土木工程材料的發(fā)展趨勢(shì)

土木工程材料的發(fā)展趨勢(shì)土木工程與建筑系

10170101055張小艷

土木工程材料是指土木工程中使用的各種材料及制品，它是土木工程的奠基石。在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中，土木工程占有極為重要的地位。由于組分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的不同，土木工程材料品種繁多、性能各不相同、價(jià)格相差懸殊，同時(shí)在土木工程中用量巨大，因此，正確選擇和合理使用土木工程材料，對(duì)整個(gè)土木工程的安全、實(shí)用、美觀、耐久及造價(jià)有著重大意義。土木工程材料的基本要求必須有的強(qiáng) 度，能夠安全的承受荷載；材料自身的重量以輕為宜（即表觀密度較?。詼p少下部結(jié)構(gòu)和低級(jí)的負(fù)載;具有與使用環(huán)境相適應(yīng)的耐久性，以減少維修費(fèi)用；用于裝飾的材料，應(yīng)能美化建筑，產(chǎn)生一定的藝術(shù)效果；用于特殊部位的材料，應(yīng)具備相應(yīng)的特殊功能，例如屋面材料能隔熱、防水，樓板和內(nèi)墻材料能隔聲。土木工程材料的未來(lái)

球上可以居住、生活和耕種的土地和資源是有限的，而人口增長(zhǎng)的速度是不斷加快的。因此，人類為了爭(zhēng)取生存，土木工程的未來(lái)至少向五個(gè)方向發(fā)展。向著高空發(fā)展

現(xiàn)在人工建筑物最高的為646m的波蘭Gabin227kHz長(zhǎng)波臺(tái)鋼塔，由15根鋼纖繩錨拉。日本擬在東京建造800.7m高的千年塔（圖31），它在距海約1.25英里的大海中，將工作、休閑、娛樂、商業(yè)、購(gòu)物等融于一體的抗震豎向城市中，居民可達(dá)5萬(wàn)人。中國(guó)擬在上海附近的1.6公里寬，200m深的人工島上建造一棟高1250m的仿生大廈，居民可達(dá)10萬(wàn)。印度也提出將投資50億建造超級(jí)摩天大樓（圖32），其地上共202層，高達(dá)710m。2.向地下發(fā)展 1991年在東京召開的城市地下空間國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議通過了《東方宣言》，提出了"21世紀(jì)是人類開發(fā)利用地下空間的世紀(jì)"。建造地下建筑將有效改善城市擁擠、節(jié)能和減少噪聲污染等優(yōu)點(diǎn)。日本于20世紀(jì)50年代末至70年代大規(guī)模開發(fā)利用淺層地下空間，到80年代末已開始研究50～100m深層地下空間的開發(fā)利用問題。日本1993年開建的東京新豐州地下變電所，將深達(dá)地下70m。目前世界上共修建水電站地下廠房約350座，最大的為加拿大的格朗德高級(jí)水電站。我國(guó)城市地下空間的開發(fā)尚處于初級(jí)階段，目前已有北京、上海、廣州等六個(gè)城市建有地鐵，已開通的總長(zhǎng)度達(dá)215公里；設(shè)有140個(gè)地鐵站，北京地鐵長(zhǎng)度已達(dá)41.6公里。 為了防止機(jī)場(chǎng)噪聲對(duì)城市居民的影響，也為了節(jié)約使用陸地，2000年8月4日，日本大阪利用18億立方圍海建造的1000m長(zhǎng)的關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)（圖33）試飛成功。阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)首都迪拜的七星大酒店（圖34）也建在海上，洪都拉斯將建海上城市型游船，該船將長(zhǎng)804.5m，寬228.6m，有28層樓高，船上設(shè)有小型噴氣式飛機(jī)的跑道、醫(yī)院、旅館、超市、飯店、理發(fā)店和娛樂場(chǎng)等。近些年來(lái)，我國(guó)在這方面也已取得可喜的成績(jī)，如上海南匯灘圍墾成功和崇明東灘圍墾成功，最近又在建設(shè)黃浦江外灘的拓岸工程。圍墾、拓岸工程和建造人工島有異曲同工之處，為將來(lái)像上海這樣大的近海城市建造人工島積累了科技經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)備力量。3.向海洋拓寬4.

向沙漠進(jìn)軍 全世界約有1/3陸地為沙漠，每年約有600萬(wàn)公頃的耕地被侵蝕，這將影響上億人口的生活。世界未來(lái)學(xué)會(huì)對(duì)下世紀(jì)初世界十大工程設(shè)想之一是將西亞和非洲的沙漠改造成綠洲。改造沙漠首先必須有水，然后才能綠化和改造沙土?，F(xiàn)在利比亞沙漠地區(qū)已建成一條大型的輸水管道，并在班加西建成了一座直徑1公里、深16公里的蓄水池用以沙漠灌溉。在缺乏地下水的沙漠地區(qū)，國(guó)際上正在研究開發(fā)使用沙漠地區(qū)太陽(yáng)能淡化海水的可行方案，該方案一旦實(shí)施，將會(huì)啟動(dòng)近海沙漠地區(qū)大規(guī)模的建設(shè)工程。我國(guó)沙漠輸水工程試驗(yàn)成功，自行修建的第一條長(zhǎng)途沙漠輸水工程已全線建成試水，順利地引黃河水入沙漠。我國(guó)首條沙漠高速公路——榆靖高速公路已全線動(dòng)工，其全長(zhǎng)116公里。5.向太空邁進(jìn)

由于近代天文學(xué)宇航事業(yè)的飛速發(fā)展和人類登月的成功實(shí)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)月球上擁有大量的鈦鐵礦，在800℃高溫下，鈦鐵礦與氫化物便合成鐵、鈦、氧和水氣，由此可以制造出人類生存必需的氧和水。美國(guó)政府已決定在月球上建造月球基地（圖35），并通過這個(gè)基地進(jìn)行登陸火星的行動(dòng)。美籍華裔林銅柱博士1985年發(fā)現(xiàn)建造混凝土所需的材料月球上都有，因此可以在月球上制作鋼筋混凝土配件裝配空間站。預(yù)計(jì)21世紀(jì)50年代以后，空間工業(yè)化、空間商業(yè)化、空間旅游、外層空間人類化等可能會(huì)得到較大的發(fā)展。

21世紀(jì)議程確定了可持續(xù)發(fā)展的方針

土木工程材料行業(yè)對(duì)資源的利用和對(duì)環(huán)境的影響都占據(jù)著重要的位置，在產(chǎn)值、能耗、環(huán)保等方面都是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的大戶，為了保證源源不斷地為工程建設(shè)提供質(zhì)量可靠的材料，避免新型材料的生產(chǎn)和發(fā)展對(duì)環(huán)境造成危害，

因此“綠色建材”應(yīng)運(yùn)而生。綠色建材

又稱生態(tài)建材、環(huán)保建材，其含義是指：采用清潔的生產(chǎn)技術(shù)，少用天然資源，大量使用工業(yè)或城市固體廢棄物和植物秸稈，所生產(chǎn)的無(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)放射性、有利于環(huán)保和人體健康的土木工程材料。發(fā)展綠色建材是一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，既滿足現(xiàn)代人安居樂業(yè)、健康長(zhǎng)壽的需要，又不損害后代人的更大需求能力和利益。1.利用廢渣類物質(zhì)為原料生產(chǎn)的建材，這類建材以廢渣為原料生產(chǎn)磚、砌塊、材板及膠凝材料，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能利廢，但仍需依靠科技進(jìn)步，繼續(xù)研究和開發(fā)更為成熟的生產(chǎn)技術(shù)，使這類產(chǎn)品無(wú)論是成本上，還是性能方面真正能達(dá)到綠色建材標(biāo)準(zhǔn)；2.利用化學(xué)石膏生產(chǎn)的建材產(chǎn)品，用工業(yè)廢石膏代替天然石膏，利用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)可生產(chǎn)各種土木建筑材料產(chǎn)品。這些產(chǎn)品具有石膏的許多優(yōu)良性能，開辟石膏建材的新來(lái)源，并且消除了化工廢石膏對(duì)環(huán)境的危害，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；3.以廢棄的有機(jī)物生產(chǎn)的建材產(chǎn)品，以廢塑料、廢橡膠及廢瀝青等可生產(chǎn)多種土木工程材料，如防水材料、保溫材料、道路工程材料及其他室外工程材料。這些材料消除了有機(jī)物對(duì)環(huán)境的污染，還節(jié)約了石油等資源，符合在資源可持續(xù)發(fā)展方面的基本要求；4.各種代木材料，用其他廢料制造的代木材料在生產(chǎn)使用中不會(huì)有害人的身體健康，利用高興技術(shù)使其成本和能耗降低，將是未來(lái)綠色建材的主要發(fā)展方向；5.以來(lái)源廣泛的地方材料為原料，利用高科技生產(chǎn)的低成本健康建材，不同的地區(qū)都可能有來(lái)源豐富、不同種類的地方材料，根據(jù)這些地方的性質(zhì)和特點(diǎn)，利用現(xiàn)代技術(shù)，可生產(chǎn)各種性能的健康材料。如某些人造石材、水性涂料、某些復(fù)合性材料也是綠色建材的發(fā)展方向。土木工程材料的新型材料碳纖維

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在

3500MPa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000MPa亦高于鋼。由于它強(qiáng)度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料.不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)碳纖維的時(shí)代。碳纖維的分類按狀態(tài)分為長(zhǎng)絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450GPa的稱為超高模型碳纖維的生產(chǎn)工藝目前，人們還不能直接用碳或石墨來(lái)抽成碳纖維，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）做原料，將有機(jī)纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起，放在稀有氣體的氣氛中，在一定壓強(qiáng)下強(qiáng)熱炭化而成碳纖維的應(yīng)用碳纖維成品在土木工程中應(yīng)用主要有纖維布、纖維板、棒材、型材、短纖維等，各有不同的使用范圍，而當(dāng)前加固工程中用量最大和最普遍的還是碳纖維布(片)，碳纖維布常用的規(guī)格是200g/m2和300g/m2，厚度分別是0.111mm和0.167mm；碳纖維復(fù)合板厚度一般為1.2~1.4mm，由3~4層碳纖布經(jīng)過樹脂浸漬固化而成，主要用于梁、板的加固，用纖維板加固的結(jié)構(gòu)，外形規(guī)整，施工簡(jiǎn)便，但原材單價(jià)較高，國(guó)內(nèi)使用尚不普及。如圖碳纖維 今后土木工程材料必將需要在原材料方面最大限度的節(jié)約有限資源，充分利用可再生資源技工農(nóng)業(yè)廢料；在生產(chǎn)工藝上要大力引進(jìn)現(xiàn)代技術(shù)，改造或淘汰陳舊設(shè)備，降低原材料及能源消耗，減少環(huán)境污染；在性能方面要力求輕質(zhì)高強(qiáng)耐久多功能及結(jié)構(gòu)功能智能一