王林林

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新型土木工程材料研究進(jìn)展

王林林

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隨著我國(guó)土木建筑事業(yè)的發(fā)展，土木工程建筑材料也在不斷發(fā)展創(chuàng)新。新型建筑材料主要從材料性能、施工應(yīng)用、節(jié)能高效、環(huán)境保護(hù)等方面做出提高改進(jìn)，為了解我國(guó)土木工程中新型材料的研究進(jìn)展，本文根據(jù)材料類(lèi)型介紹了新型混凝土、新型復(fù)合材料和土木工程智能材料的基本情況。

土木工程；材料研究

1 引言

隨著我國(guó)土木工程的發(fā)展，新型建筑材料也不斷出現(xiàn)，新型材料的研發(fā)和應(yīng)用逐漸成為建筑工程發(fā)展的重要組成部分。土木工程施工材料是一切建筑工程的基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)的材料是保證工程安全和應(yīng)用的必要條件[1]。現(xiàn)階段，我國(guó)施工材料正在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，新型土木工程材料的發(fā)展圍繞生產(chǎn)適應(yīng)化、多功能化、綠色環(huán)?；?、智能化為趨勢(shì)，以保證土木工程的施工高效、應(yīng)用耐久、生態(tài)環(huán)保、監(jiān)測(cè)智能。

2 新型混凝土材料

混凝土是土木工程中最常見(jiàn)的建筑材料，普通混凝土由膠結(jié)材料及骨料組成。近年來(lái)，為滿(mǎn)足不同工程要求，新型混凝土發(fā)展迅速，在性能、工藝、用途上都得到了創(chuàng)新發(fā)展。新型混凝土就是在普通混凝土的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，能夠節(jié)省成本、易于施工、提高強(qiáng)度。

2.1 高性能混凝土

高性能混凝土簡(jiǎn)稱(chēng)HPC，目前國(guó)際上對(duì)HPC的研究與應(yīng)用都非常重視，是當(dāng)代混凝土研究的重點(diǎn)。HPC具有強(qiáng)度高、易于施工、和耐久性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足不同結(jié)構(gòu)及功能的各類(lèi)建筑的耐久性及強(qiáng)度要求[2]。高性能混凝土由于其自身性能特點(diǎn)，可抵御惡劣環(huán)境的危害，降低維修管理費(fèi)用；由于工作性強(qiáng)，可降低施工強(qiáng)度，節(jié)約工程造價(jià)。

2.2 活性微粉混凝土

活性微粉混凝土簡(jiǎn)稱(chēng)RPC，是一種超高強(qiáng)混凝土，抗拉和抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土。活性微粉混凝土是由普通混凝土發(fā)展而來(lái)，經(jīng)特殊工藝使混凝土達(dá)到最優(yōu)堆積密度、改善均勻性及延展性，并通過(guò)加壓加溫提高強(qiáng)度。

2.3 低強(qiáng)混凝土

低強(qiáng)混凝土用于土木工程中基礎(chǔ)工程中，起到填充、墊層、隔離的作用。在軟土地基條件下，低強(qiáng)混凝土的應(yīng)用十分必要。同時(shí)，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用低強(qiáng)混凝土可節(jié)約工程造價(jià)。

2.4 輕質(zhì)混凝土

輕質(zhì)混凝土與普通混凝土的區(qū)別在于由輕骨料代替砂石重骨料，其中輕骨料主要包括天然輕骨料：浮石、凝灰?guī)r等；人造輕骨料：頁(yè)巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等；工業(yè)廢料：爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等。輕質(zhì)混凝土具有密度小、相對(duì)強(qiáng)度高以及保溫性能優(yōu)良等特點(diǎn)[3]。以工業(yè)廢料為骨料原理制作的輕質(zhì)混凝土，不僅降低了生產(chǎn)成本，還有利于環(huán)保、降低污染的優(yōu)點(diǎn)。

2.5 加筋混凝土

普通混凝土抗拉性能的較差，在混凝土中摻加纖維可增強(qiáng)其抗拉延展性。纖維種類(lèi)多樣，目前應(yīng)用較為廣泛的是鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等。其中，加入鋼纖維的混凝土抗拉強(qiáng)度可提高40%～80%，抗彎度提高60%～120%，抗剪度提高50%～100%，抗壓度提高0～25%。在鋼纖維混凝土的抗壓實(shí)驗(yàn)中，與普通混凝土相比具有較大的韌性。

3 新型復(fù)合材料

高級(jí)復(fù)合材料在土木工程應(yīng)用中具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久性強(qiáng)等一系列優(yōu)良的工程性質(zhì)，勝過(guò)傳統(tǒng)的建筑材料，因此逐漸在土木行業(yè)中得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

3.1 纖維復(fù)合材料

纖維復(fù)合材料簡(jiǎn)稱(chēng)FRP，作為工程材料具有一系列優(yōu)良性質(zhì)，如高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞性質(zhì)，同時(shí)FRP還具有自傳感特性[4]。FRP成本較低，特殊情況下可作為土木建設(shè)中鋼筋的替代品。為滿(mǎn)足不同需要，F(xiàn)RP復(fù)合材料可制成棒、板、網(wǎng)等多種形式，可滿(mǎn)足大型結(jié)構(gòu)的建筑要求，可廣泛應(yīng)用于橋梁、海洋和地下工程等特殊工程中。

3.2 碳纖維增強(qiáng)塑料

碳纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP，工程上的應(yīng)用形式主要有垃擠板材和預(yù)浸料片材等，可替代傳統(tǒng)加固材料。CFRP板材成本較低，這種優(yōu)勢(shì)尤其體現(xiàn)在工程整個(gè)壽命上，從整個(gè)使用周期來(lái)看，經(jīng)濟(jì)性較好[5]。

3.3 FRP柱子封套

復(fù)合材料作為加固柱子封套有助于增加柱狀結(jié)構(gòu)的受剪和受壓能力，同時(shí)還可提高結(jié)構(gòu)抗沖擊性、抗震能力。FRP柱子封套技術(shù)在英國(guó)和日本已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，在公路橋上應(yīng)用FRP柱子封套可有效增加建筑物的抗彎、抗剪、抗沖擊能力。

4 智能材料

智能材料是具有自診斷功能的材料，智能化是土木工程材料發(fā)展的趨勢(shì)。智能材料在工程監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)和評(píng)估中起到重要作用。

4.1 自診斷機(jī)敏復(fù)合材料

自診斷機(jī)敏復(fù)合材料包括光纖埋置式自診斷機(jī)敏復(fù)合材料、壓電式自診斷機(jī)敏復(fù)合材料和導(dǎo)電式自診斷機(jī)敏復(fù)合材料[6]。光纖埋置式自診斷機(jī)敏復(fù)合材料是將尺寸小、重量輕的光纖材料光導(dǎo)纖維埋入結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，從而可得到構(gòu)件中各種參數(shù)的變化情況，可用于監(jiān)測(cè)梁等結(jié)構(gòu)的松弛蠕變特性，判斷構(gòu)件是否會(huì)破壞失效[7]。壓電式自診斷機(jī)敏復(fù)合材料的主要代表為碳纖維水泥基復(fù)合材料，它既是結(jié)構(gòu)材料，又是功能材料，利用導(dǎo)電性能改變來(lái)預(yù)測(cè)保密結(jié)構(gòu)的破壞。導(dǎo)電式自診斷機(jī)敏復(fù)合材料的基體材料主要是水泥、玻璃等無(wú)機(jī)材料，通過(guò)導(dǎo)電性能變化反應(yīng)材料性能變化。

4.2 形狀自適應(yīng)材料

形狀自適應(yīng)材料以形狀記憶合金（簡(jiǎn)稱(chēng)SMA）為代表，具有極強(qiáng)的恢復(fù)溫度變形能力，可承受較大的彈性形變。SMA材料在土木工程結(jié)構(gòu)上可作為智能抗震體系材料。目前，該材料在我國(guó)土木工程應(yīng)用研究尚處于探索階段。

5 發(fā)展趨勢(shì)

新型材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，首先應(yīng)提高強(qiáng)度、質(zhì)量、安全、耐久性等基本性能，與此同時(shí)，工程材料是否易于施工也是重要的創(chuàng)新形式。在保證建筑材料易于施工、滿(mǎn)足質(zhì)量要求的同時(shí)，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)造價(jià)等因素，迎合市場(chǎng)需要。目前，我國(guó)新型土木工程建筑材料正在向著多功能化、復(fù)合化、智能化、環(huán)?；l(fā)展，發(fā)展前景廣闊。

[1]佘坤如,馮學(xué)軍.土木工程施工過(guò)程中應(yīng)用的新型材料分析[J].建材與裝飾,2016(42).

[2]巴明輝.新型混凝土材料在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用探析[J].四川水泥,2016(10):12.

[3]陳平,林沐青.新型混凝土材料在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用分析[J].綠色環(huán)保建材,2016(8).

[4]顏錄科,寇開(kāi)昌,哈恩華,等.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用研究與進(jìn)展[J].中國(guó)塑料,2004(4):1～5.

[5]刁飛.復(fù)合材料在土木工程方面有進(jìn)展[J].工程技術(shù):引文版,2016(9):20.

[6]薛偉辰,譚園.土木工程自監(jiān)測(cè)纖維復(fù)合材料[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2007(5):53～56.

[7]王學(xué)良,張坤.智能材料在現(xiàn)代土木工程監(jiān)控中的研究進(jìn)展[J].硅谷,2012(14):78～79.

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.004