土木工程材料的發(fā)展趨勢

1、土木工程材料的發(fā)展趨勢土木工程與建筑系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、價格相差懸殊，同時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，對整個土木工程的安全、實(shí)用、美觀、耐久及造價有著重大意義。Page 4土木工程材料的基本要求n 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?。?，以減少下部結(jié)構(gòu)和低級的負(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

2、，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。 向著高空發(fā)展現(xiàn)在人工建筑物最高的為646m的波蘭Gabin227kHz長波臺鋼塔，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

3、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（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際學(xué)術(shù)會議通過了東方宣言，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50100m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水電站。我國城市地下空間的開發(fā)尚處于初級階段，目前已有北京、上

4、海、廣州等六個城市建有地鐵，已開通的總長度達(dá)215公里；設(shè)有140個地鐵站，北京地鐵長度已達(dá)41.6公里。Page 8為了防止機(jī)場噪聲對城市居民的影響，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長的關(guān)西國際機(jī)場（圖33）試飛成功。阿拉伯聯(lián)合酋長國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)店和娛樂場等。近些年來，我國在這方面也已取得可喜的成績，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

5、、拓岸工程和建造人工島有異曲同工之處，為將來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。n 3. 向海洋拓寬向海洋拓寬Page 94. 向沙漠進(jìn)軍n全世界約有全世界約有1/3陸地為沙漠，每年約有陸地為沙漠，每年約有600萬公頃的耕地被侵蝕，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)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。改造沙漠首先必須有水，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然后才能綠化和改造沙土。現(xiàn)

6、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水管道，并在班加西建成了一座直徑1公里、深公里、深16公里的蓄水池用以公里的蓄水池用以沙漠灌溉。在缺乏地下水的沙漠地區(qū)，國際上正在研究開發(fā)使用沙漠沙漠灌溉。在缺乏地下水的沙漠地區(qū)，國際上正在研究開發(fā)使用沙漠地區(qū)太陽能淡化海水的可行方案，該方案一旦實(shí)施，將會啟動近海沙地區(qū)太陽能淡化海水的可行方案，該方案一旦實(shí)施，將會啟動近海沙漠地區(qū)大規(guī)模的建設(shè)工程。我國沙漠輸水工程試驗(yàn)成功，自行修建的漠地區(qū)大規(guī)模的建設(shè)工程。我國沙漠輸水工程試驗(yàn)成功，自行修建的第一條長途沙漠輸水工程已全線建成試水，順利地引黃河水入沙漠。第一條長途沙漠輸水工程已全線

7、建成試水，順利地引黃河水入沙漠。我國首條沙漠高速公路我國首條沙漠高速公路榆靖高速公路已全線動工，其全長榆靖高速公路已全線動工，其全長116公公里。里。Page 105. 向太空邁進(jìn)n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高高溫下，鈦鐵礦與氫化物便合成鐵、鈦、氧和水氣，由此可溫下，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。美國政府已決定在月球以制造出人類生存必需的氧和水。美國政府已決定在月球上建造月球基地（圖上建造月球基地

8、（圖35），并通過這個基地進(jìn)行登陸火星），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的行動。美籍華裔林銅柱博士1985年發(fā)現(xiàn)建造混凝土所年發(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)計配件裝配空間站。預(yù)計21世紀(jì)世紀(jì)50年代以后，空間工業(yè)化、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。大的發(fā)展。21世紀(jì)議程確定了可持續(xù)發(fā)展的方針Page 12 土木工程材料行業(yè)對資源的利用和對環(huán)境的影響都占據(jù)著重要的位置，在產(chǎn)

9、值、能耗、環(huán)保等方面都是國民經(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)展對環(huán)境造成危害，因此“綠色建材”應(yīng)運(yùn)而生。Page 13n又稱生態(tài)建材、環(huán)保建材又稱生態(tài)建材、環(huán)保建材，其含義是指：采用清潔的生產(chǎn)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用工業(yè)或城市固體廢棄物和植物秸稈，所生產(chǎn)的無毒、無污物秸稈，所生產(chǎn)的無毒、無污染、無放射性、有利于環(huán)保和染、無放射性、有利于環(huán)保和人體健康的土木工程材料。發(fā)人體健康的土木工程材料。發(fā)展綠色建材是一項長期的戰(zhàn)略展綠色建材是一項長期的戰(zhàn)略任務(wù)，符合可持續(xù)發(fā)

10、展的戰(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)、方針，既滿足現(xiàn)代人安居樂業(yè)、健康長壽的需要，又不損害后健康長壽的需要，又不損害后代人的更大需求能力和利益。代人的更大需求能力和利益。Page 141.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)；n 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源，并且消

11、除了化工廢石膏對環(huán)境的危害，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；Page 153.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；n 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，將是未來綠色建材的主要發(fā)展方向；Page 165.以來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)，

12、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。Page 17土木工程材料的新型材料碳纖維Page 18 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79倍，抗拉彈性模量為2300043000MPa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)用上正從鋼鐵時代進(jìn)入到一個碳纖維的時代。碳纖維的分類 按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學(xué)性能分為通用型和高性

13、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Page 20碳纖維的生產(chǎn)工藝n 目前，人們還不能直接用碳或石墨來抽成碳目前，人們還不能直接用碳或石墨來抽成碳纖纖 維，只能采用一些含碳的有機(jī)纖維（如尼龍絲維，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、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，在料樹脂結(jié)合在一起，放在稀有

14、氣體的氣氛中，在一定壓強(qiáng)下強(qiáng)熱炭化而成一定壓強(qiáng)下強(qiáng)熱炭化而成Page 21碳纖維的應(yīng)用n 碳纖維成品在土木工程中應(yīng)用主要有纖維布、纖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是碳纖維布(片片)，碳纖維布常用的規(guī)格是，碳纖維布常用的規(guī)格是200g/m2和和300g/m2，厚度分別是，厚度分別是0.111mm和和0.167mm；碳纖維復(fù)合板厚度一般為碳纖維復(fù)合板厚度一般為1.21.4mm，由，由34層層碳纖布經(jīng)過樹脂浸漬固化而成，主要用于梁、板碳纖布經(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，施工的加固，用纖維板加固的結(jié)構(gòu)，外形規(guī)整，施工簡便，但原材單價較高，國內(nèi)使用尚不普及。簡便，但原材單價較高，國內(nèi)使用尚不普及。Page 22如圖 碳纖維Page 23Page 24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