土木工程的展望

土木工程的展望第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二建筑材料向高性能方向發(fā)展復(fù)合材料智能材料納米材料第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二復(fù)合材料由兩個或多個相組成的混合物。一般至少含有兩個相，分散相和連續(xù)相（也稱基體）。它不僅發(fā)揮了各相的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有各單一相所沒有的某些特性。第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二根據(jù)分散相的幾何形狀可分為三種基本類型顆粒型(粒狀)：混凝土纖維型(纖維狀)：纖維增強(qiáng)塑料層合型(薄片狀)：膠合板第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二天然復(fù)合材料自然界中存在許許多多的天然復(fù)合材料。例如，樹木和竹子是纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動物的骨骼則由無機(jī)磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

人類很早就接觸和使用各種天然復(fù)合材料，并仿效自然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如

陜西半坡人－－草梗合泥筑墻，且延用至今；漆器－－麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年；敦煌壁畫－－泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆。第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

現(xiàn)代復(fù)合材料的制作成功則要從1942年，第二次世界大戰(zhàn)中，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂復(fù)合材料被美國空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開始算起。第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復(fù)合材料是一種新型材料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其成本在逐漸地下降，成型工藝的機(jī)械化、白動化程度也在不斷地提高。團(tuán)此，復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。復(fù)合材料的應(yīng)用第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二硼纖維金屬基復(fù)合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二美國B-2隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二先進(jìn)橡膠輪胎使汽車成為交通主宰賽車上使用的特殊輪胎第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二高分子分離膜已被用來制造高效家庭凈水器第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二人工腎臟第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二生物陶瓷人造關(guān)節(jié)第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二可調(diào)節(jié)的太陽鏡耐高溫纖維制成的消防人員的服裝第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(1)在航空、航天方面的應(yīng)用由于復(fù)合材料的輕質(zhì)高強(qiáng)持性，使其在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)冀蒙皮、機(jī)身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達(dá)罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強(qiáng)筋等主承力構(gòu)件。第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

(2)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用由復(fù)合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的1／4，而且在受到撞擊時復(fù)合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護(hù)人員的安全。第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

用復(fù)合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險杠、引擎罩、儀表盤、驅(qū)動軸、板黃等。隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復(fù)合材料來制造是最好的選擇。復(fù)合材料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(3)在電氣工業(yè)方面的應(yīng)用聚合物基復(fù)合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機(jī)、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機(jī)護(hù)環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

(4)在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用

玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料(玻璃鋼)具有力學(xué)性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾性能好的特點(diǎn)，因此，它是一種理想的建筑材料。在建筑上，玻璃鋼被用作承力結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冷卻塔、水箱、衛(wèi)生潔具、門窗等。第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

(5)在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用

復(fù)合材料在機(jī)械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風(fēng)機(jī)、各種機(jī)械部件如齒輪、皮帶輪和防護(hù)罩等。用復(fù)合材料制造叫片具力制造容易、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片都是由復(fù)合材料制造的。第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(6)在體育用品方面的應(yīng)用

在體育用品方面，復(fù)合材料被用于制造賽車、賽艇、皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭、雪橇等。第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(1)降低成本由于復(fù)合材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，如能降低復(fù)合材料的成本，其應(yīng)用前景將是非常廣闊的。復(fù)合材料今后的發(fā)展方向第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

(2)高性能復(fù)合材料的研制

高性能復(fù)合材料是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性的復(fù)合材料。隨著人類向太空發(fā)展，航空航天工業(yè)對高性能復(fù)合材料的需求量越來越大，而且也會提出更高的性能要求，如更高的強(qiáng)度要求、更高的耐溫要求等。第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(3)功能性復(fù)合材料功能復(fù)合材料是指具有導(dǎo)電、超導(dǎo)、微波、摩擦、吸聲、阻尼、燒蝕等功能的復(fù)合材料。第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(4)智能復(fù)合材料

智能復(fù)合材料是指具有感知、識別及處理能力的復(fù)合材料。在技術(shù)上是通過傳感器、驅(qū)動器、控制器來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的上述能力。例如，當(dāng)用智能復(fù)合材料制造的飛機(jī)部件發(fā)生損傷時，可由埋入的傳感器在線檢測到該損傷，通過控制器決策后，控制埋入的形狀記憶合金動作，在損傷周圍產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而防止損傷的繼續(xù)發(fā)展，大大提高了飛機(jī)的安全性能。第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(5)仿生復(fù)合材料

復(fù)合材料的設(shè)計從常規(guī)設(shè)計向仿生設(shè)計發(fā)展。仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點(diǎn)，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型梯度復(fù)合材料。

仿照鮑魚殼的結(jié)構(gòu)，由碳、鋁和硼混合成陶瓷細(xì)帶制成了10微米厚的薄層，由此得到的層狀復(fù)合材料比其原材料堅(jiān)固40％。第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二(6)環(huán)保型復(fù)合材料從環(huán)境保護(hù)的角度看，目前的復(fù)合材料大多注重材料性能和加工工藝性能，而在回收利用上存在與環(huán)境不相協(xié)調(diào)的問題。因此，開發(fā)、使用與環(huán)境相協(xié)調(diào)的復(fù)合材料，是復(fù)合材料今后的發(fā)展方向之—。第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二智能材料智能材料：“能感知環(huán)境條件，做出相應(yīng)行動”的材料。具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)等功能。疲勞效應(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。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時的“健康”監(jiān)測，并及時進(jìn)行修復(fù)。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)的維修方式？研究和開發(fā)具有主動地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自診斷、自修復(fù)的智能混凝土已成為發(fā)展趨勢。第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二損傷自診斷混凝土自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應(yīng)功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應(yīng)功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二碳纖維智能混凝土

碳纖維混凝土除具有壓敏性，將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的功能。碳纖維混凝土除具有壓敏性外，還具有溫敏性，因此可以實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實(shí)時監(jiān)控；可望用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二光纖傳感智能混凝土在混凝土結(jié)構(gòu)埋入纖維傳感器，探測混凝土在受載過程中內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化，并對由于外力等產(chǎn)生的變形、裂紋及擴(kuò)展等損傷進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大Caleary建設(shè)的一座名為BeddingtonTail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測；美國Winooski的一座水電大壩的振動監(jiān)測；國內(nèi)工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測和蕪湖長江大橋長期監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)等。第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二自調(diào)節(jié)智能混凝土

自調(diào)節(jié)智能混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能?；炷两Y(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外，人們還希望它在受臺風(fēng)、地震等自然災(zāi)害期間，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動，但因混凝土本身是惰性材料，要達(dá)到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動功能的組件材料，如：形狀記憶合金和電流變體等。日本學(xué)者研制的自動調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的混凝土材料自身即可完成對室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需要對其進(jìn)行調(diào)控。第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二自修復(fù)智能混凝土

自愈合混凝土就是模仿生物組織，對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。在日本，以東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的膠囊摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或空心玻璃纖維破裂，粘結(jié)液流出并深人裂縫。粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合。第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二納米材料納米技術(shù)：指納米級尺度（0.1~100nm）的科學(xué)與技術(shù)。(1米＝10億納米)納米材料：在1～100納米尺度范圍內(nèi)的納米顆粒和有納米顆粒組成的薄膜和塊體。納米科技揭示了一個可見的原子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子和分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。

第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二

納米技術(shù)的靈感，來自于物理學(xué)家理查德.范曼1959年所作的一次演講。為什么我們不可以從單個的分子甚至原子開始進(jìn)行組裝，以達(dá)到我們的要求？

1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用；1990年，IBM公司的科學(xué)家成功地對單個的原子進(jìn)行了重排，納米技術(shù)取得一項(xiàng)關(guān)鍵突破。他們使用掃描隧道顯微鏡慢慢地把35個氙原子移動到各自的位置，組成了IBM三個字母。這證明范曼是正確的，二個字母加起來還沒有3個納米長。第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二１９９３年，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“

中國”二字，標(biāo)志著我國開始開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。納米馬桶第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二納米汽車

世界上最小的汽車——真正的“納米車”，直徑只有4納米，還不到人頭發(fā)絲直徑的萬分之一。車輪用巴克球制造，每個巴克球只有60個原子大小。令人贊嘆不已的是，這輛“汽車”不僅有底盤、車軸，甚至還有一套懸掛系統(tǒng)！第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二１９９１年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的１０倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)，諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等；第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二隨著尺寸的減小，一系列的物理現(xiàn)象顯現(xiàn)出來。許多物理性質(zhì)會改變。一個典型的例子是材料的表面體積比。材料在納米尺度下會突然顯現(xiàn)出與它們在宏觀情況下很不相同的特性，這樣可以使一些獨(dú)特的應(yīng)用成為可能。例如，不透明的物質(zhì)變?yōu)橥该鳎ㄣ~）；惰性材料變成催化劑（鉑）；穩(wěn)定的材料變得易燃（鋁）；在室溫下的固體變成液體（金）；絕緣體變成導(dǎo)體（硅）。物質(zhì)在納米尺度的獨(dú)特量子和表面現(xiàn)象造就了納米科技的許多分支。第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二建筑領(lǐng)域

在環(huán)保項(xiàng)目上我們所看到的新的智能材料和納米二氧化鈦粒子混合，應(yīng)用于窗戶自我清潔，建筑物和道路上。（在米蘭，有7000平方米道路應(yīng)用了這些能材料從而減少了減少60%的二氧化氮水平）。還有一些納米物質(zhì)加在了新的施工材料中，從而提高機(jī)械強(qiáng)度，耐久性和絕緣性，同時相對于傳統(tǒng)的材料降低了重量。第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二傳感器系統(tǒng)

一些傳感器系統(tǒng)被應(yīng)用于建筑中,應(yīng)用于測試建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)強(qiáng)度,磨損等。納米技術(shù)也可以幫助提供一個系統(tǒng)范圍內(nèi)查看“建筑物的感覺“的詳細(xì)信息。所有傳感器和監(jiān)測數(shù)據(jù)傳達(dá)到中央節(jié)點(diǎn)處理后付諸實(shí)施。第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二納米家電納米家電，就是采用納米技術(shù)生產(chǎn)出來的家用電器。將納米材料加入飛機(jī)中，可以吸收雷達(dá)波，于是隱性飛機(jī)問世了。用納米材料制成的刀具，比鉆石刀具還硬。將電腦芯片和光盤，加工成納米級，其運(yùn)算速度和記錄密度高于常態(tài)幾個數(shù)量級。目前納米技術(shù)在家電領(lǐng)域還主要用于抗菌、抑菌等“健康”方面。納米洗衣機(jī)防高溫耐磨擦，而且有很強(qiáng)的防垢能力。第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二納米技術(shù)可使人長生不老？“納米蟲”能夠從細(xì)胞及分子的層面讓人體變得更為健康。例如，科學(xué)家曾利用“納米蟲”成功治愈老鼠的糖尿病?？梢岳谩凹{米蟲”發(fā)現(xiàn)血液中的癌細(xì)胞并消滅它們。預(yù)計25年后，科學(xué)家將研制出比第一代“納米蟲”功能強(qiáng)大10億倍的類似裝置，用來進(jìn)一步加快人類壽命增長的速度。屆時，未來人類壽命有望達(dá)到數(shù)百年。第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二世界各國對納米技術(shù)的重視日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新５年科技基本計劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從１９９７年的１．１６億美元增加到２００１年的４．９７億美元。

第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二工程項(xiàng)目向更高、更深、更快的方向發(fā)展

地球上可以居住、生活和耕種的土地和資源是有限的，而人口增長的速度是不斷加快的。因此，人類為了爭取生存，土木工程的未來至少向五個方向發(fā)展。第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二向高空延伸

現(xiàn)在人工建筑物最高的為646m的波蘭Gabin長波臺鋼塔。日本擬在東京建造800.7m高的千年塔，它在距海約1.25英里的大海中，將工作、休閑、娛樂、商業(yè)、購物等融于一體的抗震豎向城市中，居民可達(dá)5萬人。中國擬在上海附近的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。印度也提出將投資50億建造超級摩天大樓，其地上共202層，高達(dá)710m。第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二向海洋發(fā)展

2000年，日本大阪利用圍海建造的1000m長的關(guān)西國際機(jī)場試飛成功。阿聯(lián)酋首都迪拜的七星大酒店也建在海上。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。

第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二向沙漠進(jìn)軍

全世界約有1/3陸地為沙漠，每年約有600萬公頃的耕地被侵蝕，這將影響上億人口的生活。世界未來學(xué)會對下世紀(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。第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二向太空邁進(jìn)

美國政府已決定在月球上建造月球基地，并通過這個基地進(jìn)行登陸火星的行動。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得到較大的發(fā)展。

第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二發(fā)展可持續(xù)性的土木工程必要性

建設(shè)部副部長仇保興指出，中國既有的近400億平方米建筑中，95%以上為高能耗建筑，單位建筑面積能耗為發(fā)達(dá)國家的二至三倍。第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二中國能源的用得起與用不起

煤炭的人均儲量為世界平均水平的1/2，石油則僅為11%，天然氣為4.5%；人均耕地只有世界人均水平的1/3，水資源僅有1/4。而在另一方面，中國的單位建筑面積能耗是發(fā)達(dá)國家的2至3倍以上，中國人每拌和1立方米混凝土，要比發(fā)達(dá)國家的同行多消耗水泥80公斤；中國衛(wèi)生潔具的耗水量比發(fā)達(dá)國家高出30%以上，污水回用率卻又不及人家的25%。第五十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期二建設(shè)目標(biāo)我國將通過5到10