土木工程材料的基本了解及前景展望

土木工程材料的基本了解及前景展望 05111419

早在数百年前，达芬奇就设计出了包括飞机、坦克在内的多种机械结构，但都因为当时没有符合设计要求的材料而无法制造。可以说，材料是社会文明程度的象征，也是人们生产技术和生活水平提高的一个物质基础。当人类文敏发展面临瓶颈时，新材料的发明就文明的一次突破。

随着人类文明的发展和世界人口的不断增长，导致人类对材料的功能和数量都有更高的要求。尤其在我国，伴随着这几十年的经济增长的还有大量的基础设施建设，对土木工程材料的需求量也达到了惊人的地步，也刺激着整个行业的研究和发展。

土木工程建设是人类对自然、资源、环境影响最大的活动之一，而土木工程材料是土木工程建设的物质基础。土木工程材料与工程的建筑形式、结构构造、施工工艺之间存在着相互促进、相互依存的密切关系，一种新的土木工程材料的出现，必将促进建筑形式的再创新；同时，结构设计和施工工艺也将相应地进行改进和革新。土木工程材料品种繁多而又性能各异，所以土木专业的学生，了解土木工程材料是十分必要的。下面对几种传统土木工程材料和新型材料进行简要的介绍和分析。

传统土木工程材料 1.水泥

水泥作为一种无机胶凝材料，是混凝土重要的原料之一，水泥的性质对混凝土的物理性能和力学性能都有重要影响。水泥以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，然后喂入水泥窑中煅烧成熟料，再将熟料加适量石膏（有时还掺加混合材料或外加剂）磨细而成。

水泥的发明带动了整个建筑行业的发展和革新，使人类能够造出更高更好的建筑，时至今日，水泥在整个建筑领域都占据重要位置。

但是水泥生产的能耗很大，对环境和能源都是严峻的考验。尤其是在目前能源危机和环境问题日益严重的今天，对水泥生产工艺的改革创新对建筑行业的发展具有深远意义。比如，在水泥湿法生产煅烧中，为了降低湿法长窑热耗，窑内装设有各种型式的热交换器，如链条、料浆过滤预热器、金属或陶瓷热交换器；在不影响水泥性能的前提下，可以掺合适量的废弃物已达到节能环保的目的。

2.混凝土

混凝土一般是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水（加或不加外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于土木工程。

混凝土使用方便，热膨胀系数与钢筋相似，易于和钢筋的配合使用、协同工作，使其有良好的可可塑性；价格较低，原材料丰富，抗拉强度大，高强耐久，具有良好的耐久性。但是也存在自重太大，抗拉强度低，容易产生裂缝，养护期长，寒冷地区工期长等缺点。

影响普通混凝土劣化的因素：荷载超载和应力疲劳破坏；环境中的氧气、水、氯离子对混凝土中钢筋的腐蚀；碳化反应的影响；环境温度引起的冻融循环作用；混凝土自身不够密实；

混凝土结构主要包括素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土，具有整体性好，可灌筑成为一个整体；可模性好，可灌筑成各种形状和尺寸的结构；耐久性和耐火性好;工程造价和维护费用低等优点。其中预应力混凝土在原有基础上具有更好的强度，进一步拓宽了混凝土结构的适用范围。例如，预应力混凝土梁的受拉区不易产生裂缝，相应地提高了其耐久性和跨度。

展望：

混凝土可以利用矿渣、粉煤灰等工业废料，节能环保；

由于混凝土的廉价性，可以考虑运用特殊性质的混凝土来制作生产如汽车、家具等产品；

现代混凝土的发展方向应该是商品混凝土，它应包括大流动性混凝土、流态混凝土、泵送混凝土、高强混凝土、大体积混凝土、防渗抗裂混凝土或高性能混凝土等。因此、商品混凝土是现代混凝土与现

代化施工工艺的结合，它的普及程度能代表一个国家或地区的混凝土施工水平和现代化程度。

FRC(fiber

reinforced

concrete)

“The

purpose

of

reinforcement in concrete is to increase the fracture toughness,to improve resistance against crack propagation and to increase the tensile strength”.掺入混凝土中的纤维主要起到桥接裂纹，阻止开裂的作用，从而显著提高

了其抗弯强度和延展性，结构的抗震性和耐久性大大提高。值得注意的是，不是纤维加的越多越好，纤维加的过多会导致混凝土起团，流动性也相应下降，反而降低了混凝土性能。因此，FRC中纤维的量应该控制在一个合适的范围内，一般不要超过3.0%。

3.钢材

钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.04%之间的铁合金的统称,目前钢的冶炼方法主要有氧气转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢三种，其中氧气转炉炼钢为现代炼钢的主要方法。按化学成分分类，钢可分为碳素钢和合金钢，其中碳素钢在建筑工程中应用最多；按冶炼时脱氧程度分类，钢分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢四种。一般来说，脱氧程度越高，钢的质量也就越好，沸腾钢虽然质量较差，但因其成本低、产量高，故常被用于一般建筑工程；按有害杂质含量分类，可分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢四种。

混凝土的抗压强度虽然很高，但其抗拉强度大概只有抗压强度的1/10，只适合做承重构件。而钢材的抗拉和抗压强度相同且很大，适合做多种建筑结构，用途更为广泛。

与其他金属材料相比，钢材具有质量均匀稳定、强度高、塑形韧性好、可焊接和铆接等优异特性，物理力学性能优良，可加工性能好，是最重要的土木工程材料之一。而钢材的主要缺点是在普通环境中容易发生锈蚀，维护费用大，耐火性差和生产耗能大。其中工程中影响最大是钢的锈蚀和耐火性。在一定氧气和水分条件下刚就会发生锈蚀

反应，而且钢材一旦发生锈蚀便会愈演愈烈，不存在自动修复功能，一直到整个钢材全部锈蚀为止。钢的锈蚀会降低包括强度在内的

很多性能，从而影响整个结构的耐久性和功能。耐火性也是钢材的硬伤之一，钢材的刚度和强度会随着温度的增高而降低，当温度达到600度时，钢材的强度接近于0，几乎完全失去作用，这对建筑尤其是高层建筑是十分危险的。

工程的发展需求

工程结构设计建造都与土木工程材料的性质息息相关，就目前整个工程建设的发展来看，有以下几点基本需求：

1.安全性。结构必须具有一定的抵御地震荷载、风荷载和防火的能力，从而保证整个结构的安全。从08年的汶川地震到11年日本的大地震，每一次地震都给人们带来了巨大的经济损失和人员伤亡，工程结构的抗震性能显得愈发重要，因此工程中就抗震性而言对土木工程材料的研究与应用也具有很大发展空间。例如，ECC材料的极限拉应变可达到3.0%~6.0%，高达混凝土的300倍，是抗剪强度高、耐久性高的高延展性材料，运用在工程中具有非常好的抗震效果；1940年11月7日,美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁，这一事故使人类认识到风荷载对建筑的巨大影响。所有建筑的设计和施工都要考虑风荷载的影响，尤其是高层建筑和大跨度建筑，比如目前正在施工的港珠澳大桥为了防止风荷载引起桥梁的共振，采用了一种特殊阻尼橡胶材料，可以有效地减小风荷载的影响；火灾对建筑的影响是巨大的，911事件中被劫客机的撞击并不是大厦倒塌的主要原因，撞击引起的大火使

起支撑作用的钢结构强度退化，最终造成了大厦的倒塌。除了之外，密实混凝土受热时使其中的水分蒸发成气态而产生的压强会造成混凝土的剥落，进而使钢筋暴露在火中。除了开发改性钢筋或新的耐火钢筋替代物之外，在混凝土中加入一定量的引气剂，增大其孔隙率也可提高整体的耐火性。

2.耐久性。指土木工程材料在环境中物理作用（包括环境温度、湿度的交替变化，即冷热、干湿、冻融等循环作用）、化学作用（包括环境中的酸、碱、盐物质的腐蚀，以及日光、紫外线的作用）、机械作用（包括荷载的持续作用，突变荷载引起的疲劳、冲击、磨损、磨耗等）和生物作用（包括菌类、昆虫等的侵害）等多种因素作用下，

能经久不改变其原有性质、长久保持其使用性能的性质。

3.既有工程结构的加固改造。虽说当前阶段我国还在大量地搞基础设施建设，但不可能这样大规模地持续很长时间，整个建筑规模在未来几十年内渐渐下降，不再大量建设新的工程后，对既有工程结构的加固改造就显得异常重要，未来这一领域的发展具有很大前景。目前大多数发达国家都已停止了大规模工程建设，而是转向对既有工程结构的加固改造，在这方面进行研究和发展，并取得了很多成果。

4.建筑产业化。随着经济的发展，造成了建筑材料成本和人力资源成本都大幅度提高，传统粗放的建筑模式已经不能满足实际需求。建筑产业化具体要求就是尽量将建筑构件在专门的工厂内制作完成，直接运输到施工现场进行拼装完成即可。只需少许的人就能完成以上操作，主要依靠机械进行施工，这种模式既能减少对人力资源的要求、

降低能耗和施工噪音，又能通过标准化的设计和制作提升建筑的品质。

参考资料：

《环境材料》——孙胜龙编著化学工业出版社 《复合材料及其应用》——张大厚编著化学工业出版社 《超级工程之港珠澳大桥》——中央电视台纪录片