梯度混凝土的研究进展

彭家成

（西京学院工程技术系 陕西 西安 710123）

0 引言

功能梯度材料 （Functionally Gradient Materials，FGM）是根据具体的使用要求，选择两种或两种以上具有不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，通过连续改变这些材料的组成和结构，使其内部界面减小直至消失，从而使材料成为性质和功能均呈连续平稳变化的一种非均质复合材料[1]，它是由日本学者新野正之等人为实现航天设备在巨大温差作用下取得热应力缓和效果而提出的[2]。 其特点主要表现在其性能和结构的可设计性和控制性， 进而实现对材料的强度、韧性、刚度、热学和电学特性的人为设计和控制，能够适应不同场合下的应用[3-4]。 此概念提出以后，得到世界各国学者的广泛关注和研究，目前的研究主要体现在陶瓷、金属等材料领域，但在建筑材料方面报导较少。

水泥是世界上用量最大的建筑材料之一，目前还未找到一种可以替代的材料。 但由于水泥混凝土本身也存在缺陷，如抗拉强度小、抗裂能力低、自重大、体积稳定性差等，使得其在应用方面有一定的限制。 特别是在高层建筑、大跨度结构、高压地下水及高温环境中，水泥基混凝土的性能日益表现出不适应性，因此其应用领域还需进一步拓宽[5]。 把梯度的概念引入到水泥混凝土中，通过组分的变化来改善其性能并能够适用于比较复杂特殊的工程环境中是很多混凝土材料工作者不断追求和探索的目标。 本论文从国内关于梯度混凝土近几年的研究发展现状进行了简要介绍，并对该种材料的的应用前景作了初步探讨。

2 研究进展

2.1 高性能、高耐久性混凝土混凝土

21 世纪中国的地下工程建设已经进入了一个高速发展时期，混凝土作为地下工程中最大宗的结构材料往往要受到各种破坏因素的相互作用， 比如空气环境和土壤环境的侵蚀，特别是地下水环境中存在大量的盐类物质，导致混凝土造成严重侵蚀破坏。 因此，要求地下工程的混凝土必须具有较高的力学性能、较好的抗渗性能和抗侵蚀性能，才能保证混凝土的耐久性[6-7]。

普通钢筋混凝土应用于地下工程时， 特别是在高压水、侵蚀水的作用下，耐久性问题必然成为一大技术难题。 因此南昌大学王信刚等人[8]在地下混凝土结构设计中引入功能梯度设计的思路，将地下工程混凝土的功能设计与结构设计结合起来，自水土压力方向可依次设置高致密防水层、钢筋混凝土保护层、高强结构层等几个功能层，制取一定尺寸的试件， 利用NEL-PD 型混凝土渗透性检测系统采用快速Cl-扩散测试法[9]测试水泥混凝土的Cl-扩散系数DNEL；并采用电子显微镜观测Cl-在渗透过程中混凝土不同组成材料界面之间的微观结构，从本质上分析抗渗性较传统混凝土明显提高的原因；通过试验表明，与单层混凝土设计相比而言，梯度混凝土可显著改善抗渗和抗侵蚀能力，特别是抗离子（如Cl-）的渗透能力[10]。

针对武汉长江隧道工程混凝土面临的高压富水环境，武汉理工大学高英力等人[11]建立了梯度混凝土管片（FGCS）结构体系，对盾构隧道衬砌管片进行分层设计，沿着水土压力方向，各层依次为高抗渗保护层（无细观界面过渡区水泥基材料，MIF）、结构层、防火防爆层，各层材料组成均不相同，采用多层浇筑的工艺，在界面处采用特殊的处理技术，使性能在厚度方向上均匀过度， 保证整个结构的完整性和稳定性，考虑到MIF 采用较小的水胶比，为了有效防止由于保护层与结构层材料在收缩变形上的非一致性导致界面处产生相对滑移而开裂，在MIF 中掺入减缩抗裂组分来达到减小收缩变形及改善抗裂性能的目的。 按照上述方法制取试件， 采用NEL 法进行测试， 通过测定氯离子的扩散系数来定量评价MIF 的渗透性能，测试结果可知，高抗渗保护层氯离子扩散系数相比普通混凝土减小一个数量级，抗渗性大大增强，使用寿命延长10 倍以上， 主要原因在于混凝土界面过渡区的性能得到改善。 并对MIF 及结构层混凝土分别进行了抗压、抗折、劈裂强度及弹性模量的测试，由于微观结构的界面强化，使得材料结构更加密实， 因此其力学性能也得到很大提升。除此之外，笔者还通过测定结构层混凝土的耐火极限测试了混凝土材料的耐火性能，证明了所采用的功能材料防火抗暴涂层可有效提升混凝土管片内衬层的防火抗暴性能；通过对各功能层进行酸性气体SO2侵蚀的加速试验，结果表明保护层MIF 和结构层的耐酸侵蚀能力较普通混凝土有了较大增长，28d 均未出现腐蚀。

郑州大学杨久俊等人[12]也制作了3 层梯度结构试件，研究了界面区组分的梯度分布对水泥基材料层状结构力学性能的影响，并讨论了界面区组分梯度变化所表现的界面应力行为，结果显示，梯度分布可以有效缓解界面处的残余应力，从而改善了结构整体的力学行为。

2.2 纤维混凝土混凝土

水泥基材料作为世界上原料最丰富的建筑材料，其力学性能也一直备受关注。 由于其本身存在抗裂性差的缺陷，可以加入一些纤维增强材料来改善其力学性能，使其能得到更加广泛的应用，但是这些增强材料以何种形式分布其中才能达到最佳增强效果是广大工作者研究的重要课题。

钢纤维混凝土目前已受到广大研究者和工程技术人员的广泛关注，主要是由于具有良好的力学和变形性能，但是到目前为止关于钢纤维混凝土的研究中钢纤维在混凝土中的分布都是均匀的。 郑州大学的赵军[13]应用大型有限元分析软件，建立了素混凝土、钢纤维均匀分布混凝土、钢纤维按应力状态梯度分布和钢纤维线性梯度分布四种不同的模型，对四种混凝土梁的抗折强度进行了数值模拟表明，钢纤维梯度分布混凝土的抗拉强度和极限应变显著提高，构件的抗折强度也大大提高，刚度较大，挠度较小，极限荷载时的变形性能较好，主要由于钢纤维线性梯度分布时，靠近拉应力较大的部位钢纤维分布较多，而钢纤维能够起到很好的提高抗拉强度和变形性能的作用，钢纤维梯度分布时对抗弯强度的增强效果是最好的。

玻璃纤维也是一种常见的纤维材料，同济大学海然[14]按照使用环境的要求， 在混凝土中掺入一定量的玻璃纤维，并使玻璃纤维呈梯度分布，探索了梯度结构对水泥基混凝土的抗折强度、抗压强度、应力应变的关系等力学性能的影响。 试验采用三组试件，第一组为未掺纤维的普通混凝土，第二组为纤维均匀分布试件，第三组为纤维总量与第二组相同且呈梯度分布的试件，通过测定抗压和抗弯强度，纤维梯度分布增大了试件最大荷载点及塑性变形，且对抗弯强度的提高最明显，有效地改善了混凝土的力学性能。

3 应用前景

综上所述， 结合梯度混凝土的优越性， 由于梯度结构设计使得混凝土本身的力学性能、抗渗性、耐火性及耐腐蚀性都有所改善，梯度混凝土可以作为地下工程结构混凝土和高抗渗性混凝土、隧道工程衬砌层混凝土管片、大跨度结构和高温环境中等。 但目前对于梯度混凝土的研究都局限在理论和试验研究阶段，由于一般实际工程中应用的混凝土量非常大，特别是由于混凝土是由多相复杂材料组成，如何采用先进的制备技术和界面处理技术是衡量梯度混凝土性能的关键之处。 受到上述限制，导致梯度混凝土在实际应用中较少，在大跨度结构中是否可以完全取代钢筋混凝土或预应力混凝土，高温环境中能否得到广泛应用等问题，都将成为今后混凝土材料研究中的一个热点课题。

［1］ 王豫. 姚凯伦. 功能梯度材料研究的现状与将来发展[J]. 物理,2000,29（4）:206-211.

［2］Niino M, Hirai T, Watanabe R J Japan. Soc Compos Mater.1987（13）:257-264.

［3］袁秦鲁,胡锐,李金山,等.梯度复合材料制备技术研究进展[J].兵器材料科学与工程,2003,26（6）:66-69

［4］Kawasaki Akira, Watanabe Ryuzo. Concept and P/M fabrication functionally gradient mater-ials [J]. Ceramic International, 1997, 23（1）:73-83.

［5］杨久俊,贾晓林,管宗甫,等.水泥基梯度复合功能材料物理力学性能的初步研究[J].新型建筑材料,2001（11）:1-2.

［6］ALMUSALLAM A A, KHAN F M, DULAIJAN S U, et al. Effectiveness of surface coatings in improving concrete durability[J]. Cement and Concrete Composites, 2003, 25（4/5）: 473-481.

［7］杨林德,黄慷.水底隧道管片构件耐久性失效风险研究[J].地下空间,2004,24（1）:1-4.

［8］王信刚,马保国.地下工程混凝土的梯度功能设计与性能研究[J].中国矿业大学学报,2008,37（3）:354-359.

［9］LU Xin-ying. Application of the Nernst-Einst equation to concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1997, 27（2）: 293-302.

［10］王信刚,王睿,宋固全.一种超高耐久混凝土:梯度结构混凝土[J].南昌大学学报:理科版,2009,33（1）:98-102.

［11］高英力,马保国,王信刚,等.盾构隧道功能梯度混凝土管片的研发及性能研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26（11）:2341-2347.

［12］杨久俊,海然,吴科如.界面区组分对层状水泥基材料力学行为的影响[J].建筑材料学报,2004,7（3）:323-327.

［13］赵军,李晓龙,杨久俊,纤维梯度分布混凝土的抗弯性能[J].河南科学,2006,24（1）:100-102.

［14］海然,杨久俊,吴科如.玻璃纤维梯度分布对水泥基材料力学性能的影响[J].新型建筑材料,2005（6）:12-14.