梯度混凝土的研究進展

彭家成

（西京學院工程技術系 陜西 西安 710123）

0 引言

功能梯度材料 （Functionally Gradient Materials，FGM）是根據具體的使用要求，選擇兩種或兩種以上具有不同性能的材料，采用先進的材料復合技術，通過連續改變這些材料的組成和結構，使其內部界面減小直至消失，從而使材料成為性質和功能均呈連續平穩變化的一種非均質復合材料[1]，它是由日本學者新野正之等人為實現航天設備在巨大溫差作用下取得熱應力緩和效果而提出的[2]。 其特點主要表現在其性能和結構的可設計性和控制性， 進而實現對材料的強度、韌性、剛度、熱學和電學特性的人為設計和控制，能夠適應不同場合下的應用[3-4]。 此概念提出以后，得到世界各國學者的廣泛關注和研究，目前的研究主要體現在陶瓷、金屬等材料領域，但在建筑材料方面報導較少。

水泥是世界上用量最大的建筑材料之一，目前還未找到一種可以替代的材料。 但由于水泥混凝土本身也存在缺陷，如抗拉強度小、抗裂能力低、自重大、體積穩定性差等，使得其在應用方面有一定的限制。 特別是在高層建筑、大跨度結構、高壓地下水及高溫環境中，水泥基混凝土的性能日益表現出不適應性，因此其應用領域還需進一步拓寬[5]。 把梯度的概念引入到水泥混凝土中，通過組分的變化來改善其性能并能夠適用于比較復雜特殊的工程環境中是很多混凝土材料工作者不斷追求和探索的目標。 本論文從國內關于梯度混凝土近幾年的研究發展現狀進行了簡要介紹，并對該種材料的的應用前景作了初步探討。

2 研究進展

2.1 高性能、高耐久性混凝土混凝土

21 世紀中國的地下工程建設已經進入了一個高速發展時期，混凝土作為地下工程中最大宗的結構材料往往要受到各種破壞因素的相互作用， 比如空氣環境和土壤環境的侵蝕，特別是地下水環境中存在大量的鹽類物質，導致混凝土造成嚴重侵蝕破壞。 因此，要求地下工程的混凝土必須具有較高的力學性能、較好的抗滲性能和抗侵蝕性能，才能保證混凝土的耐久性[6-7]。

普通鋼筋混凝土應用于地下工程時， 特別是在高壓水、侵蝕水的作用下，耐久性問題必然成為一大技術難題。 因此南昌大學王信剛等人[8]在地下混凝土結構設計中引入功能梯度設計的思路，將地下工程混凝土的功能設計與結構設計結合起來，自水土壓力方向可依次設置高致密防水層、鋼筋混凝土保護層、高強結構層等幾個功能層，制取一定尺寸的試件， 利用NEL-PD 型混凝土滲透性檢測系統采用快速Cl-擴散測試法[9]測試水泥混凝土的Cl-擴散系數DNEL；并采用電子顯微鏡觀測Cl-在滲透過程中混凝土不同組成材料界面之間的微觀結構，從本質上分析抗滲性較傳統混凝土明顯提高的原因；通過試驗表明，與單層混凝土設計相比而言，梯度混凝土可顯著改善抗滲和抗侵蝕能力，特別是抗離子（如Cl-）的滲透能力[10]。

針對武漢長江隧道工程混凝土面臨的高壓富水環境，武漢理工大學高英力等人[11]建立了梯度混凝土管片（FGCS）結構體系，對盾構隧道襯砌管片進行分層設計，沿著水土壓力方向，各層依次為高抗滲保護層（無細觀界面過渡區水泥基材料，MIF）、結構層、防火防爆層，各層材料組成均不相同，采用多層澆筑的工藝，在界面處采用特殊的處理技術，使性能在厚度方向上均勻過度， 保證整個結構的完整性和穩定性，考慮到MIF 采用較小的水膠比，為了有效防止由于保護層與結構層材料在收縮變形上的非一致性導致界面處產生相對滑移而開裂，在MIF 中摻入減縮抗裂組分來達到減小收縮變形及改善抗裂性能的目的。 按照上述方法制取試件， 采用NEL 法進行測試， 通過測定氯離子的擴散系數來定量評價MIF 的滲透性能，測試結果可知，高抗滲保護層氯離子擴散系數相比普通混凝土減小一個數量級，抗滲性大大增強，使用壽命延長10 倍以上， 主要原因在于混凝土界面過渡區的性能得到改善。 并對MIF 及結構層混凝土分別進行了抗壓、抗折、劈裂強度及彈性模量的測試，由于微觀結構的界面強化，使得材料結構更加密實， 因此其力學性能也得到很大提升。除此之外，筆者還通過測定結構層混凝土的耐火極限測試了混凝土材料的耐火性能，證明了所采用的功能材料防火抗暴涂層可有效提升混凝土管片內襯層的防火抗暴性能；通過對各功能層進行酸性氣體SO2侵蝕的加速試驗，結果表明保護層MIF 和結構層的耐酸侵蝕能力較普通混凝土有了較大增長，28d 均未出現腐蝕。

鄭州大學楊久俊等人[12]也制作了3 層梯度結構試件，研究了界面區組分的梯度分布對水泥基材料層狀結構力學性能的影響，并討論了界面區組分梯度變化所表現的界面應力行為，結果顯示，梯度分布可以有效緩解界面處的殘余應力，從而改善了結構整體的力學行為。

2.2 纖維混凝土混凝土

水泥基材料作為世界上原料最豐富的建筑材料，其力學性能也一直備受關注。 由于其本身存在抗裂性差的缺陷，可以加入一些纖維增強材料來改善其力學性能，使其能得到更加廣泛的應用，但是這些增強材料以何種形式分布其中才能達到最佳增強效果是廣大工作者研究的重要課題。

鋼纖維混凝土目前已受到廣大研究者和工程技術人員的廣泛關注，主要是由于具有良好的力學和變形性能，但是到目前為止關于鋼纖維混凝土的研究中鋼纖維在混凝土中的分布都是均勻的。 鄭州大學的趙軍[13]應用大型有限元分析軟件，建立了素混凝土、鋼纖維均勻分布混凝土、鋼纖維按應力狀態梯度分布和鋼纖維線性梯度分布四種不同的模型，對四種混凝土梁的抗折強度進行了數值模擬表明，鋼纖維梯度分布混凝土的抗拉強度和極限應變顯著提高，構件的抗折強度也大大提高，剛度較大，撓度較小，極限荷載時的變形性能較好，主要由于鋼纖維線性梯度分布時，靠近拉應力較大的部位鋼纖維分布較多，而鋼纖維能夠起到很好的提高抗拉強度和變形性能的作用，鋼纖維梯度分布時對抗彎強度的增強效果是最好的。

玻璃纖維也是一種常見的纖維材料，同濟大學海然[14]按照使用環境的要求， 在混凝土中摻入一定量的玻璃纖維，并使玻璃纖維呈梯度分布，探索了梯度結構對水泥基混凝土的抗折強度、抗壓強度、應力應變的關系等力學性能的影響。 試驗采用三組試件，第一組為未摻纖維的普通混凝土，第二組為纖維均勻分布試件，第三組為纖維總量與第二組相同且呈梯度分布的試件，通過測定抗壓和抗彎強度，纖維梯度分布增大了試件最大荷載點及塑性變形，且對抗彎強度的提高最明顯，有效地改善了混凝土的力學性能。

3 應用前景

綜上所述， 結合梯度混凝土的優越性， 由于梯度結構設計使得混凝土本身的力學性能、抗滲性、耐火性及耐腐蝕性都有所改善，梯度混凝土可以作為地下工程結構混凝土和高抗滲性混凝土、隧道工程襯砌層混凝土管片、大跨度結構和高溫環境中等。 但目前對于梯度混凝土的研究都局限在理論和試驗研究階段，由于一般實際工程中應用的混凝土量非常大，特別是由于混凝土是由多相復雜材料組成，如何采用先進的制備技術和界面處理技術是衡量梯度混凝土性能的關鍵之處。 受到上述限制，導致梯度混凝土在實際應用中較少，在大跨度結構中是否可以完全取代鋼筋混凝土或預應力混凝土，高溫環境中能否得到廣泛應用等問題，都將成為今后混凝土材料研究中的一個熱點課題。

［1］ 王豫. 姚凱倫. 功能梯度材料研究的現狀與將來發展[J]. 物理,2000,29（4）:206-211.

［2］Niino M, Hirai T, Watanabe R J Japan. Soc Compos Mater.1987（13）:257-264.

［3］袁秦魯,胡銳,李金山,等.梯度復合材料制備技術研究進展[J].兵器材料科學與工程,2003,26（6）:66-69

［4］Kawasaki Akira, Watanabe Ryuzo. Concept and P/M fabrication functionally gradient mater-ials [J]. Ceramic International, 1997, 23（1）:73-83.

［5］楊久俊,賈曉林,管宗甫,等.水泥基梯度復合功能材料物理力學性能的初步研究[J].新型建筑材料,2001（11）:1-2.

［6］ALMUSALLAM A A, KHAN F M, DULAIJAN S U, et al. Effectiveness of surface coatings in improving concrete durability[J]. Cement and Concrete Composites, 2003, 25（4/5）: 473-481.

［7］楊林德,黃慷.水底隧道管片構件耐久性失效風險研究[J].地下空間,2004,24（1）:1-4.

［8］王信剛,馬保國.地下工程混凝土的梯度功能設計與性能研究[J].中國礦業大學學報,2008,37（3）:354-359.

［9］LU Xin-ying. Application of the Nernst-Einst equation to concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1997, 27（2）: 293-302.

［10］王信剛,王睿,宋固全.一種超高耐久混凝土:梯度結構混凝土[J].南昌大學學報:理科版,2009,33（1）:98-102.

［11］高英力,馬保國,王信剛,等.盾構隧道功能梯度混凝土管片的研發及性能研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26（11）:2341-2347.

［12］楊久俊,海然,吳科如.界面區組分對層狀水泥基材料力學行為的影響[J].建筑材料學報,2004,7（3）:323-327.

［13］趙軍,李曉龍,楊久俊,纖維梯度分布混凝土的抗彎性能[J].河南科學,2006,24（1）:100-102.

［14］海然,楊久俊,吳科如.玻璃纖維梯度分布對水泥基材料力學性能的影響[J].新型建筑材料,2005（6）:12-14.