿改进它们以创造出更安全更好的生存环境。此外,比较早之前,他注意到了他的建筑“艺术品”除了具备安全性,耐久性和实用性外还应该具备和谐性美观性。Socrates 曾经发表过相同的观点,他说,人类的一切创造均需要具备实用性,耐久性和美观性。
土木工程千百年的发展进程代表着与可利用材料,距离,高度,活载以及自然力量——水,火,风和地震的不断抗争。这些元素有些具有重要的意义,其他的一些具有次要的意义。首先提到的这些,对建筑材料发展的影响扮演着重要的角色。
首先,古代的人类群体使用的是天然材料如石头和木材。在时间的进程里,他们学会了如何用黏土来做成砖,一种人工石头,即首先先在阳光下晒干然后在烘干。在主要的文明中心(中东,近东和地中海地区)炎热的气候和短浅的经济 思想导致了,在一个短的时间内,木材被淘汰出作为建筑材料的范畴。这在植被
很多的一些中欧和东欧,北欧诸国的和俄罗斯亚洲部分的一些国家并没有发生。
石头和砖块——脆性材料——统治着欧洲文明时期土木工程近几个世纪:从公元前3000年埃及的金字塔到英国的第一次工业发展(18世纪至19世纪)。它们是竖直的墙体和柱体构件的合适的材料,但同时,因为它们的抗拉强度低,。因此,在水平构件上引起了一系列的问题。在古罗马很流行的拱结构,其最初的半圆形的形式,是大跨度结构构件的常用形式。
随着时间的推移,拱结构变得越来越轻巧。桥台在长度和宽度方向上所能承受的竖直水平荷载变得越来越大。在早期的中世纪期间,并没有太大的提高。直到哥特式时代和文艺复兴时期,新的形式和想法才被引进。但是,这些仍是建立在拱,曲形穹顶的基础上发展起来的形式(如凹圆穹顶,交叉拱,筒形穹顶,枝形穹顶)。拱从半圆形过度到弧形,最后过渡到椭圆形。石头或砖式的圆屋顶一般都是从圆形或多边形的方案中选一个。
在巴洛克式,洛可可式和新古典主义建筑中,其基本的建筑形式并无改变而仅仅只是添加了各种各样的装饰和点缀。真正完整的一次变革是建立在对世界的认知上,其萌芽是在文艺复兴时期和启蒙运动时期,此次,也使土木工程从垂直桥台和拱或双曲线屋顶的圈中释放出来了。
2. 钢:19世纪和20世纪的基本建筑材料
钢和水泥石两种相近的新建筑材料,它们在18世纪和19世纪被引进。首先是铸铁,然后原钢和铸钢最后是精炼钢和高强钢被认为是很好的建筑材料。它们是延性材料,有着很高的抗拉和抗压强度。这使得钢结构在跨度方向能作为受弯构件,这在几年前是不在考虑范围之内的。随后产品技术的提高使得获取优质钢成为了可能。这些进步易通过钢结构桥的发展看出。
尽管进步很大,但钢缆桥和悬索桥的发展似乎已经达到了极限。横跨墨西拿海峡上的桥证实了在3000米的主跨度上承受的极限荷载主要是两对直径为
1.2米的缆绳的自重而不是通过汽车和火车等交通的桥面。
这就是21世纪工程中面临挑战的原因:我们可以用高强钢索来替代普通钢索以达到减轻重量,但它能像普通钢索一样结实么?太空工程的一些成就,运用到土木工程中,对其有一定的帮助。
3. 碳纤维增强复合材料:一种未来的建筑材料
CFRP(碳纤维增强复合材料) 这种材料,现在主要应用于太空,航空技术和专门性的职业运动中。EMPA ——瑞士联邦实验室,与BBR,Stahlton 和SIKA 公司合作致力于材料试验和研究,正努力地将这种材料向世界的工程推广。
CFRP 是由直径为5~10微米的非常细的碳纤维嵌于聚酯树脂里组成的。商业上碳纤维有着3500~7000Mpa的抗拉强度,弹性模量为230~650Gpa,极限延长长度可达0.6~2.4%的长度。
这种材料首次用在加固是用于建成于1991年的瑞士卢塞恩附近的伊巴赫桥。薄板状的带条,尺寸50mm ×1.75mm 或150mm ×2.00mm, 长5000mm ,与混凝土区胶合。薄板里含有55%的T300的纤维,抗拉强度有1900Mpa, 纵向的弹性模量有129Gpa. 如今,越来越多的会用这种方法进行加固。
每一条斜拉索,是由241条直径为5mm 的CFRP 缆线和普通的钢绞线组成的。这座小桥第一次应用CFRP 材料是最好的选择因为这种材料几乎没有热膨胀率。在将近35m 的长度上,钢索并没有因为掺杂了其他材料而引起任何问题。
上面提到的运用在斜拉索中的CFRP 缆线的技术指标为:材料的密度为
1.56g/m2, 含68%的纤维,抗拉强度为3300Mpa, 纵向弹性模量为165Gpa, 热膨胀率为0.2×10-6 K -1。
从上面的数据可以看出,CFRP 材料斜拉索的弹性模量,与有着很大轴向拉伸阻力或者超过其两倍的的高抗拉强度的普通钢绞线相当,同时密度却比其小了5倍。因此,CFRP 是一种未来的材料特别是它的耐久性好,抗疲劳能力强,耐腐蚀性好。
面临的关键问题是找出能使钢索固定在锚具里的方法。这是由于CFRP 的重要机械性能只能在纵向体现的特点引起的。
制定出锚固体系的EMPA 实验室通过用锥形截面的填满浇铸材料的锁块解决了此问题,它机械性能的改变方向与锚具的长度方向一致。
CFRP 材料在土木工程中无法推广的主要原因是因为碳纤维的价格高,大约每1千克25瑞士法郎(但是,它们比钢轻5.2倍)考虑到工程中材料的利用次数,碳纤维的应用应该会调至一个合理的价格。
最后,涉及到以上提出的问题,CFRP 材料斜拉索在将来是否会替代普通钢索运用在悬索桥或是斜拉桥中,这就得引用第五页的数据来分析了。钢索的弹性
模量随着它长度的增加而减小。当l=0时,E=200Gpa,当l=1000m,E=163Gpa,当l=2000m,E=98Gpa.而对于CFRP 材料,对应的弹性模量则为165Gpa,163Gpa 和162Gpa 。从这些数据以及以上的材料可以确定,当l>2000时,CFRP 材料缆索可能成为未来的用于大跨度结构工程的合适材料。
4. 混凝土:20世纪的基本建筑材料
第一次工业革命中导致土木工程的发展的另一项“发明”就是水泥。被称为“波特兰水泥”并在1824年由丁.阿斯普丁取得了专利权。它被认为是用来生产新型材料——混凝土的一种优秀的水硬性胶凝材料。这种材料相对便宜并且容易生产。基于自然界中存在的集合物和水以及上面提到的水泥,可能“铸造”出各种形状的构件和结构。一时间,混凝土成了20世纪最普及的建筑材料。这种“人造石”也有着和天然石头一样的缺点:抗拉强度很低而脆性很高。混凝土的f ctm /fcm 是1/10(对于天然石头是1/26),但尽管如此混凝土也可以用在受弯
构件中。例如,对拱或拱顶形式,跟砖或石头结构一样,在应用的第一年就占有了统治的地位。
归功于19世纪70年代和90年代Monier 和Hennebique 的成功尝试使得一种珍贵的建筑材料称为钢筋混凝土被创造出来了。混凝土构件的受拉区通过加柔性的钢筋条使其强度提高以及各种优质材料的综合运用,使得跨度达30m 至40m 的钢筋混凝土弯曲构件出现成为了可能。对于大跨度结构,其结构自身所能承受的荷载有一个极限,这也使得混凝土的运用有了一个上届。这种情况类似于高层建筑的上届只能是20层的高度,是因为垂直构件如墙和柱的容许荷载决定的。
混凝土的进一步发展归功于有效力概念的引入。如预应力结构。Freyssinet 的理论和实验表明,为了使预应力是有效的,C30~C40的高强混凝土以及强度达1500~2500Mpa的预应力结构钢必须用在结构中。基于这些假设,Dischinger 在1937~1938年间在建造了第一座预应力桥,同时在1938年,Hoyer 取得了预应力方法的专利权。
预应力混凝土在土木工程中的引进为建造者们展现了完美的新机遇。在桥结构和公共建筑上()涌现出了新的方法和技术(不对称的壳体结构,带状结构),建于1944年挪威的桥就是运用了悬臂的方法。它的跨度达2600m 。高层建筑运用了C40的混凝土也达到了30层的高度。
尽管有了这些成就,但是由素混凝土做成的结构似乎注定会不幸,因为其耐腐蚀性差以及长期暴露于污染越来越严重的环境中造成的。这样导致了钢筋的表层碳化,钢筋被腐蚀。由于不是很密封的覆盖层以及密度相对高的素混凝土,使得预应力钢索被腐蚀。氯化物(如在交通建筑中)或硫酸盐(如在工业建筑中)的进一步作用导致了混凝土被腐蚀的范围进一步的扩大。这些作用,特别是对于那些直接暴露在大气中的建筑(如桥,烟囱,水库,冷却塔等),将使它们的使用年限大幅度减少。它们需要维修养护时间也比计划提早。这些过程都是金钱和时间的共同损耗。混凝土桥的预期使用年限在20世纪50年代为100年,在20世纪70年代为75年,而如今只有50年。这样,在20世纪末,耐久性的问题已经成为素混凝土桥面面临的一大难题。在20世纪80年代,新一代的混凝土出现在了世界上的几个国家。高强混凝土(HSC ):强度等级为C60~C90和高性能混凝土(HPC ):强度等级为C90~C150.
5. 高性能混凝土:未来的建筑材料
高强素混凝土(强度等级达C50)到高强混凝土和高性能混凝土的过渡,可能是因为在素混凝土中添加了几种添加剂如硅粉,超塑性材料。
硅粉,一种硅铁冶炼过程的附属产物,含有98%的纯SiO 2以及大的比表面
积,达25m 2/g,将近是波特兰水泥比表面积得80倍。它有着高强的火山灰性质,能和氢氧化钙水化物组成稳定的硅酸钙水化物。这种水化物主要出现在水泥砂浆基石和骨料细粒接触的区域,这样,就会使这个区域的强度变高,也会减少气孔数。而且,这种水化物使得砂浆更加均匀,强度更高。最后,使得混凝土结构变得非常均质均匀。
氢氧化钙水化物,是波特兰水泥水化作用的产物,是水泥砂浆中最弱的化合物。它以大晶体的方式存在于骨料细粒的表面,与钙矾石C-A-S-H 和水润湿骨料细粒,它在混凝土里形成了一个弱接触区。
为了获得高强度的混凝土,必须用一个较低的水灰比(0.3~0.5)来配制,对于高性能混凝土,水灰比必须控制得比0.3更低。为了达到混凝土混合物要求的稠度和工作性能,离不开同一时期的超塑性材料。超塑性材料,主要是三聚氰胺和萘或者其混合物,首先作用在水泥砂浆和骨料细粒的接触层处形成了所谓的双滑动层。在水泥中加入2%~4%的塑性材料,使得新一代的水泥,HSC 和HPC ,
产生和被引进于土木工程中成为了可能。
HSC 和HPC 有以下的特征:(1)压缩性高(2)脆性高(与其压缩性相比,抗拉强度很低)(3)孔隙率低,吸水性差(4)由于其高密实性,耐久性和抗冻性好(4)(与普通混凝土相比)与钢筋的粘结度提高了40%(5)(与普通混凝土相比)收缩性和徐变降低了30%,在养护的第七天就已经完成了收缩和徐变的70%
(6)由于其高密实性导致水泥的水化热增加,降低了其耐火性,这也使得遇到火时,混凝土硬化过程中的水不会流失而转化为高压蒸汽。
以上的数据表明了HSC 和HPC 特别适用于那些受轴向或偏心压力(如高层建筑的竖直构件,海洋平台,预应力结构)以及直接暴露于大气和环境(如被污染的空气中,砂,海盐等)中的结构。它们使得构件的横断面达到最小,这样,就使得建筑的使用空间变大。它们也广泛用于高层建筑的楼层中,大大减小了其厚度。HSC 和HPC 在土木工程中的应用仍需解决一些问题,因此,国际研讨会每三年在斯塔万格(1987年),伯克利(1990年),利勒哈默尔(1993年),巴黎(1996年)开一次会来讨论这些问题。一些国家已经获得了HSC 和HPC 用于建筑使用中的许可证(如挪威,芬兰,美国,加拿大,日本,德国,瑞士,荷兰)。其他的一些国家也正在制定相关的文件。
受轴向或偏心压力的这种混凝土梁的承载能力,它的理论假定已经通过试验结果证实。为了防止混凝土梁的脆性破坏,要求在横向配置强度高的箍筋。同样的,为了防止产生弯曲变形,在高强混凝土梁的受压区只能配置等级高的梁钢筋。可是,可也与该区域的脆性破坏有关系,同时要求要配置强度高的箍筋。
由于开裂极限状态,在受拉区配置的钢筋等级极少会增加得很明显。在受弯构件里,(1)对于C30混凝土和S400钢筋, ρ=0.22%(2)对于C60混凝土和S400钢筋,ρ=0.32%(3)对于C90混凝土和S400钢筋,ρ=0.40%
预应力结构横断面的抗裂性与系数k=0.38fck /fctk0.05成比例。(1)对于C30
混凝土,k=6.0(2)对于C60混凝土,k=8.4(3)对于C90混凝土,k=10.0 通过上面的详细分析可以清楚的看出,在20世纪末出现的新一代的高质量混凝土将最终在土木工程的实践中代替普通的素混凝土。
同时提到,由于其水化作用的温度越来越高,对于那些使用这些混凝土的大型结构,它们的强度与在常温t=20℃的环境下,经过28天硬化的混凝土相比,
低了10%~15%.在评价强度时考虑到这个因素,用了一个影响系数χ进行折减:χ=0.95(1-f ck /600).
HSC/HPC混凝土的耐火性的提高可以通过添加聚丙烯纤维来实现。高温时,纤维就会熔化,在混凝土结构中留下类似筒状的空洞,混凝土硬化时的水就可以扩散到这些空洞处。水汽就可以通过表面边缘蒸发而不用破坏混凝土结构,这样,就会减少结构所受的荷载。
6.其他一些先进的混凝土结构材料
主要介绍两种。
预应力结构越来越多的引进了玻璃纤维(GF )碳纤维(CF )和芳纶。这些钢腱经过适当的修改,添加了60%~65%的环氧树脂复合材料,被经常用在钢丝或钢丝束中。它们的主要优点是重量轻(密度大约比普通钢丝低5倍),与普通钢丝比,强度相当,弹性模量和延性也较普通钢丝低。这些钢腱的应力-应变关系曲线接近直线,最后达到脆性破坏。
纤维混凝土经常都是与钢筋一起使用用在隧道壁的加固,桥或冷却塔的整修和重建,加固仓库的受荷大的楼地面。钢筋混凝土的主要优点不仅是抗拉强度是素混凝土的两倍,而且其塑性也是它的好几倍。这是通过断面能GF 或者韧性指数计量区域比值F1/F2得到的。
根据作者的经验,当添加纤维Vf=5%时,其断裂能达到207%,当Vf=1.0,对应的断裂能为457%,Vf=1.5,断裂能为678%。当在计算有效荷载或冲击荷载时,这是必须要考虑到的问题。
为了减少因为纤维喷混凝土过程中的溅出损失,经常通过加硅粉来实现。 最后,必须提到SIFCON 方法,这是由德国制定出的,用来修补受破坏的混凝土道路的人行道,飞机场航线跑道以及建筑的天花板。在这种方法里,低碳钢钢筋完全由体积超过其10%的钢纤维来替代。纤维分布在干净的表面,抹上稀高质量水泥砂浆并用浮式振捣器使其固结。
这种材料的抗压强度大约为90~105Mpa,弯曲抗拉强度为35~45Mpa,它与基础粘结得很好,也不用开孔隙或破坏已存在的人行道。高质量砂浆的组成由:PZ55水泥,1000kg/m3;0.7mm 粒径砂,860kg/m3;水,330kg/m3;超塑性材料,35kg/m3.
7. 木材的复兴
木材经常作为建筑的基本材料,但是,考虑到它的极限寿命(15~25年)以及耐水性和耐火性差,木质建筑一般都作为临时建筑。这也是为什么只有很少的木结构建筑保存下来的原因。
在20世纪,尽管出现了钢筋和混凝土这样有竞争性的材料,木材还是在一些发展国家(美国,加拿大,俄罗斯)的建筑中占有一个比较重要的角色。这可能归功于木工的进步以及后40年技术的进步。技术的进步导致了(1)木结构的正确保存使得其耐久性与钢结构和混凝土结构相当(2)目前木结构的建造几乎都是通过工业的方法生产出构件或整个完整的物体,这大大减少了劳动消耗资源。
来自洛桑的Natterer ,木结构的伟大拥护者之一,说,如果我们想拯救森林,我们就应该用木材来建造。在大部分的国家中,森林体系都是病态的,这些森林中的木材可以用胶粘的方法与胶合板重叠做成梁。这种方法带来了很好的效果,材料又相对便宜经济。(与混凝土和钢筋相比)。
在现代建筑中,木材用于下列的形式(1)传统的方法使用了当地或进口的实心的木材(2)用工业技术方法将木材切成薄片叠在一切,这样就能造出大尺寸或整跨的构件。
所有的这些进步归功于(1)新工业技术的产生,木材的保存和化学方法改进的结果(2)高强木材的使用(3)新建造方法适应了现代技术。
通过以上的这些描述的这些改进,我们可以得到,在21世纪,这种材料将更容易的适应于自然环境,其工作性能高,自重低,将毫无疑问的作为钢结构和混凝土结构的补充。
8.其他建筑材料
玻璃和塑料必须不能被忽略。目前,它们都已经在用于建筑当中了。在波兰超市,出现了防弹玻璃,多层夹层玻璃。
这类型的玻璃有着很高的机械强度,是普通玻璃的3~6倍。热阻高且能抵抗温度的变化(最高达150K ),破裂时也不会伤到人。它们可以承受建筑表面的大荷载,用于玻璃屋顶和天窗,遮板和窗户,意愿,学校,可以有效的隔绝街上和公路上的噪音。
以目前来说,塑料在化学领域的进步比其他建筑材料快。因此,可以假定,
在近几年里,以高分子聚合物为基础的新型材料将成功的替代传统材料。
塑料非常适用于建筑建筑结构中,特别是因为它们轻巧的特点(质量密度ρ=1000~1400kg/m3), 抗腐蚀性高,光透射比高,具有可染色性,容易制成。它的最大缺点是:弹性系数很低,流变破坏性高,低热阻,在UV 射线下易老化。普通塑料的抗拉强度为10~80Mpa,但是,加入玻璃纤维却能使该性能提高到130~600Mpa(沿平行纤维的方向) ,塑料的弹性模量很低(只有2Gpa )但是加入玻璃纤维后,却能达到与钢结构相当的55Gpa.
现代的化学技术在尽力地改造塑料的这些缺点,通过添加化合物来吸收UV 能并将其以长波的形式重新发射出,这样,对塑料就没有损害性了。塑料的易燃性也因为加入了添加剂而改善了,添加剂会将火焰分解从而不会产生火。添加物的加入不仅是塑料的抗拉强度和弹性模量得到了提高,在很大程度上也防止了塑料发生流动。
上述的种种限制导致了塑料在土木工程中只能是作为交次要的建筑材料,
(1)在薄片状的构件中(“三明治”类型)(2)半透明构件和结构中如天窗,屋顶和墙(3)3D 结构
塑料用在3D 构造物中的有:折板结构,用增强树脂,刚性多空塑料,薄膜和骨架做的薄膜结构,球形穹顶和充气结构。大部分的情况,上述的结构都还要有钢腱才能起作用。
塑料广而远知且仍在发展中的应用,那就是应用在聚合物混凝土(PC),聚合物水泥混凝土(PCC ),氯丁橡胶的桥梁支座以及外层为钢身的塑料烟囱中(为了防止浓烟的腐蚀)。塑料在黏结中也扮演者重要的角色,可以作为木材的黏结剂(在重叠梁中)也可以作为混凝土的黏结剂(在桥的悬臂法中加上预制构件时使用)。树脂也经常用于混凝土开裂裂缝的修补中,大型结构中以及用来加固混凝土结构和钢筋结构时所使用的钢,CFRP 镶边构件的黏结。
通过上述内容,我们可以清楚看到塑料在土木工程中的应用范围很广。它不仅可以用作补充物,也在传统建筑材料如钢,混凝土,陶瓷和木材的正常使用中起重要作用。
范文二:土木工程材料及新材料的发展
土木工程概论结课论文
土木工程材料及新材料的发展
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土木工程材料及新材料的发展
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
摘要:近年来我国土木工程材料工业有了长足的进步和发展,但与发达国家相比,还存在着品种少、质量档次低、生产和 使用能耗大及浪费严重等问题,因此如何发展和应用新型土木工程材料已成为现代化建设急需解决的关键问题。本文介绍了土木工程材料的历史与现状,阐述了绿色环保材料的优良性能,指出了绿色建材的发展趋势。 关键词:土木工程材料 新能源 绿色材料 环保 发展趋势
前言:土木工程材料是土木工程的物质基础,决定着土木工程的使用质量和寿命。土木工程材料包括土木工程中使用的各种材料及制品[1]。根据物质组成的种类及化学成分,土木工程材料可分为无机材料、有机材料和复合材料三大类。近年来,人们不仅对土木工程材料的性能要求越来越高,而且更加关注其对环境及健康的影响。随着人类文明及科学技术的发展,土木工程材料的不断 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、有机材料及其他人工合成材料各种复合材料等在土木工程折中占有愈来愈重要的位置
1、土木工程材料的应用
1.1我国古代土木工程材料的应用
在我国古代的土木工程中,比较常用的材料为土、木、石等。
土是人类最初使用的比较方便的材料。人类的祖先利用地形特点,挖洞穴居住,或者结合土穴,利用木架和草泥建造简单的穴居和浅穴居。后来,人类开始对土进行简单加工,制成土坯。再往后,人类对土坯进行火烧,制成砖瓦,这是人类对土的高级利用,凝结了人类发展的技术与智慧,“秦砖汉瓦”至今仍广泛应用。
在古代,木材因为取材方便且易于加工,因而被广泛应用。我国的古代建筑,多以柱、梁、木屋架等木结构搭建房屋。甚至皇家宫殿,也以木结构为主。
如沈阳故宫崇政殿,也以木结构为主。
石材因为质量大,加工难,在我国古代应用较晚。而清代的圆明园则是中国古代石材技术应用的代表[2]。
1.2土木工程材料应用的现状
随着科技的发展与社会的进步,人类对建筑材料的使用性能、外观等各方面的要求越来越高。在那些原始材料的基础上,逐渐开发出新型的土木工 程材料。石灰、水泥、沥青、混凝土、钢筋混凝土、预 应力混凝土、钢结构等,已经成为工业建筑和民用建 筑的主要材料。而且,随着超高建筑、高承载工程和 高抗渗工程的出现,一些高性能材料也应运而生。 高强度等级水泥、钢纤维和玻璃纤维混凝土、聚合物 混凝土、钢化玻璃、多功能涂层玻璃、双层中空玻璃等,这些新型材料具有质轻、高 强、快、坚硬等优点。这些新型材料的广泛应用,促进了建筑设计理念、土木工程结构形式及建筑施工技术的巨大革新与发展。
1.2.1从土木工程材料的来源来看
鉴于土木工程材料的用量巨大,尤其在应用方面,经过长 期使用的不断累积,单一品种或数个品种的原材料来源已不能满足其持续不断的发展的需求。尤其是历史发展到今天,以往大量采用的粘土砖瓦和木材等已经给社会的可持续发展带来了沉重的负担。从另一方面来看,由于人们对于各种建筑物性能的要求不断提高,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。
1.2.2从土木工程对材料技术性能要求的方面来看
技术性能的要求也越来越多,各种物理性能指标的要求也越来越高,从而表现为未来建筑材料的发展具有多功能和高性能的特点。 具体来说就是材料向着轻质高强、多功能、良 好的工艺性和优良耐久性的方向发展。
1.2.3从土木工程材料应用的发展趋势来看
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。
2.新型土木工程材料——绿色建材
土木工程材料行业对资源的利用和对环境的影响都占据着重要的位置 ,在产值、能耗、环保等方面都是国民经济中的大户,为了保证源源不断地为工程建设提供质量可靠的材料, 避免新型材料的生产和发展对环境造成危害, 因此“绿色建材”应运而[3]。 目前正在开发的和已经开发的绿色建材和准绿色建材主要以下几种:
第一、利用废渣类物质为原料生产的建材,这类建材以废 渣为原料生产砖、砌块、材板及胶凝材料,其优点是节能利废, 但仍需依靠科技进步,继续研究和开发更为成熟的生产技术,使这类产品无论是成本上,还是性能方面真正能达到绿色建材标准。
第二、利用化学石膏生产的建材产品,用工业废石膏代替天然石膏,利用先进的生产工艺和技术可生产各种土木建筑材料产品。这些产品具有石膏的许多优良性能,开辟石膏建材的新来源,并且消除了化工废石膏对环境的危害,符合可持续发展战略。
第三、利用废弃的有机物生产的建材产品 ,以废塑料、废橡胶及废沥青等可生产多种土木工程材料,如防水材料、保温 材料、道路工程材料及其他室外工程材料。 这些材料消除了有机物对环境的污染,还节约了石油等资源,符合在资源可持续发展方面的基本要求。
第四、利用各种代木材料,用其他废料制造的代木材料在生产使用中不会有害人的身体健康, 利用高兴技术使其成本 和能耗降低,将是未来绿色建材的主要发展方向。
第五、利用来源广泛的地方材料为原料,利用高科技生产 的低成本健康建材,不同的地区都可能有来源丰富、不同种类的地方材料,根据这些地方的性质和特点 ,利用现代 技术,可生产各种性能的健康材料。如某些人造石材、水性涂料、某些复合性材料也是绿色建材的发展方向。
3.土木工程材料的发展趋向
众多现象表明进入21世纪以后,在我国甚至是全世界范围内,土木工程材料的发展应具有以下的一些趋向:
研制高性能材料,例如研制轻质、高强、高耐久性、优异装饰性和多功能的材料,以及充分利用和发挥各种材料的特性,采用复合技术,制造出具有特殊功能的复合材料。
充分利用地方材料 ,尽量减少天然资源 ,大量使用尾矿、废渣、垃圾等废弃物作为生产土木工程材料的资源,以及保护自然资源和维护生态环境的平衡。
节约能源,采用低能耗、无环境污染的生产技术 ,优先开发、生产低能耗的材料以及能降低建筑物使用能耗的节能型材料。
材料生产中不得使用有损人体健康的添加剂和颜料 ,如甲醛、铅、镉、铬及其化合物等,同时要开发对人体有益的材料,如抗菌、灭菌、除臭、除霉、防火、调温、消磁、防辐射、抗静电等。
产品可循环在再生和回收利用,无污染废弃物,以防止二次污染。
随着城市化、工业化进程的加快和生产力水平的大幅度提高,全球性资源匮乏和能源短缺现象日益严重,大量的建筑废弃物等待处理,废旧物品的再生利用成为亟待解决的问题。“环保、生态、绿色、 健康”,已成为21 世纪人类生活的主题。随着“绿色奥运”的成功举行,“绿色环保”已成为现代人追求的生活目标。目前,世界各国的城市规划、建筑设计都强调以绿色建筑为宗旨的绿色环境。绿色环境是指人类生存的环境必须受到良好和有效的保护, 是指达到生态环境标准、无污染的标志。为满足绿色环境的要求,土木工程材料应具有健康、安全、保保的基本特征,满足轻质、高强、耐用、多功能的优良技术性能和美观的美学功能。
4.结语
土木工程材料与人类的生活及生产息息相关。随着科技的进步和社会的发展,人类对土木工程材料的要求不仅需要其满足工程需要,而且要适应环保的要求,绿色建材将是未来土木工程材料的发展方向。木工程材料的发展的过程是随着 社会生产力一起进行的,它和工程技术的进步有着不可分割的联系。工程中选材料时通过对环境的影响对后来人的影响来决定土木工程材料的好换,在未来,基于材料原有的性质的基础上,“可持续发展”将是衡量建筑工程的一把尺子。
参考文献:
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(7) : 1-2:32
[3]王福川.土木工程材料[M].湖北:中国建材工业出版社,2007:55
范文三: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,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、氩气或氦气,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 】carbon fibre 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,X 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外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、外墙抹灰批荡等,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,其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的影响,现代混凝土力学多尺度本构模型,复杂应力状态下现代混凝土本构关系,基于多孔介质力学的混凝土传输本构关系)。
(3)现代混凝土在多重因素作用下的化学-力学耦合损伤失效机理(包括环境因素的化学-力学作用等效转换,化学-力学耦合作用下微结构的演变,化学-力学耦合作用下混凝土材料损伤模型,化学-力学耦合作用下材料硬化/软化及表征,化学-力学(静与动载)耦合作用下现代混凝土寿命预测模型)。
(4)复杂环境中现代混凝土结构的服役寿命设计理论(通过化学力学等效转换,将承载力设计与耐久性设计耦合与统一,实现通过土木工程材料理论的深化研究,实现现代混凝土结构设计的重大变革)。
(5)现代混凝土服役特性的提升技术(建立现代混凝土微结构工程学,现代混凝土原位增韧理论与应用技术,通过混凝土增韧提高抗裂能力,从源头提高混凝土耐久性和服役寿命,完善混凝土服役特性设计)。
聚丙烯纤维在混凝土中主要有两种用途:1)防止混凝土出现塑性收缩裂缝。混凝土在凝结硬化过程,表面失水会导致塑性收缩和裂缝,掺加聚丙烯纤维的混凝土,可以防止这种裂缝。由于聚丙烯纤维的弹性模量低于硬化混凝土,因此对硬化混凝土的抗裂性能(温度应力或机械荷载等作用产生裂缝)提高有限,对抗拉、抗弯强度提高也不大,对混凝土韧性有一定程度提高。2)提高硬化混凝土的耐火性能。在高温作用下,聚丙烯纤维会先软化和烧掉,在混凝土中形成许多孔道,混凝土中被高温汽化的水分就可以沿这些孔道排出,防止水分汽
化形成内部高压而使混凝土爆裂,从而大幅度提高混凝土的耐火时间和耐火等级。
范文四:论土木工程材料的发展趋势
论土木工程材料的发展趋势
土木工程与我们的生活息息相关,它是房屋、公路、铁路、桥梁、水工、港工以及地下工程的总称。随着技术的不断发展,土木工程材料也愈发趋于完善。从一开始的挖洞穴再到用茅草,木材建造,再到砖瓦房以及如今的钢筋混凝土等等。随着社会和科技的发展,建筑物的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化。所采用的新材料、新设备、新的结构技术和施工技术日新月异,节能技术、信息控制技术、生态技术等日益与建筑相结合。接下来,让我来谈谈今后土木工程材料的发展趋势。
一、从土木工程材料的应用来看
首先是高强度混凝土。以前的高强度混凝土等级在C45上,随着科学技术的发展,高强度混凝土提升到C60,在实际工程中最高强度混凝土为活性粉掺合料混凝土,强度为C200。这种高强度混凝土实际是用微米级的活性颗粒掺入混泥土,使他们在水泥浆中的细微空隙中水化,减少和填充混凝土中的毛细孔,达到增强和增密的作用。因此今后的发展必定和混凝土的强度分不开,逐渐提高混凝土的强度的同时还要保证混凝土的高效益。
然后是高性能混凝土。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标,针对不同用途要求,对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。高性能混凝土由于具有较高的密实性和抗渗性,因此,其抗化学腐蚀性能显著优于普通强度混凝土。故高性能混凝土也是今后土木工程材料的发展趋势之一。
还有近几年才出现的纤维混凝土,它是纤维和水泥基料(水泥石、砂浆或混凝土)组成的复合材料的统称。水泥石、砂浆与混凝土的主要缺点是:抗拉强度低、极限延伸率小、性脆,加入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维,可以克服这些缺点。所用纤维按其材料性质可分为:金属纤维、无机纤维、、有机纤维。合成纤维混凝土不宜使用于高于60℃的热环境中纤维,故提高纤维混凝土的耐热性以及研发更多有益性能的纤维混凝土也会成为今后土木工程材料发展趋势。
新型土木工程材料——绿色建材。又称生态建材、环保建材和健康建材,指健康型、环保型、安全型的建筑材料,在国际上也称为“健康建材”或“环保建材”,绿色建材不是指单独的建材产品,而是对建材“健康、环保、安全”品性的评价。它注重建材对人体健康和环保所造成的影响及安全防火性能。它具有消磁、消声、调光、调温、隔热、防火、抗静电的性能,并具有调节人体机能的特种新型功能建筑材料。
目前正在开发的和已经开发的绿色建材和准绿色建材主要有以下几种:第一,利用废渣类物质为原料生产的建材,这类建材以废渣为原料生产砖、砌块、材板及胶凝材料,其优点是节能利废,但仍需依靠科技进步,继续研究和开发更为成熟的生产技术,使这类产品无论是成本上,还是性能方面都能发挥最大的效益。第
二,利用废弃的有机物生产的建材产品,以废塑料、废橡胶及废沥青等可生产多种土木工程材料,如防水材料、保温材料、道路工程材料及其他室外工程材料。这些材料消除了有机物对环境的污染,还节约了石油等资源,符合在资源可持续发展方面的基本要求。第三,利用各种代木材料,用其他废料制造的代木材料在生产使用中不会影响人的身体健康,利用高新技术使其成本和能耗降低,将是未来绿色建材的主要发展方向。第四,利用来源广泛的地方材料为原料,利用高科技生产的低成本健康建材。不同的地区都可能有来源丰富、不同种类的地方材料,根据这些地方的性质和特点,利用现代技术,可生产各种性能的健康材料。如某些人造石材、水性涂料、某些复合性材料也是绿色建材的发展方向。
二、从土木工程材料的来源来看
鉴于土木工程材料的用量巨大,尤其在应用方面,经过长期使用的不断累积,单一品种或数个品种的原材料来源已不能满足其持续不断的发展的需求。尤其是历史发展到今天,以往大量采用的粘土砖瓦和木材等已经给社会的可持续发展带来了沉重的负担。论文参考网。从另一方面来看,由于人们对于各种建筑物性能的要求不断提高,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。
三、从土木工程的技术来看
一、复合化。单一的材料往往难以满足要求,复合材料应运而生。所谓复合技术是将有机和有机、有机和无机、无机和无机材料在一定的条件下,按适当的比例复合。然后经过一定的工艺条件有效地将几种材料的优良性结合起来,从而得到性能优良的复合材料。二、多功能化。随着人们生活水平的提高,对材料的功能的要求越来越高,要求新型材料从单一功能向多功能方向发展。即要求材料不仅要满足一般的使用要求,还要求兼具呼吸、电磁屏蔽、防菌、灭菌、抗静电、防射线、防水、防霉、防火、自洁智能等功能。三、节能化。现代人们要求材料不但有良好的使用功能,还要求材料无毒、对人体健康无害、对环境不会产生不良影响,即绿色土木工程材料。所谓绿色土木工程材料主要是指这些材料资源能源消耗低,大量利用地方资源和废弃资源;对环境对人体友好,能维持生态环境的平衡;同时,可以循环利用。四、轻质高强化。轻质主要指材料多孔、体积密度小。高强主要指材料强度不小于60MPa。五、工业化生产。工业化生产主要是指应用先进施工技术,采用工业化生产方式,产品规范化、系列化。六、全过程信息化。信息化的特点将更深的渗透到未来的土木工程中,重点不仅仅限于CAD方面,也包含对工程进度的管理、运行中数据资料的收集,分析,整理;对建筑物结构,强度,可靠性的分析和相应对策的决策等。这些也是主动控制和智能化实现的基础。全过程信息化对今后的土木建筑构造物的维护有很大的意义。比如可以使用植入的传感器配合电子计算机实现对建筑全方位的实时的监控,及时掌握整个建筑物的状态。我国现在正是基本建设的高潮,20~30年后,现在这些建筑物逐渐进入维护期。如果能在现在建造过程中就做好各种信息化准备工作,对今后维护也大有帮助。信息化也成为专家系统技术的基础。程序的解题能力不仅取决于它所采用的形式化体系和推理模式,而且取决于它所拥有的知识。要使一个程序具有智能,必须向它提供大量有关问题领域的高质量的信息输入。这样,材料才能具有巨大市场潜力和良好发展前景。
迄今,绝大部分的土木工程建筑都是被当作一个静态的,被动的物体。对周围环境的影响,如风动,温度变化,突发事件等只能依靠自身的结构进行被动的抵御。显得缺少灵活性和应变能力。今后土木建筑设施的一个发展方向之一就是主动控制技术在建筑构造物中的应用。运用计算机技术和模糊控制技术,以及一些预设的控制结构。使得建筑物能够对各种环境因素做出适当的反应。
四、从土木工程的指导理论来看
在可以预见的将来,土木工程工程技术理论的核心部分仍然是力学,新的分析方法和新的数值处理方法将是土木工程中力学的突破方向。在对复杂结构、流体介质等情况下的受力分析和近似上,现有的方法仍然具有很大的局限性。更加专门化的数学在将来也应该有很大的发展,用以处理土木工程技术中复杂的数值问题。更先进的电子计算机的应用,使得对复杂的情况的模拟更有把握,更接近于现实。力学也会突破宏观框架,向微观发展,控制论,虚拟现实等技术也在力学中加深影响。另一方面,土木工程学科将向周围继续发散,与材料,环境,化学,电子信息,机械,城市规划,建筑等相关学科进一步的交叉,融合,互相支持,互相服务。土木工程内部的次级学科也同时会在现实需要的推动下产生出新的学科,如对城市地下空间的大规模利用就使得新的地下规划学科有了产生和发展的必要。不同次级学科的理论也会相互渗透,比如现在就有一些大型体育场馆采用了类似桥梁的悬索结构。
最后谈谈我对未来土木工程材料发展的展望。随着人民生活的日益改善,人们会越来越关注自身生活品质的提高,故土木工程材料的发展也会越来越人性化,合理化,做到符合人民需求。当然,社会在进步,科技也在不断发展,土木工程材料也一定会实现多功能化,智能化以及节能化。
范文五:浅谈土木工程材料发展趋势
[摘 要]简介了土木工程材料现状,综合比较了当前建材使用缺陷,阐述了生态材料、智能材料的应用前景呾优劣性,强调了建材节能的重要性 [关键词]土木工程材料 生态建材 节能效应 智能材料
中图分类号:TU50-4 文献标识码:A 文章编号:1009-914X,2013,25-0175-01
土木工程材料是指土木工程中使用的各种材料及其制品,它是一切土木工程的物质基础,决定着工程的使用质量呾寿命。随着社会发展呾科技进步,人类对建筑材料的使用性能、外观、环保性等各方面的要求越来越高,对材料质量、节能效果也越来越看重。
土木工程材料按照其特性觃格有不同种分类方法,其更新换代也随着建筑工艺创新不断加速。进入21丐纪以来,人类对生存空间的要求达到了一个前所未有的高度,这对土木工程材料的生产研究使用呾发展提出了更新的挑戓。特别是“十八大”关于城镇化的全面推进,预示着我国未来几十年的的经济发展对土木工程材料有着更大的市场需求,也意味着我国土木工程材料领域有着巨大的发展空间。因此,了解土木工程材料的的发展状况,把握土木工程材料的发展趋势显得尤为重要。
1、土木工程材料发展现状
作为传统的土木工程材料,木材、石灰、水泥、沥青、混凝土、砌筑材料、钢筋混凝土等构筑了工业呾民用建筑的基础。随着材料科学不工程学的形成发展, 土木工程材料性能呾质量不断改善, 品种不断增加, 以有机材料为主的化学建材异军突起, 一些具有特殊功能的新型土木工程材料, 如绝热材料、吸声隔声材料、各种装饰材料、耐热防火材料、防水抗渗材料以及耐磨、耐腐蚀、防爆呾防
辐射材料等应运而生。
随着城市化、工业化进程的加快呾生产力水平的大幅度提高,全球性资源匮乏呾能源短缺现象日益严重,大量的建筑废弃物等徃处理,废旧物品的再生利用成为亟徃解决的问题。“环保、生态、绿色、健康”,已成为21 丐纪人类生活的主题。
因此,现阶段土木工程材料的使用,不仅要满足轻质、高强、耐用、多功能的优良技术性能呾美观的美学功能,更要具备健康、安全、环保的基本特征。也正是在这种需要的带动下,以生态建材、智能建材为代表的新型材料越来越得到人们的青睐,同时,人们建筑节能材料的需求也呼之欲出。
2、发展生态建材是趋势
材料及其制品的制造、使用及废弃过程是造成能源短缺、资源过度消耗呾枯竭以及环境污染的主要原因之一。长期以来,我国走的是一条高投入、高能耗、高污染、高资源消耗的建筑发展道路。在工程建设中,建筑材料的生产、使用及回收,不仅消耗了大量的资源呾能量,而丏带来了严重的环境污染问题。因此,寻找既能满足材料性能的要求,又不破坏环境,而丏还能够改善环境的“生态建材”是当前土木工程发展的趋势。
2.1 使用生态建材的优势
生态建材又称绿色建材、环保建材呾健康建材,是指采用清洁生产技术、少用天然资源呾能源、大量使用工业戒城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护呾人体健康的建筑材料。
1, 生态材料生产所用原料尽可能少用天然资源,大量使用尾矿、废渣、垃圾、废液等废弃物;
2,生态材料采用低能耗制造工艺呾无污染环境的生产技术;
3,生态材料在产品配制戒生产过程中,没有使用甲醛、卤化物溶剂戒芳香族碳氢化合物、添加剂等对有环境造成污染的物质;
4,生态材料产品的设计是以改善生产环境、提高生活质量为宗旨,即产品不仅不损害人体健康,而应有益于人体健康,产品具有多功能化。
2.2 生态建材的应用呾意义
目前,生态建材在土木工程中已得到初步推广,在高层建筑、隧道工程中的应用也不断广泛,使用效果呾质量亦越来越多的得到肯定。诸如钢结构、木材陶瓷、工业废渣微晶玱璃等生态建材不断为人们所常见。生态建材追求的不仅是具有先进的使用性能,而丏是从材料的制造、使用、废弃直到再生的整个生命周期中必须具备不生态环境的协调性及舒适性,它满足可持续发展的需要,做到了发展不环境的统一,现代不长进的结合,这样符合现代人的需要,又不损害后代人对环境、资源的更大需求。
3、建筑材料节能化的必要性
生态建材的发展离不开材料的节能化,在材料节能问题上做文章能使建筑本身得到巨大的经济效益,纵观土木工程材料节能发展历程,会发现两项基本特征: ,1,建筑材料呾技术的发展为建筑节能提供原动力。相比于以往简单的砖、石块、混凝土等墙体保温材料,玱化微珠保温砂浆、酚醛板、聚氨酯板、合成高分子防水卷材等新型保温材料的运用使得建筑更加节能环保,墙体保温质量也得到径好的满足。
,2,提高建筑施工工艺是建筑技能环保的重要途徂。在大量工程实例中,施工人员发现适当改变施工工艺能使得建筑更加节能环保,由此而提炼出的屋面节能
技术呾地面、楼板及楼梯间隔墙技术、建筑遮阳技术都是典型代表,也催生出了“建筑节能技术不工程”这门新学科的出现。
4、智能材料成为新的发展方向
智能材料是21丐纪新诞生的一种材料,其灵感源于仿生物学,特指具有感知环境刺激,并丏对环境的刺激进行分析、处理、判断,采取适当的措施进行适度反应的具有智能特性的新型材料。智能材料具有传感、反馈、自我诊断修复等功能,是横跨多个与业而产生的新产品。
现阶段,智能材料在具体结构的安全检测、根基桥梁检测及损坏评估方面已经获得初步成果,在研究呾土木工程结构实践应用中已经突现出其优越性能。例如在地基中放入光线传感器,可直接判断根基是否破坏;把碳纤维材料放置于水泥溶浆中,根据其变硬特性而电阻随外界压力变化而变化,可在内部结构接近损坏区戒破坏区时进行自动报警。
智能材料在土木工程中的应用,是材料科学、计算机科学、自动化控制技术发展的重要阶段,对土木工程的发展有着极其深进的影响,是土木工程材料发展的最终方向。
5、结语
土木工程材料不人类的生活及生产息息相关,因此我们应该对土木工程材料未来的发展有一个清醒而明确的认识。无论是当前全球面临的人口膨胀、资源短缺呾环境恶化三大难题,亦戒是人们越来越关注的生活质量呾环境,都不土木工程材料的发展密切相关。也正因为如此,生态材料、智能材料、建材节能化才得到越来越多的关注呾重规,作为新丐纪的土木与业人员,我们应该从现在开始树立“绿色建材”的理念,更多的关注科技发展前沿,最终为土木工程材料的可持续发展
贡献自己的一份力量!
参考文献
[1] 吴科如,张雄.土木工程材料.上海:同济大学出版社,2003. [2] 邢振贤.土木工程材料.郑州:郑州大学出版社,2006.
[3] 陈剑峰,杨红玉.生态建筑材料.北京:北京大学出版社,2011. 作者简介
1、夏文韬,,1992.4—,男,河南省信阳人,郑州大学土木工程学院2010级本科生,土木工程与业,与业方向,建筑工程方向。
2、王栋,,1993.8—,,河南省南阳人,郑州大学土木工程学院2010级本科生,土木工程与业,与业方向,建筑工程方向。