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1、2017/11/13,材料科学与工程新进展,2,材料科学与工程新进展,材料科学与工程新进展这一章的内容，是在简要介绍与土木工程建设相关的科学领域，包括软物质和纳米材料科学的进展概况后，以主要的篇幅讲述几种主要建筑材料，包括钢材和混凝土材料科学技术及其在工程中应用的进展及目前面临的一些问题，尤其是土木工程结构物的耐久性问题，以及今后的可持续发展等。最后，对近年受到世人瞩目的绿色建筑材料在国内外的发展动态作了简要介绍。建筑材料的更新是新型结构出现与发展的基础，而新型结构的出现又是新材料出现的驱动力。新材料，在工程中尚未广泛应用的材料，是没有现成数据可以参考的。这就要靠设计者依据所掌握的建筑材料基本
2、知识，加上收集有关新材料的信息，才能够使设计上的新构思，施工上的新工艺、新技术与新材料很好地结合，获得预期的效果。,3,7.1 材料科学领域发展前沿,1.软物质随着人类对自然界物质概念的发展，对于材料分类的认识也在不断地深化。例如，以往人们将橡胶与弹簧都纳入弹性材料的范畴，认为橡胶具有泊松比-材料在弹性范围内呈现的一种性质-接近0.5的特征。实际上，这两种材料分属于不同类的物质。我国研究软物质（soft matter）一个新的前沿学科的带头人，科学院物理所的陆坤权教授指出：软物质与一般硬物质（如金属、陶瓷等）的运动变化规律有许多本质的区别，例如，拉伸橡胶的恢复力是熵力所致，与拉伸弹簧的恢复力明
3、显不同等。,4,软物质或称软凝聚态物质，是指处于固体和理想流体之间的物质。一般由大分子或基团（固、液、气）组成，如液晶、聚合物、胶体、膜、颗粒物质、生命体系等。1991年诺贝尔奖获得者法国物理学家德热纳在授奖会上以软物质概括复杂液体等物质，得到广泛认可。软物质的基本特性是对外界微小作用的比较敏感和具有非线性响应等。我们正在研究的颗粒物质，在日常生活中司空见惯，可涵盖各类分离态物质，如砂、石、泥土、矿物、粮食及其他散态物质等。塌方、泥石流、雪崩及河流浮冰积堵等自然灾害现象。乃致公路上车辆流动规律等均属于研究对象。颗粒物质既类似固体，流动时又像液体、气体。但其运动规律很复杂，目前远未认识清楚。因此
4、颗粒物质被称为一种新物质类型，成为近年活跃的研究领域。,7.1 材料科学领域发展前沿,5,2.纳米材料纳米（namometer）尺度，为10-6mm或l0-9m。自然界中纳米现象普遍存在，例如植物的光合作用，归因于植物表面纳米结构的高活性；牙齿的坚硬，是因齿面排列着致密的纳米颗粒；古铜镜千年不损，是因为铜镜表面由纳米晶组成。纳米现象虽然古已有之，但是将纳米作为科学与技术加以探索，并正式冠名为“纳米技术”则是1990年开出现的。那年7月在美国巴尔的摩首次召开了纳米科技国际会议，出版了国际刊物（Nanotechnology），十几年来，纳米热潮席卷了全球，成为当前世界科学研究的热点。我国著名科学家
5、钱学森将纳米技术和生命科学并列为21世纪两个最重要的科学领域，并预言：纳米技术将引起第三次工业革命。2001年，党的十五届五中全会将纳米科学与基因科学、信息科学、环境科学和地球科学一道列为21世纪我国最优先发展的五大核心科技，并将大幅度增加对纳米研究的政府投人。,7.1 材料科学领域发展前沿,6,纳米技术之所以重要，是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米的物质时，其物理性能和化学性质会发生出人意料的变化，主要表现在强度、韧性、比热、导电率、扩散率、磁化率以及对电磁吸收性会发生巨大变化。纳米材料是指由尺寸小于l00nm的超细颗粒构成。有小尺寸效应的零维、一维、二维和三维材料的总称。按物理形态
6、分，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。,7.1 材料科学领域发展前沿,7,可以利用纳米技术在产品中添加特殊性能的材料或在产品表面形成一层特殊的材料。从而表现出新的性能，如可以使易碎的陶瓷变得具有韧性，达到类似于铁的耐弯曲性；可以在纺织品中添加具有美容保健功能的新材料，就可满足人们的爱美之心。仅就涂料而言，将使用纳米技术制造出来的硬度极高的涂料涂在刀具上，就可以大幅度提高其锋利和耐磨性质；涂在玻璃和眼镜片上。就不会再出现划痕。纳米技术还能为药物提供新的方式和途径，使其进入人体后主动搜索病因或修补损伤组织。随着纳米科技的发展，纳米材料、纳米技术也被应用到
7、表面工程中。纳米表面工程这一全新的概念应运而生。2000年，徐滨士院士等在中国机械工程杂志上首次提出了纳米表面工程的概念。纳米表面工程就是充分利用纳米材料的特殊性能。提升改善传统表面工程的功能和手段。进一步改变材料表面的形态、成分、结构等，从而赋予表面全新功能的系统工程。,7.1 材料科学领域发展前沿,8,纳米技术、纳米材料是21世纪的重要技术，21世纪将称为纳米世纪。现在才进人初级阶段。预计 2030年后才能真正进入纳米时代。尽管目前实现工业化生产的纳米材料主要是碳酸钙、白碳黑、氧化锌等纳米粉体材料。其他还基本上处于实验室的初级研究阶段，大规模应用预计要到510年以后。但毫无疑问以纳米材料为
8、代表的纳米科技必将对21世纪的经济和社会发展产生深刻的影响。当前的研究热点和技术前沿包括：以碳纳米管为代表的纳米组装材料；纳米陶瓷和纳米复合材料等高性能纳米结构材料；纳米涂层材料的设计与合成；单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等纳米电子器件的研制、C60超高密度信息存储材料等。,7.1 材料科学领域发展前沿,9,目前已在土木建筑工程得到应用的纳米材料是纳米涂料。自清洁外墙纳米涂料是根据荷叶原理仿生合成的绿色涂料。研究人员透过原子力显微镜观察荷叶的表面发现叶面上有极其微细且凸凹不平的纳米结构。雨水落在叶面上不会渗漏，只是化作粒粒水珠落下，并带走叶面上的灰尘，荷叶总是一尘不染的秘密也就在于此。目前
9、开发的纳米涂料有蓝、绿、黄等多种颜色和供内外墙使用的多个品种，它在干燥成膜的过程中表层也会形成类似荷叶的凸凹形状，并构筑一层疏水层。融合墙面后只要一下雨，粘在墙面上的灰尘就会顺着雨水流下，墙面就自行清洗干净了。纳米涂料由于融入了保护人体健康的功能组分。有杀灭多种病菌的功能，通过光催化能将有害的有机物分解，因而能净化室内空气，还能起到防霉除臭的作用。与传统的涂料相比，它有不褪色、不粉化、不脱落、无毒安全的优点。适合在要求较高的建筑项目中推广使用。,7.1 材料科学领域发展前沿,10,建筑材料的种类繁多。根据功能划分，包括结构材料、围护材料、隔热材料、防水材料、吸音与隔声材料、装饰材料六大类。近几
10、十年来，各种建筑材料的发展可以说是日新月异，在这里不可能一一罗列。只以主要的建筑材料 钢材、混凝土为代表，并将近年来人们注意的热-绿色建材的发展做简单介绍。,7.2 几种主要建筑材料的新进展,11,7.2.1 钢材1.日本开发的超级钢铁在古代小亚细亚东部叙利亚北部，居住着一个叫做Hittite即赫梯人的部族。赫梯人是印欧语系民族，于公元前2000年左右移居小亚细亚，能骑善射，惯用铁器、战车。公元前16世纪，赫梯人征服了许多部落，于公元前14公元前13世纪以小亚细亚为中心建立了强大的古代帝国，后到公元前12世纪被土耳其所灭。从赫梯人使用铁器至今已有4000多年，铁已经成为人类生活中极其常见的物质
11、，人们也认为自已已经极熟悉这种物质了。,7.2 几种主要建筑材料的新进展,12,一般假的钢铁实际上是由细如发丝，约十几微米结晶构成的。如果把铁的纯度进一步提高，结晶尺寸减小到目前的1/10，那么钢铁的强度和韧性就可以提高1倍，寿命也可以延长1倍，它就能变成耐腐蚀、耐高温、易焊接、易加工的新型超级钢铁材料。这些新材料用于汽车生产，可使钢材用量大大减小，汽车更轻更结实，耗油量下降，二氧化碳排放减少；用于船舶制造，船体就可更大、更轻；超过700m高的大厦就可建成，新型的城市就会出现。而且，新材料抗腐蚀又富韧性，超大型跨海大桥和海上城市也将变成现实。日本1997年开始施行为期10年的超级钢铁材料开发计
12、划，总投资约1000亿日元，目的是开发出强度和寿命是目前钢铁2倍的SEX-21新钢材和高纯度铁。至2002年人该计划己经实施了5年，日本政府已经拔人125亿国家资金，投入产、学、研各界近200人的科研力量，并已获得100多项专利，写出 460多篇论文。从技术上完全保证了超级钢铁的实现。,7.2 几种主要建筑材料的新进展,13,但是，科研成果的实用化必须得到企业的协助，而取得企业的合作就不那么简单了。大钢铁生产厂商和机械、汽车制造商之间的贸易往往是排他性的，这种排他性影响了新技术的实用化，而且技术越新，受影响程度也就越大。在日本开发超级钢铁材料的同时，中国、韩国及欧盟各国也争先恐后地进行开发工作
13、，因此日本政府十分担心“如果在开发阶段踏步不前，好不容易取得的开发成果就难免被中国、韩国抢走”。面对这种局面，此项目的领导机关 日本独立行政法人物资材料研究机构考虑了一个方案。由主要的钢铁、机械、汽车生产厂商组成一支实用化队伍。与此相对应，日本最高科技指挥机关“综合科学技术会议”在2002年7月底也推出了“有效促进产、学、研共同研究制度”。从这一制度中另拨出经费，推动新钢铁材料的实用化。,7.2 几种主要建筑材料的新进展,14,在这些政策的支撑下。大阪市的中山制钢所开始挑战2m结晶的超级钢铁生产；神户市的川崎重工开始研制高强度轿车门专用管状梁；枥木县的本田技研负责门梁的横向冲撞安全试验，这是世
14、界上首例超级钢铁实用化试验。此后将进一步开展超级汽车的实用化开发。此前日本的国立研究机构都已经变成独立法人，此改革己经经过了一年半。超级钢铁实用化对变成独立法人的近60个研究所来说，现在己经不是他人的事了。要想振兴自己，要想为提高企业的国际竞争力做出贡献，就必须在超级钢铁实用化开发中加倍努力。目前，日本超级钢铁材料的开发已进人实用化研究阶段。,7.2 几种主要建筑材料的新进展,15,2.耐火耐候钢的研究与应用现状近年来。随着钢产量的稳步增长和全球应用技术研究的深人，钢结构在建筑行业得到了越来越广泛的应用，尤其在大跨度桥梁和超高层建筑方面更显示出强大的生命力。随着炼钢技术与钢产量的大幅度提高，以
15、及国际间技术交流与合作的加强，钢结构应用技术在我国得到蓬勃发展，世界排名第二，跨度为602m的上海南浦大桥，北京亚运会大跨度的体育馆等均为钢结构的杰作。2000年我国钢材的消费量已达1.41亿t，估计到2005年我国钢材的表观消费量将达1.6亿1.7亿t，而到2010年，我国钢材的消费量可能接近2亿t左右。,7.2 几种主要建筑材料的新进展,16,但随着钢结构建筑的发展，防火防护问题日趋突出。钢材虽为非燃烧性材料，但不耐火，其耐火极限仅为l5min。在火灾时的温度作用下，钢结构的强度是温度的函数。当结构的温度达到350、500， 600时，其强度分别下降l/3、1/2、2/3，当结构温度达到6
16、00以上时，将完全丧失承载能力。采用钢材制作的构件，如梁、柱、屋架等，若不加以保护或保护不力，在火灾中可能失去承载能力而引起整个建筑的倒塌，带来重大人员伤亡和经济损失，国内外钢结构遭受火灾倒塌的例子不胜枚举。面对火灾的威胁，国内外在发展钢结构建筑物的同时，重视钢结构防火防护技术的开发与应用，不断研究完善火灾对策，制定相关消防法规。,7.2 几种主要建筑材料的新进展,17,（1）目前国内外钢结构的主要防火方法世界各国对钢结构采用了多种方法进行防护，这些方法从原理上讲可划分为两大类，即截流法和疏导法。截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度，具体的做法是在构件表面加一层导热系数小的保护材料，通过其对热流传输的阻滞，起到保护作用。截流法又分为包封法、屏蔽法、水喷淋法、喷涂法等。其中喷涂法施工简单、质量轻、耐火时间长，而且不受钢结构集合形状的制约，具有良好的经济性和实用性，目前防火涂料是钢结构保护中比较常相的方法。疏导法目前主要是充水保护法，即在空心封闭的钢构件中充水，遇火灾时让钢构件吸收的热流量传给水，构件温度就可以控制在100左右，这种方法的保护作用很有效，但增加了结构自重，为防止锈蚀和结冰，水中还要掺加阻锈剂和防冻液。,
