土木工程材料的发展

土木工程材料的发展摘要：这篇文章概要的描述了20世纪末运用在土木工程中建筑材料的一些问题同时展望了建筑材料的未来前景。

对19世纪至20世纪基本建筑材料如钢和混凝土的一些改进做了分析。

它描述了新材料如碳纤维增强复合材料，高强混凝土，高性能混凝土如何为材料的进一步发展创造了可能性。

同时也介绍了现代胶合木结构的新机遇。

指出了玻璃和塑料作为建筑材料运用在土木工程中的一些局限性。

重要词汇：钢，混凝土，高强混凝土，高性能混凝土，碳纤维增强复合材料，高层建筑，水中建筑1.引言土木工程——一门关于各式各样建筑的艺术——早在文明发展的初期就存在于人类的领域中了。

这些建筑除了住宅还有公共建筑，工业建筑，桥梁，高架桥，隧道，公路和火车道，高速公路和飞机场，水库和仓库，水堰，大坝，水中建筑，电视塔，以及大量的构成我们生活环境的其他建筑。

土木工程领域中的人类活动可以追溯到很早以前，当人类观察他周围的自然环境并开始模仿改进它们以创造出更安全更好的生存环境。

此外，比较早之前，他注意到了他的建筑“艺术品”除了具备安全性，耐久性和实用性外还应该具备和谐性美观性。

Socrates曾经发表过相同的观点，他说，人类的一切创造均需要具备实用性，耐久性和美观性。

土木工程千百年的发展进程代表着与可利用材料，距离，高度，活载以及自然力量——水，火，风和地震的不断抗争。

这些元素有些具有重要的意义，其他的一些具有次要的意义。

首先提到的这些，对建筑材料发展的影响扮演着重要的角色。

首先，古代的人类群体使用的是天然材料如石头和木材。

在时间的进程里，他们学会了如何用黏土来做成砖，一种人工石头，即首先先在阳光下晒干然后在烘干。

在主要的文明中心（中东，近东和地中海地区）炎热的气候和短浅的经济思想导致了，在一个短的时间内，木材被淘汰出作为建筑材料的范畴。

这在植被很多的一些中欧和东欧，北欧诸国的和俄罗斯亚洲部分的一些国家并没有发生。

石头和砖块——脆性材料——统治着欧洲文明时期土木工程近几个世纪：从公元前3000年埃及的金字塔到英国的第一次工业发展（18世纪至19世纪）。

它们是竖直的墙体和柱体构件的合适的材料，但同时，因为它们的抗拉强度低，。

因此，在水平构件上引起了一系列的问题。

在古罗马很流行的拱结构，其最初的半圆形的形式，是大跨度结构构件的常用形式。

随着时间的推移，拱结构变得越来越轻巧。

桥台在长度和宽度方向上所能承受的竖直水平荷载变得越来越大。

在早期的中世纪期间，并没有太大的提高。

直到哥特式时代和文艺复兴时期，新的形式和想法才被引进。

但是，这些仍是建立在拱，曲形穹顶的基础上发展起来的形式（如凹圆穹顶，交叉拱，筒形穹顶，枝形穹顶）。

拱从半圆形过度到弧形，最后过渡到椭圆形。

石头或砖式的圆屋顶一般都是从圆形或多边形的方案中选一个。

在巴洛克式，洛可可式和新古典主义建筑中，其基本的建筑形式并无改变而仅仅只是添加了各种各样的装饰和点缀。

真正完整的一次变革是建立在对世界的认知上，其萌芽是在文艺复兴时期和启蒙运动时期，此次，也使土木工程从垂直桥台和拱或双曲线屋顶的圈中释放出来了。

2.钢：19世纪和20世纪的基本建筑材料钢和水泥石两种相近的新建筑材料，它们在18世纪和19世纪被引进。

首先是铸铁，然后原钢和铸钢最后是精炼钢和高强钢被认为是很好的建筑材料。

它们是延性材料，有着很高的抗拉和抗压强度。

这使得钢结构在跨度方向能作为受弯构件，这在几年前是不在考虑范围之内的。

随后产品技术的提高使得获取优质钢成为了可能。

这些进步易通过钢结构桥的发展看出。

尽管进步很大，但钢缆桥和悬索桥的发展似乎已经达到了极限。

横跨墨西拿海峡上的桥证实了在3000米的主跨度上承受的极限荷载主要是两对直径为1.2米的缆绳的自重而不是通过汽车和火车等交通的桥面。

这就是21世纪工程中面临挑战的原因：我们可以用高强钢索来替代普通钢索以达到减轻重量，但它能像普通钢索一样结实么？太空工程的一些成就，运用到土木工程中，对其有一定的帮助。

3.碳纤维增强复合材料：一种未来的建筑材料CFRP(碳纤维增强复合材料)这种材料，现在主要应用于太空，航空技术和专门性的职业运动中。

EMPA——瑞士联邦实验室，与BBR,Stahlton和SIKA公司合作致力于材料试验和研究，正努力地将这种材料向世界的工程推广。

CFRP是由直径为5~10微米的非常细的碳纤维嵌于聚酯树脂里组成的。

商业上碳纤维有着3500~7000Mpa的抗拉强度，弹性模量为230~650Gpa，极限延长长度可达0.6~2.4%的长度。

这种材料首次用在加固是用于建成于1991年的瑞士卢塞恩附近的伊巴赫桥。

薄板状的带条，尺寸50mm×1.75mm或150mm×2.00mm,长5000mm，与混凝土区胶合。

薄板里含有55%的T300的纤维，抗拉强度有1900Mpa,纵向的弹性模量有129Gpa.如今，越来越多的会用这种方法进行加固。

每一条斜拉索，是由241条直径为5mm的CFRP缆线和普通的钢绞线组成的。

这座小桥第一次应用CFRP材料是最好的选择因为这种材料几乎没有热膨胀率。

在将近35m的长度上，钢索并没有因为掺杂了其他材料而引起任何问题。

上面提到的运用在斜拉索中的CFRP缆线的技术指标为：材料的密度为1.56g/m2,含68%的纤维，抗拉强度为3300Mpa,纵向弹性模量为165Gpa,热膨胀率为0.2×10-6 K-1。

从上面的数据可以看出，CFRP材料斜拉索的弹性模量，与有着很大轴向拉伸阻力或者超过其两倍的的高抗拉强度的普通钢绞线相当，同时密度却比其小了5倍。

因此，CFRP是一种未来的材料特别是它的耐久性好，抗疲劳能力强，耐腐蚀性好。

面临的关键问题是找出能使钢索固定在锚具里的方法。

这是由于CFRP的重要机械性能只能在纵向体现的特点引起的。

制定出锚固体系的EMPA实验室通过用锥形截面的填满浇铸材料的锁块解决了此问题，它机械性能的改变方向与锚具的长度方向一致。

CFRP材料在土木工程中无法推广的主要原因是因为碳纤维的价格高，大约每1千克25瑞士法郎（但是，它们比钢轻5.2倍）考虑到工程中材料的利用次数，碳纤维的应用应该会调至一个合理的价格。

最后，涉及到以上提出的问题，CFRP材料斜拉索在将来是否会替代普通钢索运用在悬索桥或是斜拉桥中，这就得引用第五页的数据来分析了。

钢索的弹性模量随着它长度的增加而减小。

当l=0时，E=200Gpa,当l=1000m，E=163Gpa,当l=2000m,E=98Gpa.而对于CFRP材料，对应的弹性模量则为165Gpa,163Gpa和162Gpa。

从这些数据以及以上的材料可以确定，当l>2000时，CFRP材料缆索可能成为未来的用于大跨度结构工程的合适材料。

4.混凝土：20世纪的基本建筑材料第一次工业革命中导致土木工程的发展的另一项“发明”就是水泥。

被称为“波特兰水泥”并在1824年由丁．阿斯普丁取得了专利权。

它被认为是用来生产新型材料——混凝土的一种优秀的水硬性胶凝材料。

这种材料相对便宜并且容易生产。

基于自然界中存在的集合物和水以及上面提到的水泥，可能“铸造”出各种形状的构件和结构。

一时间，混凝土成了20世纪最普及的建筑材料。

这种“人造石”也有着和天然石头一样的缺点：抗拉强度很低而脆性很高。

混凝土的fctm /fcm是1/10（对于天然石头是1/26），但尽管如此混凝土也可以用在受弯构件中。

例如，对拱或拱顶形式，跟砖或石头结构一样，在应用的第一年就占有了统治的地位。

归功于19世纪70年代和90年代Monier和Hennebique的成功尝试使得一种珍贵的建筑材料称为钢筋混凝土被创造出来了。

混凝土构件的受拉区通过加柔性的钢筋条使其强度提高以及各种优质材料的综合运用，使得跨度达30m至40m 的钢筋混凝土弯曲构件出现成为了可能。

对于大跨度结构，其结构自身所能承受的荷载有一个极限，这也使得混凝土的运用有了一个上届。

这种情况类似于高层建筑的上届只能是20层的高度，是因为垂直构件如墙和柱的容许荷载决定的。

混凝土的进一步发展归功于有效力概念的引入。

如预应力结构。

Freyssinet 的理论和实验表明，为了使预应力是有效的，C30~C40的高强混凝土以及强度达1500~2500Mpa的预应力结构钢必须用在结构中。

基于这些假设，Dischinger在1937~1938年间在建造了第一座预应力桥，同时在1938年，Hoyer取得了预应力方法的专利权。

预应力混凝土在土木工程中的引进为建造者们展现了完美的新机遇。

在桥结构和公共建筑上（）涌现出了新的方法和技术（不对称的壳体结构，带状结构），建于1944年挪威的桥就是运用了悬臂的方法。

它的跨度达2600m。

高层建筑运用了C40的混凝土也达到了30层的高度。

尽管有了这些成就，但是由素混凝土做成的结构似乎注定会不幸，因为其耐腐蚀性差以及长期暴露于污染越来越严重的环境中造成的。

这样导致了钢筋的表层碳化，钢筋被腐蚀。

由于不是很密封的覆盖层以及密度相对高的素混凝土，使得预应力钢索被腐蚀。

氯化物（如在交通建筑中）或硫酸盐（如在工业建筑中）的进一步作用导致了混凝土被腐蚀的范围进一步的扩大。

这些作用，特别是对于那些直接暴露在大气中的建筑（如桥，烟囱，水库，冷却塔等），将使它们的使用年限大幅度减少。

它们需要维修养护时间也比计划提早。

这些过程都是金钱和时间的共同损耗。

混凝土桥的预期使用年限在20世纪50年代为100年，在20世纪70年代为75年，而如今只有50年。

这样，在20世纪末，耐久性的问题已经成为素混凝土桥面面临的一大难题。

在20世纪80年代，新一代的混凝土出现在了世界上的几个国家。

高强混凝土（HSC）：强度等级为C60~C90和高性能混凝土（HPC）：强度等级为C90~C150.5.高性能混凝土：未来的建筑材料高强素混凝土（强度等级达C50）到高强混凝土和高性能混凝土的过渡，可能是因为在素混凝土中添加了几种添加剂如硅粉，超塑性材料。

以及大的比表面硅粉，一种硅铁冶炼过程的附属产物，含有98%的纯SiO2积，达25m2/g，将近是波特兰水泥比表面积得80倍。

它有着高强的火山灰性质，能和氢氧化钙水化物组成稳定的硅酸钙水化物。

这种水化物主要出现在水泥砂浆基石和骨料细粒接触的区域，这样，就会使这个区域的强度变高，也会减少气孔数。

而且，这种水化物使得砂浆更加均匀，强度更高。

最后，使得混凝土结构变得非常均质均匀。

氢氧化钙水化物，是波特兰水泥水化作用的产物，是水泥砂浆中最弱的化合物。

它以大晶体的方式存在于骨料细粒的表面，与钙矾石C-A-S-H和水润湿骨料细粒，它在混凝土里形成了一个弱接触区。

为了获得高强度的混凝土，必须用一个较低的水灰比（0.3~0.5）来配制，对于高性能混凝土，水灰比必须控制得比0.3更低。