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1、新型土木工程材料摘要:土木工程材料是我国经济发展和社会进步的重要基础原材 料之一。人类进入 21 世纪以来,对生存空间以及环境的要求达到了 一个前所未有的高度。这对土木工程材料的生产研究使用和发展提出 了更新的要求和挑战。特别是小康社会的建设和城镇化的全面推进, 乃至整个现代化建设的实施,预示着我国未来几十年的经济发展和社 会进步对土木工程材料有着更大的市场需求,也意味着我国土木工程 材料领域有着巨大的发展空间。因此,了解土木工程材料的发展状况、 把握土木工程材料的发展趋势显得尤为重要。关键词:新型土木工程材料 发展 环保引言:随着人类文明及科学技术的发展,土木工程材料的不断进 步与改善。现代
2、土木工程中,尽管传统的土、石等材料的主导地位已 逐渐被新型材料所取代。目前,水泥混凝土、钢材、钢筋混凝土已是 不可替代的结构材料;新型合金、陶瓷、玻璃、有机材料及其他人工 合成材料各种复合材料等在土木工程折中占有愈来愈重要的位置。材料在土木工程建设中的作用:土木工程建筑物形成的过程,主 要是根据材料性能而设计成适当的结构形式,并按照设计要求将材料 进行构筑或组合的过程。在此过程中,材料的选择是否正确,材料的 使用是否科学,材料的构筑是否合理,不仅直接决定了建筑物的质量 或使用性能,也直接决定着工程的成本。因此,材料的性能直接决定 了工程的设计方法和准则,也决定着工程的建造技术于构筑方式,对 土
3、木工程建设各方面都具有重要的影响。1. 材料对土木工程质量的影响 质量是土木工程建设中追求的第 一目标,而工程质量的优劣与所采用材料的质量水平以及使用的合理 与否具有直接的关系。通常,材料的品种、组成、构造、规格及使用 方法等对土木工程的结构安全性、坚固耐久性及适用性等工程质量指 标都有直接的影响。以往工程实践表明,从材料的选择、生产、使用、 检验评定,到材料的贮运、保管等环节都必须做到科学合理;否则, 任何环节的失误都可能造成工程的质量缺陷,甚至是重大质量事故。 国内外土木工程的重大质量事故多与材料的质量不良或使用不当有 关。2. 材料对土木工程造价及资源消耗地影响 在一般土木工程的总 造价
4、中,与材料直接有关的费用占 50以上。在工程建设中,材料 的选择、使用和管理是否合理。对其工程成本的影响很大。在有些工 程或工程的某些不为,可选择的材料品种很多。虽然采用不同的材料 或不同的使用方法,但在土木工程中最终的体现效果相近,但是所学 要的成本以及所消耗的资源相差可能很大。为此,可以通过优化选择 和正确与充分使用材料,在满足工程各项使用要求的条件下,见地材 料的资源消耗或能源消耗,节约与材料有关的费用。因此,从工程技 术经济及可持续发展的角度来看,正确选择和使用材料,在土木工程 建设中有着十分重要的意义。3. 材料对土木工程技术的影响 土木工程建设过程中,工程的设 计方法、施工方法往往
5、都与材料密切有关,材料的性能直接决定了土 木工程所采用的结构形式、使用方法或操作技术工艺等。通常情况下, 结构设计形式或设计方法的变革都必须以适应与充分发挥材料的性 能为前提。在施工过程中,要最大程度地实现设计意图,就必须选择 最为适当的材料品种与规格,并结合所选材料的特性,确定最佳的方 法或工艺,以便最大程度地满足人们对工程性能的要求。从土木工程的发展历史来看,材料品种或性能地变迁,往往是土 木工程技术发展的动力和变革工程建造方法的基础。新的土木工程材 料的出现,也会使工程设计方法及施工技术产生显著的变革或进步。 在现代土木工程建设中,所用材料品种更是决定工程结构设计理论和 施工技术水平的最
6、主要因素之一。 土木工程材料现状及要求:与以往相比,当代土木工程材料的物理力 学性能也已获得明显改善,随着现代陶瓷与玻璃的性能改进,其应用 范围也有明显的变化。例如水泥和混凝土的强度、耐久性及其他功能 均有所改善。随着现代陶瓷与玻璃的性能改进,其应用范围与使用功 能已经大大拓宽。此外,随着技术的进步,传统的应用方式也发生了 较大变化现代施工技术与设备的应用也使得材料在工程中的性能表 现比以往好为现代土木工程的发展奠定了良好的物质基础。尽管目前 土木工程材料在品种与性能上已有很大的进步,但与人们对于其性能 要求的期望值还有较大差距。首先工程中的性能表现比以往好为现代 土木工程的发展奠定了良好的物
7、质基础。尽管目前土木工程材料在品 种与性能上已有很大的进步,但与人们对于其性能要求的期望值还有 较大差距。1. 从土木工程材料的来源来看:鉴于土木工程材料的用量巨大, 尤其在应用方面,经过长期使用的不断累积,单一品种或数个品种的 原材料来源已不能满足其持续不断的发展的需求。尤其是历史发展到 今天,以往大量采用的粘土砖瓦和木材等已经给社会的可持续发展带 来了沉重的负担。论文参考网。从另一方面来看,由于人们对于各种 建筑物性能的要求不断提高,传统建筑材料的性能也越来越不能满足 社会发展的需求。为此,以天然材料为主要材料的时代即将结束,取 而代之的将是各种人工材料,这些人工材料将会向着再生化、利废化
8、、 节能化和绿色化等方向发展。2. 从土木工程对材料技术性能要求的方面来看:技术性能的要求 也越来越多,各种物理性能指标的要求也越来越高,从而表现为未来 建筑材料的发展具有多功能和高性能的特点。具体来说就是材料向着 轻质高强、多功能、良好的工艺性和优良耐久性的方向发展。3. 从土木工程材料应用的发展趋势来看:为满足现代土木工程结 构性能和施工技术的要求,材料应用也向着工业化的方向发展。例如, 水泥混凝土等结构性能向着预制化和商品化的方向发展,材料向着半 成品或成品的方向延伸,材料的加工、贮存、使用、运输及其他施工 技术的机械化、自动化水平不断提高,劳动强度逐渐下降。这不仅改 变着材料在使用过程
9、中的性能表现,也逐渐改变着人们对于土木工程 使用的手段和观念。新型土木工程材料绿色建材:土木工程材料行业对资源的利 用和对环境的影响都占据着重要的位置,在产值、能耗、环保等方面 都是国民经济中的大户,为了保证源源不断地为工程建设提供质量可 靠的材料,避免新型材料的生产和发展对环境造成危害,因此“绿色 建材”应运而生。目前正在开发的和已经开发的绿色建材和准绿色建 材主要以下几种:1. 利用废渣类物质为原料生产的建材,这类建材以废渣为原料生 产砖、砌块、材板及胶凝材料,其优点是节能利废,但仍需依靠科技 进步,继续研究和开发更为成熟的生产技术,使这类产品无论是成本 上,还是性能方面真正能达到绿色建材
10、标准。2. 利用化学石膏生产的建材产品,用工业废石膏代替天然石膏, 利用先进的生产工艺和技术可生产各种土木建筑材料产品。这些产品 具有石膏的许多优良性能,开辟石膏建材的新来源,并且消除了化工 废石膏对环境的危害,符合可持续发展战略。3. 利用废弃的有机物生产的建材产品,以废塑料、废橡胶及废沥 青等可生产多种土木工程材料,如防水材料、保温材料、道路工程材 料及其他室外工程材料。这些材料消除了有机物对环境的污染,还节 约了石油等资源,符合在资源可持续发展方面的基本要求。4. 利用各种代木材料,用其他废料制造的代木材料在生产使用中 不会有害人的身体健康,利用高兴技术使其成本和能耗降低,将是未 来绿色
11、建材的主要发展方向。5. 利用来源广泛的地方材料为原料,利用高科技生产的低成本健 康建材,不同的地区都可能有来源丰富、不同种类的地方材料,根据 这些地方的性质和特点,利用现代技术,可生产各种性能的健康材料。 如某些人造石材、水性涂料、某些复合性材料也是绿色建材的发展方 向。土木工程材料的发展趋势:随着科学技术的进步和建筑工业发展的需 要,一大批新型土木工程材料应运而生,而社会的进步、环境保护 和节能降耗及建筑业的发展,又对土木工程材料提出了更高的要求。 因而,今后一段时间内,土木工程材料将向以下几个方向发展。1. 复合化。单一的材料往往难以满足要求,复合材料应运而生。 所谓复合技术是将有机和有
12、机、有机和无机、无机和无机材料在一定 的条件下,按适当的比例复合。然后经过一定的工艺条件有效地将几 种材料的优良性结合起来,从而得到性能优良的复合材料。2. 多功能化。随着人们生活水平的提高,对材料的功能的要求越 来越高,要求新型材料从单一功能向多功能方向发展。即要求材料不 仅要满足一般的使用要求,还要求兼具呼吸、电磁屏蔽、防菌、灭菌、 抗静电、防射线、防水、防霉、防火、自洁智能等功能。3. 节能化、绿色化。现代人们要求材料不但有良好的使用功能, 还要求材料无毒、对人体健康无害、对环境不会产生不良影响,即绿 色土木工程材料。所谓绿色土木工程材料主要是指这些材料资源能源 消耗低,大量利用地方资源
13、和废弃资源;对环境对人体友好,能维 持生态环境的平衡;同时,可以循环利用。4. 轻质高强化。轻质主要指材料多孔、体积密度小。高强主要指 材料强度不小于 60MPa。5. 工业化生产。工业化生产主要是指应用先进施工技术,采用工 业化生产方式,产品规范化、系列化。这样,材料才能具有巨大市场 潜力和良好发展前景。1高性能混凝土 (HPC)HPC 要求具有高耐久性和高强度、优良的工作性,首先体现在较高的 早期强度、高验收强度、高弹性模量;其次是高耐久性。可保护钢筋 不被锈蚀,在其他恶劣条件下使用,同样可保持混凝土坚固耐久;最 后是高的和易性、可泵性、易修整性。可配制大坍落度的流态混凝土, 而不发生离析
14、;可降低泵送压力,修整容易。冬天浇筑时,混凝土凝 结时间正常,强度增长快于普通混凝土,低温环境下不冰冻,高温环 境下浇筑混凝土保持正常的坍落度,并可控制水化热。1.1 低强混凝土这种材料可用于基础、桩基的填、垫、隔离及作路基或填充孔洞之用, 也可用于地下构造。在一些特定情况下,可用低强混凝土调整混凝土 的相对密度、工作度、抗压强度、弹性模量等性能指标,而且不易产 生收缩裂缝。1.2 轻质混凝土 利用天然轻骨料(如浮石、凝灰岩等)、工业废料轻骨料(如炉渣、粉 煤灰陶粒、自燃煤矸石等)、人造轻骨料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀 珍珠岩等) 制成的轻质混凝土具有密度较小、相对强度高以及保温、 抗冻性能好
15、等优点。利用工业废渣,如废弃锅炉煤渣、煤矿的 煤矸石、火力发电站的粉煤灰等制备轻质混凝土,可降低混凝土的生 产成本,并变废为宝,减少城市或厂区的污染, 减少堆积废料占用的 土地,对环境保护也是有利的。1.3 自密实混凝土自密实混凝土不需机械振捣, 而是依靠自重使混凝土密实。该种混凝 土的流动度虽然高,但仍可以防止离析。配制这种混凝土的方法有:(1) 粗骨料的体积为固体混凝土体积的50%;(2) 细骨料的体积为砂浆体 积的40%;(3)水灰比为0.9-1.0;(4)进行流动性试验,确定超塑化剂用量及最终 的水灰比, 使材料获得最优的组成。这种混凝土的优点有: 现场施工 无振动噪音,可进行夜间施工
16、,不扰民;对工人健康无害;混凝土质量 均匀、耐久;钢筋布置较密或构件体型复杂时也易于浇筑;施工速度快, 现场劳动量小。2 高掺量粉煤灰混凝土 随着人们对粉煤灰的颗粒形态效应、火山灰活性效应和微集料效应等 内在潜能的认识日渐深入,以及混凝土外加剂技术的迅速发展,粉煤 灰成为继外加剂之后混凝土的又一必需组分的观点正在被越来越多 的人接受.粉煤灰的掺量也有不断增大的趋势。在混凝土技术方面较 先进的美、英、加等国,自20世纪80 年代中期就开始了高掺量粉煤 灰混凝土(粉煤灰掺量占总胶凝材料用量的55%以上)的研究与应用。 大量使用粉煤灰的重要意义并不仅在于节约有限的工程材料费,还在 于它的环境效益与社会效益. 水泥是一种高能耗与高环境污染产品, 尽可能地少用水泥,尽可能地多用各种工业废渣,是使混凝土成为一 种人类可持续发展材料的必然趋势。在环保要求特别严格的西方工业 国家,尤其重视各种工业废料的二次开发与充分利用。随着我国经济 的快速发展与人民生活水平的迅速