土木工程材料的發(fā)展

PAGE2PAGE5土木工程材料的發(fā)展摘要：這篇文章概要的描述了20世紀(jì)末運(yùn)用在土木工程中建筑材料的一些問(wèn)題同時(shí)展望了建筑材料的未來(lái)前景。對(duì)19世紀(jì)至20世紀(jì)基本建筑材料如鋼和混凝土的一些改進(jìn)做了分析。它描述了新材料如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，高強(qiáng)混凝土，高性能混凝土如何為材料的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了可能性。同時(shí)也介紹了現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)的新機(jī)遇。指出了玻璃和塑料作為建筑材料運(yùn)用在土木工程中的一些局限性。重要詞匯：鋼，混凝土，高強(qiáng)混凝土，高性能混凝土，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，高層建筑，水中建筑1.引言土木工程——一門關(guān)于各式各樣建筑的藝術(shù)——早在文明發(fā)展的初期就存在于人類的領(lǐng)域中了。這些建筑除了住宅還有公共建筑，工業(yè)建筑，橋梁，高架橋，隧道，公路和火車道，高速公路和飛機(jī)場(chǎng)，水庫(kù)和倉(cāng)庫(kù)，水堰，大壩，水中建筑，電視塔，以及大量的構(gòu)成我們生活環(huán)境的其他建筑。土木工程領(lǐng)域中的人類活動(dòng)可以追溯到很早以前，當(dāng)人類觀察他周圍的自然環(huán)境并開(kāi)始模仿改進(jìn)它們以創(chuàng)造出更安全更好的生存環(huán)境。此外，比較早之前，他注意到了他的建筑“藝術(shù)品”除了具備安全性，耐久性和實(shí)用性外還應(yīng)該具備和諧性美觀性。Socrates曾經(jīng)發(fā)表過(guò)相同的觀點(diǎn)，他說(shuō)，人類的一切創(chuàng)造均需要具備實(shí)用性，耐久性和美觀性。土木工程千百年的發(fā)展進(jìn)程代表著與可利用材料，距離，高度，活載以及自然力量——水，火，風(fēng)和地震的不斷抗?fàn)帯＿@些元素有些具有重要的意義，其他的一些具有次要的意義。首先提到的這些，對(duì)建筑材料發(fā)展的影響扮演著重要的角色。首先，古代的人類群體使用的是天然材料如石頭和木材。在時(shí)間的進(jìn)程里，他們學(xué)會(huì)了如何用黏土來(lái)做成磚，一種人工石頭，即首先先在陽(yáng)光下曬干然后在烘干。在主要的文明中心（中東，近東和地中海地區(qū)）炎熱的氣候和短淺的經(jīng)濟(jì)思想導(dǎo)致了，在一個(gè)短的時(shí)間內(nèi)，木材被淘汰出作為建筑材料的范疇。這在植被很多的一些中歐和東歐，北歐諸國(guó)的和俄羅斯亞洲部分的一些國(guó)家并沒(méi)有發(fā)生。石頭和磚塊——脆性材料——統(tǒng)治著歐洲文明時(shí)期土木工程近幾個(gè)世紀(jì)：從公元前3000年埃及的金字塔到英國(guó)的第一次工業(yè)發(fā)展（18世紀(jì)至19世紀(jì)）。它們是豎直的墻體和柱體構(gòu)件的合適的材料，但同時(shí)，因?yàn)樗鼈兊目估瓘?qiáng)度低，。因此，在水平構(gòu)件上引起了一系列的問(wèn)題。在古羅馬很流行的拱結(jié)構(gòu)，其最初的半圓形的形式，是大跨度結(jié)構(gòu)構(gòu)件的常用形式。隨著時(shí)間的推移，拱結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越輕巧。橋臺(tái)在長(zhǎng)度和寬度方向上所能承受的豎直水平荷載變得越來(lái)越大。在早期的中世紀(jì)期間，并沒(méi)有太大的提高。直到哥特式時(shí)代和文藝復(fù)興時(shí)期，新的形式和想法才被引進(jìn)。但是，這些仍是建立在拱，曲形穹頂?shù)幕A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的形式（如凹圓穹頂，交叉拱，筒形穹頂，枝形穹頂）。拱從半圓形過(guò)度到弧形，最后過(guò)渡到橢圓形。石頭或磚式的圓屋頂一般都是從圓形或多邊形的方案中選一個(gè)。在巴洛克式，洛可可式和新古典主義建筑中，其基本的建筑形式并無(wú)改變而僅僅只是添加了各種各樣的裝飾和點(diǎn)綴。真正完整的一次變革是建立在對(duì)世界的認(rèn)知上，其萌芽是在文藝復(fù)興時(shí)期和啟蒙運(yùn)動(dòng)時(shí)期，此次，也使土木工程從垂直橋臺(tái)和拱或雙曲線屋頂?shù)娜χ嗅尫懦鰜?lái)了。2.鋼：19世紀(jì)和20世紀(jì)的基本建筑材料鋼和水泥石兩種相近的新建筑材料，它們?cè)?8世紀(jì)和19世紀(jì)被引進(jìn)。首先是鑄鐵，然后原鋼和鑄鋼最后是精煉鋼和高強(qiáng)鋼被認(rèn)為是很好的建筑材料。它們是延性材料，有著很高的抗拉和抗壓強(qiáng)度。這使得鋼結(jié)構(gòu)在跨度方向能作為受彎構(gòu)件，這在幾年前是不在考慮范圍之內(nèi)的。隨后產(chǎn)品技術(shù)的提高使得獲取優(yōu)質(zhì)鋼成為了可能。這些進(jìn)步易通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)橋的發(fā)展看出。盡管進(jìn)步很大，但鋼纜橋和懸索橋的發(fā)展似乎已經(jīng)達(dá)到了極限。橫跨墨西拿海峽上的橋證實(shí)了在3000米的主跨度上承受的極限荷載主要是兩對(duì)直徑為1.2米的纜繩的自重而不是通過(guò)汽車和火車等交通的橋面。這就是21世紀(jì)工程中面臨挑戰(zhàn)的原因：我們可以用高強(qiáng)鋼索來(lái)替代普通鋼索以達(dá)到減輕重量，但它能像普通鋼索一樣結(jié)實(shí)么？太空工程的一些成就，運(yùn)用到土木工程中，對(duì)其有一定的幫助。3.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：一種未來(lái)的建筑材料盡管有了這些成就，但是由素混凝土做成的結(jié)構(gòu)似乎注定會(huì)不幸，因?yàn)槠淠透g性差以及長(zhǎng)期暴露于污染越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境中造成的。這樣導(dǎo)致了鋼筋的表層碳化，鋼筋被腐蝕。由于不是很密封的覆蓋層以及密度相對(duì)高的素混凝土，使得預(yù)應(yīng)力鋼索被腐蝕。氯化物（如在交通建筑中）或硫酸鹽（如在工業(yè)建筑中）的進(jìn)一步作用導(dǎo)致了混凝土被腐蝕的范圍進(jìn)一步的擴(kuò)大。這些作用，特別是對(duì)于那些直接暴露在大氣中的建筑（如橋，煙囪，水庫(kù)，冷卻塔等），將使它們的使用年限大幅度減少。它們需要維修養(yǎng)護(hù)時(shí)間也比計(jì)劃提早。這些過(guò)程都是金錢和時(shí)間的共同損耗。混凝土橋的預(yù)期使用年限在20世紀(jì)50年代為100年，在20世紀(jì)70年代為75年，而如今只有50年。這樣，在20世紀(jì)末，耐久性的問(wèn)題已經(jīng)成為素混凝土橋面面臨的一大難題。在20世紀(jì)80年代，新一代的混凝土出現(xiàn)在了世界上的幾個(gè)國(guó)家。高強(qiáng)混凝土（HSC）：強(qiáng)度等級(jí)為C60~C90和高性能混凝土（HPC）：強(qiáng)度等級(jí)為C90~C150.5.高性能混凝土：未來(lái)的建筑材料高強(qiáng)素混凝土（強(qiáng)度等級(jí)達(dá)C50）到高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土的過(guò)渡，可能是因?yàn)樵谒鼗炷林刑砑恿藥追N添加劑如硅粉，超塑性材料。硅粉，一種硅鐵冶煉過(guò)程的附屬產(chǎn)物，含有98%的純SiO2以及大的比表面積，達(dá)25m2/g，將近是波特蘭水泥比表面積得80倍。它有著高強(qiáng)的火山灰性質(zhì)，能和氫氧化鈣水化物組成穩(wěn)定的硅酸鈣水化物。這種水化物主要出現(xiàn)在水泥砂漿基石和骨料細(xì)粒接觸的區(qū)域，這樣，就會(huì)使這個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度變高，也會(huì)減少氣孔數(shù)。而且，這種水化物使得砂漿更加均勻，強(qiáng)度更高。最后，使得混凝土結(jié)構(gòu)變得非常均質(zhì)均勻。氫氧化鈣水化物，是波特蘭水泥水化作用的產(chǎn)物，是水泥砂漿中最弱的化合物。它以大晶體的方式存在于骨料細(xì)粒的表面，與鈣礬石C-A-S-H和水潤(rùn)濕骨料細(xì)粒，它在混凝土里形成了一個(gè)弱接觸區(qū)。為了獲得高強(qiáng)度的混凝土，必須用一個(gè)較低的水灰比（0.3~0.5）來(lái)配制，對(duì)于高性能混凝土，水灰比必須控制得比0.3更低。為了達(dá)到混凝土混合物要求的稠度和工作性能，離不開(kāi)同一時(shí)期的超塑性材料。超塑性材料，主要是三聚氰胺和萘或者其混合物，首先作用在水泥砂漿和骨料細(xì)粒的接觸層處形成了所謂的雙滑動(dòng)層。在水泥中加入2%~4%的塑性材料，使得新一代的水泥，HSC和HPC，產(chǎn)生和被引進(jìn)于土木工程中成為了可能。HSC和HPC有以下的特征：(1)壓縮性高（2）脆性高（與其壓縮性相比，抗拉強(qiáng)度很低）（3）孔隙率低，吸水性差（4）由于其高密實(shí)性，耐久性和抗凍性好（4）（與普通混凝土相比）與鋼筋的粘結(jié)度提高了40%（5）（與普通混凝土相比）收縮性和徐變降低了30%，在養(yǎng)護(hù)的第七天就已經(jīng)完成了收縮和徐變的70%（6）由于其高密實(shí)性導(dǎo)致水泥的水化熱增加，降低了其耐火性，這也使得遇到火時(shí)，混凝土硬化過(guò)程中的水不會(huì)流失而轉(zhuǎn)化為高壓蒸汽。以上的數(shù)據(jù)表明了HSC和HPC特別適用于那些受軸向或偏心壓力（如高層建筑的豎直構(gòu)件，海洋平臺(tái)，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)）以及直接暴露于大氣和環(huán)境（如被污染的空氣中，砂，海鹽等）中的結(jié)構(gòu)。它們使得構(gòu)件的橫斷面達(dá)到最小，這樣，就使得建筑的使用空間變大。它們也廣泛用于高層建筑的樓層中，大大減小了其厚度。HSC和HPC在土木工程中的應(yīng)用仍需解決一些問(wèn)題，因此，國(guó)際研討會(huì)每三年在斯塔萬(wàn)格（1987年），伯克利（1990年），利勒哈默爾（1993年），巴黎（1996年）開(kāi)一次會(huì)來(lái)討論這些問(wèn)題。一些國(guó)家已經(jīng)獲得了HSC和HPC用于建筑使用中的許可證（如挪威，芬蘭，美國(guó)，加拿大，日本，德國(guó)，瑞士，荷蘭）。其他的一些國(guó)家也正在制定相關(guān)的文件。受軸向或偏心壓力的這種混凝土梁的承載能力，它的理論假定已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)。為了防止混凝土梁的脆性破壞，要求在橫向配置強(qiáng)度高的箍筋。同樣的，為了防止產(chǎn)生彎曲變形，在高強(qiáng)混凝土梁的受壓區(qū)只能配置等級(jí)高的梁鋼筋?？墒牵梢才c該區(qū)域的脆性破壞有關(guān)系，同時(shí)要求要配置強(qiáng)度高的箍筋。由于開(kāi)裂極限狀態(tài)，在受拉區(qū)配置的鋼筋等級(jí)極少會(huì)增加得很明顯。在受彎構(gòu)件里，(1)對(duì)于C30混凝土和S400鋼筋,ρ=0.22%(2)對(duì)于C60混凝土和S400鋼筋，ρ=0.32%（3）對(duì)于C90混凝土和S400鋼筋，ρ=0.40%預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)橫斷面的抗裂性與系數(shù)k=0.38fck/fctk0.05成比例。（1）對(duì)于C30混凝土，k=6.0（2）對(duì)于C60混凝土，k=8.4（3）對(duì)于C90混凝土，k=10.0通過(guò)上面的詳細(xì)分析可以清楚的看出，在20世紀(jì)末出現(xiàn)的新一代的高質(zhì)量混凝土將最終在土木工程的實(shí)踐中代替普通的素混凝土。同時(shí)提到，由于其水化作用的溫度越來(lái)越高，對(duì)于那些使用這些混凝土的大型結(jié)構(gòu)，它們的強(qiáng)度與在常溫t=20℃的環(huán)境下，經(jīng)過(guò)28天硬化的混凝土相比，低了10%~15%.在評(píng)價(jià)強(qiáng)度時(shí)考慮到這個(gè)因素，用了一個(gè)影響系數(shù)χ進(jìn)行折減：χ=0.95（1-fck/600）.HSC/HPC混凝土的耐火性的提高可以通過(guò)添加聚丙烯纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)。高溫時(shí)，纖維就會(huì)熔化，在混凝土結(jié)構(gòu)中留下類似筒狀的空洞，混凝土硬化時(shí)的水就可以擴(kuò)散到這些空洞處。水汽就可以通過(guò)表面邊緣蒸發(fā)而不用破壞混凝土結(jié)構(gòu)，這樣，就會(huì)減少結(jié)構(gòu)所受的荷載。6．其他一些先進(jìn)的混凝土結(jié)構(gòu)材料主要介紹兩種。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的引進(jìn)了玻璃纖維（GF）碳纖維（CF）和芳綸。這些鋼腱經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男薷?，添加?0%~65%的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，被經(jīng)常用在鋼絲或鋼絲束中。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是重量輕（密度大約比普通鋼絲低5倍），與普通鋼絲比，強(qiáng)度相當(dāng)，彈性模量和延性也較普通鋼絲低。這些鋼腱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線接近直線，最后達(dá)到脆性破壞。纖維混凝土經(jīng)常都是與鋼筋一起使用用在隧道壁的加固，橋或冷卻塔的整修和重建，加固倉(cāng)庫(kù)的受荷大的樓地面。鋼筋混凝土的主要優(yōu)點(diǎn)不僅是抗拉強(qiáng)度是素混凝土的兩倍，而且其塑性也是它的好幾倍。這是通過(guò)斷面能GF或者韌性指數(shù)計(jì)量區(qū)域比值F1/F2得到的。根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)添加纖維Vf=5%時(shí)，其斷裂能達(dá)到207%，當(dāng)Vf=1.0，對(duì)應(yīng)的斷裂能為457%，Vf=1.5，斷裂能為678%。當(dāng)在計(jì)算有效荷載或沖擊荷載時(shí)，這是必須要考慮到的問(wèn)題。為了減少因?yàn)槔w維噴混凝土過(guò)程中的濺出損失，經(jīng)常通過(guò)加硅粉來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，必須提到SIFCON方法，這是由德國(guó)制定出的，用來(lái)修補(bǔ)受破壞的混凝土道路的人行道，飛機(jī)場(chǎng)航線跑道以及建筑的天花板。在這種方法里，低碳鋼鋼筋完全由體積超過(guò)其10%的鋼纖維來(lái)替代。纖維分布在干凈的表面，抹上稀高質(zhì)量水泥砂漿并用浮式振搗器使其固結(jié)。這種材料的抗壓強(qiáng)度大約為90~105Mpa，彎曲抗拉強(qiáng)度為35~45Mpa,它與基礎(chǔ)粘結(jié)得很好，也不用開(kāi)孔隙或破壞已存在的人行道。高質(zhì)量砂漿的組成由：PZ55水泥，1000kg/m3；0.7mm粒徑砂，860kg/m3；水，330kg/m3；超塑性材料，35kg/m3.7.木材的復(fù)興木材經(jīng)常作為建筑的基本材料，但是，考慮到它的極限壽命（15~25年）以及耐水性和耐火性差，木質(zhì)建筑一般都作為臨時(shí)建筑。這也是為什么只有很少的木結(jié)構(gòu)建筑保存下來(lái)的原因。在20世紀(jì)，盡管出現(xiàn)了鋼筋和混凝土這樣有競(jìng)爭(zhēng)性的材料，木材還是在一些發(fā)展國(guó)家（美國(guó)，加拿大，俄羅斯）的建筑中占有一個(gè)比較重要的角色。這可能歸功于木工的進(jìn)步以及后40年技術(shù)的進(jìn)步。技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了（1）木結(jié)構(gòu)的正確保存使得其耐久性與鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)（2）目前木結(jié)構(gòu)的建造幾乎都是通過(guò)工業(yè)的方法生產(chǎn)出構(gòu)件或整個(gè)完整的物體，這大大減少了勞動(dòng)消耗資源。來(lái)自洛桑的Natterer，木結(jié)構(gòu)的偉大擁護(hù)者之一，說(shuō)，如果我們想拯救森林，我們就應(yīng)該用木材來(lái)建造。在大部分的國(guó)家中，森林體系都是病態(tài)的，這些森林中的木材可以用膠粘的方法與膠合板重疊做成梁。這種方法帶來(lái)了很好的效果，材料又相對(duì)便宜經(jīng)濟(jì)。（與混凝土和鋼筋相比）。在現(xiàn)代建筑中，木材用于下列的形式（1）傳統(tǒng)的方法使用了當(dāng)?shù)鼗蜻M(jìn)口的實(shí)心的木材（2）用工業(yè)技術(shù)方法將木材切成薄片疊在一切，這樣就能造出大尺寸或整跨的構(gòu)件。所有的這些進(jìn)步歸功于（1）新工業(yè)技術(shù)的產(chǎn)生，木材的保存和化學(xué)方法改進(jìn)的結(jié)果（2）高強(qiáng)木材的使用（3）新建造方法適應(yīng)了現(xiàn)代技術(shù)。通過(guò)以上的這些描述的這些改進(jìn)，我們可以得到，在21世紀(jì)，這種材料將更容易的適應(yīng)于自然環(huán)境，其工作性能高，自重低，將毫無(wú)疑問(wèn)的作為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充。8．其他建筑材料玻璃和塑料必須不能被忽略。目前，它們都已經(jīng)在用于建筑當(dāng)中了。在波蘭超市，出現(xiàn)了防彈玻璃，多層夾層玻璃。這類型的玻璃有著很高的機(jī)械強(qiáng)度，是普通玻璃的3~6倍。熱阻高且能抵抗溫度的變化（最高達(dá)150K），破裂時(shí)也不會(huì)傷到人。它們可以承受建筑表面的大荷載，用于玻璃屋頂和天窗，遮板和窗戶，意愿，學(xué)校，可以有效的隔絕街上和公路上的噪音。以目前來(lái)說(shuō)，塑料在化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步比其他建筑材料快。因此，可以假定，在近幾年里，以高分子聚合物為基礎(chǔ)的新型材料將成功的替代傳統(tǒng)材料。塑料非常適用于建筑建筑結(jié)構(gòu)中，特別是因?yàn)樗鼈冚p巧的特點(diǎn)（質(zhì)量密度ρ=1000~1400kg/m3）,抗腐蝕性高，光透射比高，具有可染色性，容易制成。它的最大缺點(diǎn)是：彈性系數(shù)很低，流變破壞性高，低熱阻，在UV射線下易老化。普通塑料的抗拉強(qiáng)度為10~80Mpa,但是，加入玻璃纖維卻能使該性能提高到130~600Mpa(沿平行纖維的方向)，塑料的