新型土木工程材料淺析

趙冬敏

（伊春市住房公積金管理中心，黑龍江 伊春 152500）

土木工程材料是指在土木工程中所使用的各種材料及其制品的總稱。它是一切建筑工程的物質(zhì)基礎(chǔ)，是組成建筑結(jié)構(gòu)物的最基本構(gòu)成元素。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得土木工程的新型材料如雨后春筍般出現(xiàn)，表現(xiàn)出節(jié)能、高效、環(huán)保等特點(diǎn)，并呈現(xiàn)種類繁多，性質(zhì)各異，用途不同的特性。

1 高性能混凝土(HPC)

HPC要求具有高耐久性和高強(qiáng)度、優(yōu)良的工作性，首先體現(xiàn)在較高的早期強(qiáng)度、高驗(yàn)收強(qiáng)度、高彈性模量;其次是高耐久性。可保護(hù)鋼筋不被銹蝕，在其他惡劣條件下使用，同樣可保持混凝土堅(jiān)固耐久；最后是高的和易性、可泵性、易修整性。可配制大坍落度的流態(tài)混凝土，而不發(fā)生離析；可降低泵送壓力，修整容易。冬天澆筑時(shí)，混凝土凝結(jié)時(shí)間正常，強(qiáng)度增長快于普通混凝土，低溫環(huán)境下不冰凍，高溫環(huán)境下澆筑混凝土保持正常的坍落度，并可控制水化熱。

1.1 低強(qiáng)混凝土

這種材料可用于基礎(chǔ)、樁基的填、墊、隔離及作路基或填充孔洞之用,也可用于地下構(gòu)造。在一些特定情況下,可用低強(qiáng)混凝土調(diào)整混凝土的相對密度、工作度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性能指標(biāo),而且不易產(chǎn)生收縮裂縫。

1.2 輕質(zhì)混凝土

利用天然輕骨料(如浮石、凝灰?guī)r等)、工業(yè)廢料輕骨料(如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等)、人造輕骨料(頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等)制成的輕質(zhì)混凝土具有密度較小、相對強(qiáng)度高以及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)。利用工業(yè)廢渣,如廢棄鍋爐煤渣、煤礦的煤矸石、火力發(fā)電站的粉煤灰等制備輕質(zhì)混凝土,可降低混凝土的生產(chǎn)成本,并變廢為寶,減少城市或廠區(qū)的污染,減少堆積廢料占用的土地,對環(huán)境保護(hù)也是有利的。

1.3 自密實(shí)混凝土

自密實(shí)混凝土不需機(jī)械振搗,而是依靠自重使混凝土密實(shí)。該種混凝土的流動(dòng)度雖然高,但仍可以防止離析。配制這種混凝土的方法有:(1)粗骨料的體積為固體混凝土體積的50%;(2)細(xì)骨料的體積為砂漿體積的40%;(3)水灰比為0.9-1.0;(4)進(jìn)行流動(dòng)性試驗(yàn),確定超塑化劑用量及最終的水灰比,使材料獲得最優(yōu)的組成。

這種混凝土的優(yōu)點(diǎn)有:現(xiàn)場施工無振動(dòng)噪音,可進(jìn)行夜間施工,不擾民;對工人健康無害;混凝土質(zhì)量均勻、耐久;鋼筋布置較密或構(gòu)件體型復(fù)雜時(shí)也易于澆筑;施工速度快,現(xiàn)場勞動(dòng)量小。

2 高摻量粉煤灰混凝土

隨著人們對粉煤灰的顆粒形態(tài)效應(yīng)、火山灰活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)等內(nèi)在潛能的認(rèn)識(shí)日漸深入，以及混凝土外加劑技術(shù)的迅速發(fā)展，粉煤灰成為繼外加劑之后混凝土的又一必需組分的觀點(diǎn)正在被越來越多的人接受.粉煤灰的摻量也有不斷增大的趨勢。在混凝土技術(shù)方面較先進(jìn)的美、英、加等國，自20世紀(jì)80年代中期就開始了高摻量粉煤灰混凝土 (粉煤灰摻量占總膠凝材料用量的55%以上)的研究與應(yīng)用。

大量使用粉煤灰的重要意義并不僅在于節(jié)約有限的工程材料費(fèi)，還在于它的環(huán)境效益與社會(huì)效益.水泥是一種高能耗與高環(huán)境污染產(chǎn)品，盡可能地少用水泥，盡可能地多用各種工業(yè)廢渣，是使混凝土成為一種人類可持續(xù)發(fā)展材料的必然趨勢。在環(huán)保要求特別嚴(yán)格的西方工業(yè)國家，尤其重視各種工業(yè)廢料的二次開發(fā)與充分利用。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人民生活水平的迅速提高，環(huán)境與社會(huì)效益將日益受到重視，工業(yè)廢渣的充分開發(fā)利用將成為必然的選擇。

3 新型節(jié)能墻體材料

3.1 新型砌體材料

采用砌筑結(jié)構(gòu)的墻體，通常依靠選用導(dǎo)熱系數(shù)小、保溫隔熱性能好的砌體材料，以此來達(dá)到墻體傳熱量小的目的。這類材料主要有空心鉆土磚、加氣混凝土砌塊、普通混凝土以及粉煤灰、煤研石、浮石等混凝土空心小砌塊等砌體材料，采用保溫砂漿作為砌體膠凝材料。

近年來發(fā)展應(yīng)用由保溫絕熱材料與傳統(tǒng)的墻體材料(例如實(shí)心黏土磚、混凝土等)或新型墻體材料〔例如空心磚、空心砌塊等)復(fù)合而成的節(jié)能墻體。常用的絕熱材料有礦物棉、玻璃棉、泡沫塑料、膨脹珍珠巖、加氣混凝土等材料，與之復(fù)合的有黏土實(shí)心磚、混凝土類空心磚、空心砌塊等砌體材料.復(fù)合墻體有一層導(dǎo)熱系數(shù)很小的絕熱保溫材料，墻體的保溫隔熱性能比單一材料砌筑的墻體更加優(yōu)秀，節(jié)能效果更加顯著。但是，絕熱材料價(jià)格較高，同時(shí)需要與之相配套的建筑主體結(jié)構(gòu)形式，最好采用框架結(jié)構(gòu)、墻體不承重的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 新型復(fù)合墻板

新型節(jié)能復(fù)合墻板是由高效絕熱保溫材料、外墻板、內(nèi)墻板復(fù)合而成，按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸或模數(shù)在工廠實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，包括門、窗等構(gòu)件均可和墻板一體化制造，運(yùn)送到施工現(xiàn)場安裝在結(jié)構(gòu)框架上，即形成房屋建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這是近年來發(fā)達(dá)國家采取的主要建筑形式。用于這種建筑物的復(fù)合墻板不承受外力，厚度一般在100～150mm，質(zhì)量輕，保溫性能好，尺寸精確，施工效率高。

4 FRP復(fù)合材料

土木結(jié)構(gòu)主要受兩大問題困擾，過早退化和結(jié)構(gòu)功能不足。近些年來，纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)已經(jīng)成為解決這些結(jié)構(gòu)問題的一種可行途徑。工程實(shí)踐表明，F(xiàn)RP復(fù)合材料能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、高強(qiáng)和輕質(zhì)發(fā)展以及承受惡劣條件的需要，符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求，因而正被越來越廣泛地應(yīng)用于橋梁、各類民用建筑、海洋和近海、地下工程等結(jié)構(gòu)。應(yīng)用的方式有兩種一是替換鋼筋或鋼管直接應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)中;二是用于舊有結(jié)構(gòu)的維修加固，以取得良好的建筑效果。

5 智能材料

大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的使用期都長達(dá)幾十年、甚至上百年。在其使用過程中，由于環(huán)境載荷作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，甚至導(dǎo)致突發(fā)事故.為了有效地避免突發(fā)事件故的發(fā)生，就必須加強(qiáng)對此類結(jié)構(gòu)和設(shè)施的健康監(jiān)測。一種稱為碳纖維機(jī)敏混凝土材料的智能材料，在大型土木工程健康監(jiān)測中已得到應(yīng)用。它是以短切或連續(xù)的碳纖維作為填充相，以水泥漿、砂漿或混凝土為基體復(fù)合而成的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。此類材料的電阻率與其應(yīng)變和損傷狀況具有一定的對應(yīng)關(guān)系，因此，可以通過測試其電阻率的變化來監(jiān)測碳纖維混凝土的應(yīng)變和損傷狀況。碳纖維混凝土還具有施工工藝簡單、力學(xué)性能優(yōu)良、與混凝土結(jié)構(gòu)相容性好等特性，因此，它不僅可以用于道路的交通車輛流和載重監(jiān)控，而且可較好地滿足大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測技術(shù)的要求。此外，碳纖維混凝土的電熱效應(yīng)和電磁屏蔽特性在混凝土結(jié)構(gòu)的溫度自適應(yīng)以及抗電磁干擾方面也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)束語

納米材料由于超微的粒徑而具有常規(guī)物體所不具有的超高強(qiáng)、超塑性和一些特殊的電學(xué)性能。納米材料被應(yīng)用于很多領(lǐng)域并取得了顯著的增強(qiáng)、增韌及智能化等效果。混凝土作為一種傳統(tǒng)材料，其性能越來越不能滿足社會(huì)發(fā)展對其提出的更高要求，智能混凝土已經(jīng)成為一個(gè)新的發(fā)展方向。納米材料還賦予混凝土智能特性，水泥基納米復(fù)合材料其電阻率隨應(yīng)變而線性變化，并且具有很高的靈敏度和重復(fù)性。水泥基納米復(fù)合材料作為一種本征智能材料強(qiáng)度高，傳感性好，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]張正雄.土木工程材料[M].人民交通出版社，2008.

[2]王海波.土木工程材料[M].江西科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[3]李毅.土木工程概論[M].華中科技大學(xué)出版社，2008.