新型结构材料的发展与应用

新型结构材料的发展与应用

机电工程专业 11数控3+2班姓名：赵旭东学号：48

摘要：本文主要介绍了新型结构材料的发展与应用。涵盖了四大系列结构材料，即绿色高性能与超高性能混凝土材料、环保型高性能与超高性能纤维增强水泥基复合材料的制备新技术、关键技术性能的形成机理及与矿物掺合料有关的收缩、徐变和疲劳方程和相应的机理模型。论述了充分和有效利用工业废渣取代水泥熟料提高结构混凝土耐久性和服役寿命是节能、节资、提高材料性能和保护生态环境的重要举措。本文还介绍了结构材料研究的新方向，即各系列智能混凝土材料和结构用FRP筋材、修补与加固材料，揭示了其技术与性能优势，提出了深化研究的核心问题。为适应和推进我国空前规模的基础工程建设和城市化推进，以此为巨大推动力，在我国发展更高层次的高性能、低收缩、低徐变、高抗裂、高耐久性、长寿命和智能化结构材料，并建立新的理论体系。

关键词：环保型，高与超性能混凝土材料，纤维增强水泥基复合材料，智能混凝土材料，纤维增强树脂基材料，关键技术性能，工业废渣。

前言：土木工程结构材料的发展与应用起始于水泥问世以后，迄今已有160多年的悠久历史。发展至今，混凝土材料已是世界上研究最多、应用极广，其他材料所不能替代的主要土木工程结构材料之一。特别是随着材料科学与应用技术的不断发展与进步，高科技和重大工程的巨大推动力，混凝土材料的绿色化、复合化、智能化程度也逐年提升，特别是矿物掺和料、化学外加剂、各种纤维及其多元复合技术的有效和高校利用、混凝土科学与基本理论的不断发展，大大促进了混凝土材料组成与结构的优化，从本质上改变了混凝土材料结构形成与损伤劣化的规律与特点。通过多元复合技术，诸组分间扬其长、避其短、优势叠加与成分互补，从而使结构混凝土材料的关键技术性能不断得到相应提升。特别在我国重大基础工程、桥梁、铁道、港口、码头、机场、水电大坝、隧道、涵洞、国防防护、治山治水、治海治沙、南水北调、西气东输等重要和重大、大型和特大型工程的全面兴建，无一不与结构材料息息相关，不仅推动了结构材料用量巨幅提升，而且对材料性能的要求也越来越高，并各具特色，是结构材料发展的巨大推动力。总结发达国家基础工程过早失效造成巨大经济损失的教训，当今世界上混凝土科学与工程界对混凝土结构的耐久性和服役寿命给予了极大关注，从而对与混凝土耐久性和服役寿命密切相关的关键技术性能(如：各种收缩性能、开裂陛能、长期徐变变形性能、动载作用下的疲劳性能及其控制和抑制开裂的各种技术)进行了全面研究，揭示了不同类型和不同掺量的工业废渣对关键技术性能的影响规律和影响机理。在大量科学研究和工程实践中人们充分认识到钢筋混凝土结构耐久性的优与劣、钢筋锈蚀速率的高与低、服役寿命的长与短，只要结构设计与施工技术有充分保证，那么关键因素就在于结构混凝土材料自身抵抗有害物质入侵和传输的能力。因此，结构混凝土材料对力学因素、环境因素及其耦合作用下的抵抗能力已是钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命提高的基础、要害和核心。众所周知，普通和高强结构混凝土材料是一种脆性易裂材料，且强度越高、脆性越大、越容易开裂，混凝土内部结构形成过程中裂缝尺度和数量，受力学或环境因素作用下裂缝引发与扩展程度都是影响混凝土结构耐久性下降和寿命缩短的隐患。因此，为提高结构混凝土材料的强度、韧性和阻裂能力，国际上纤维混凝土的发展已步入到深化阶段并形成研究热点⋯。在中国，纤维混凝土的强化与韧化技术也同步发展。至今不仅保持了钢纤维混凝土是研究最多、在重大工程结构中应用最广的水泥基复合材料，而且提高了纤维与混凝土基体界面粘结，提高了对基体强化、韧化与阻裂效应，纤维品种与外形不断增多和优化(平直型与异型纤维逐年增多)。特别是复合异型纤维(如哑铃与刻

痕型复合)的出现，大大提高了钢纤维对混凝土强化与韧化的效率，而且通过复合异型纤维尺度的优化在保持高力学行为和物理特性的同时，有效解决了钢纤维混凝土超高泵送的技术难题，并顺利泵送高度达300m以上，为在主要受力复杂的超高结构(如超高索塔锚固区)中应用开拓了新方向。由于钢纤维混凝土高动态效应的优势，它已成为国防防护工程首选的结构材料。当今，为抑制混凝土早期塑性收缩与开裂，缓解混凝土结构在高温和火灾中的爆裂，聚丙烯纤维(PPF)增强混凝土(PPFRC)得到广泛应用，发挥了极其重要的作用；为提高混凝土的延性、韧性，聚乙烯醇纤维(PVAF)增强水泥基复合材料(PVAFRCC)及工程纤维增强水泥基材料ECC(Engineered fiber reinforced Cementitious Composites)这些年来发展迅速；不同尺度不同性质的有机与无机、金属与非金属纤维混杂增强水泥基复合材料HFRCC(Hybrid Fiber Reinforced Cementitious Composites)LS]，可使其在相应的尺度和性能层次上逐级发挥作用，大幅度提高了对混凝土基体阻裂与限缩的能力，在中国也得到了迅速发展。特别引人注目的是纤维增强水泥基复合材料已走上绿色化的道路，经纤维与活性掺合料有效复合，不仅大量节省了资源和能源，保护了生态环境，而且通过界面结构的优化与强化、界面效应和界面粘结的发挥与提高，又进一步强化了混凝土材料各项关键技术性能[如收缩率可降低50％以上，疲劳寿命可提高一个数量级(应力比相同时)]，大幅度提升了耐久性，延长了材料和结构的服役寿命。当今纤维增强水泥基复合材料已走上绿色化与高性能和超高性能化，其强度等级从dOMPa到200MPa以上。随着材料科学与技术的持续发展，混凝土材料走上了高科技与智能化MJ，通过自修复效应，把水泥基材料的裂缝消除在引发之初，使混凝土材料形成类似生物材料那样具有自感知、自诊断、·自适应、自修复等特殊功能，对此，国内外都进行了大量研究，取得了显著效果，特别对提高和预测混凝土结构的耐久性和服役寿命，智能材料正发挥着重要作用。另一方面，由氯离子扩散引起钢筋锈蚀而导致混凝土结构过早损伤和失效问题，始终是被人们关注的重要难题，虽然混凝土科学与工程界应用了许多技术措施，以推迟钢筋锈蚀，延长钢筋混凝土结构的服役寿命，尽管也有相当效果，但在严酷环境条件下难以从根本上解决问题。因此，这些年来纤维增强树脂基复合材料(FRP)国内外又有了新发展，开拓了FRP研究与应用新方向，依据不同的环境特点和实际要求，可制成碳纤维增强树脂(FRP)、玻璃纤维增强树脂(GFRP)、有机纤维增强树脂(PFRP)和混杂纤维增强树脂(HFRP)筋材来取代钢筋，这一技术不仅提高了混凝土结构的耐久性和服役寿命，而且也大大减轻了结构重量。FRP的新发展，不仅可用来取代钢筋，而且对混凝土结构损伤劣化过程中作为一种修复与加固材料可对混凝土结构已经损失的性能进一步提升，达到恢复和延长混凝土结构耐久性和服役寿命的目的。这些新技术，不管是智能化技术还是多重复合化技术都极大地推动了结构材料的发展，并从理论和技术双向推进。

绿色化高性能混凝土结构材料的新突破

1.结构混凝土材料绿色化的重大意义

混凝土材料在研究、应用与发展过程中，特别在我国大规模基础工程建设推动下，人们充分认识到最大限度和高效利用工业废渣来取代更多的水泥熟料是节省资源、节省能源、保护生态环境、提高材料性能的重要举措，也是社会可持续发展的必由之路Ⅲ。众所周知，我国是世界水泥大国，2003年我国水泥总产量为8．62亿吨，占世界水泥总产量的50％，到2005年就达到10．6亿吨(相应混凝土量约80亿吨)，又占世界水泥总产量的50％，预计到2010年我国水泥总产量要达到12亿吨，向世界水泥总产量的2／3逼近。