新型材料在土木工程中的应用

刘黎

摘要：随着社会科学技术的进步， 土木工程结构学科的发展， 在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展。目前，国内外正大力开展对土木工程结构中新型材料的研究及应用。

关键词：超高性能混凝土;海绵城市;纤维增强复合材料;透水混凝土

超高性能混凝土，简称UHPC（Ultra-High Performance Concrete），也称作活性粉末混凝土（RPC，Reactive Powder Concrete）。超高性能混凝土的设计理论是最大堆积密度理论（densified particle packing），其组成材料不同粒径颗粒以最佳比例形成最紧密堆积，即毫米级颗粒（骨料）堆积的间隙由微米级颗粒（水泥、粉煤灰、矿粉）填充，微米级颗粒堆积的间隙由亚微米级颗粒（硅灰）填充;早在1931年，Andressen就建立了最大堆积密度理论的数学模型。然而，直到上世纪七十年代末，在高效减水剂技术与产品性能大幅度提高的基础上，采用该模型设计配制的第一代超高性能混凝土才在丹麦奥尔堡Cement og Beton Laboratiet（水泥与混凝土试验室）诞生，称作CRC（Compact Reinforced Composite，密实增强复合材料，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现工程材料性能的大跨越。

我国第一座超高性能混凝土桥梁——长沙北辰三角洲横四路跨街天桥，在湖南长沙顺利通过了湖南省住建厅组织的专家验收。该桥也是国际上首座采用全预制拼装工艺建成的超高性能混凝土（活性粉末混凝土，简称RPC）车行箱梁桥。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP），现有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料（树脂）按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。

FRP复合材料的抗拉强度均明显高于钢筋， 与高强钢丝抗拉强度差不多， 一般是钢筋的2倍甚至达10倍;热膨胀系数与混凝土相近， 这样当环境温度发生变化时， FRP与混凝土协调工作，两者间不会产生大的温度应力;弹性模量与钢材相比， 大部分FRP产品弹性模量小。约为普通钢筋的25%～ 75%。因此， FRP结构的设计通常由变形控制;抗剪强度---因为FRP是纤维通过基体聚合而成，纤维间强度由基体决定（强度一般弱于纤维），所以垂直于纤维方向强度较弱。FRP的抗剪强度低， 其强度仅为抗拉强度的5%～20%， 这使得FRP构件在连接过程中需要研制专门的锚具、夹具。这也使得FRP构件的适度成为研究突出的问题;FRP材料抗腐蚀、抗疲劳性能好， 可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用， 因而可提高结构的使用寿命， 这是结构材料难以比拟的。但同时， 与一般混凝土相比较， FRP复合材料的防火性能偏差， 这也制约了该类结构产品的推广应用， 成为今后要解决的问题之一。FRP复合材料在土木工程领域的应用快速增长，可用于包括柱、墙、梁、板及面板的抗震及补强加固，新的增强构件、结构形式及结构体系也正在研究、开发和应用。

1、建筑工程

结构设计正转向基于性能的设计，对结构及材料性能的要求也提高了。FRP材料已用于新建结构的框架以提高其结构性能，还被大量应用于旧有民用建筑的维修加固。

岩土工程

FRP纤维复合材料在长期恶劣的地质条件下具有良好的耐腐蚀性能，已广泛用于加筋土中;FRP复合材料易被掘进机具切断，故可用于盾构法掘进竖井的混凝土墙、土钉及临时支护用的复合材料地锚，如用钢锚则会导致挖掘机机头的断裂。因GFRP复合材料价格低廉，安装方便，耐久性强，已用于潮汐变化的干湿交替的挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土筋等。

桥梁工程

FRP复合材料应用于桥梁工程起始于70年代末和80年代初期。可用作悬索桥及斜拉桥的缆索、预应力混凝土桥中的预应力筋，甚至可以用于整个桥梁体系;另外在桥梁补强加固方面也有应用。FRP复合材料的研究开发和应用在欧美发达国家以及日本， 已成为十分活跃的领域。

海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时能吸水、蓄水，需要时将蓄存的雨水释放并加以利用，也可称为“水弹性城市”。提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生面对着全球能源的日益紧张，世界各国特别是欧美发达国家对节能技术给予了充分的重视。目前，国内外正大力开展对近30年来，各国在建筑设计和施工、新型建筑材料的开发和应用、建筑节能法规的制定和实施、建筑节能产品的认证和管理等方面做了很多的工作，不但节省了大量的能源，取得了可观的经济效益，同時改善了环境，降低了对大气臭氧层的破坏。随着国民经济的发展，我国城市化进程得到显著提高，但是很多城市化问题也伴随着扑面而来。在以追求城市经济效益发展的时候，造成了经济效益与生态效益严重失衡。我国快速的城镇化发展引发了一系列的生态环境问题，其中水生态问题尤为突出。比如：城市内涝、水污染、热岛效应等，每一件都让人触目惊心。因此，在我国新型城镇化建设的大背景下，海绵城市因运而生，作为人与自然和谐共存的“纽带”。

透水混凝土又称为环保地坪、生态地坪是由粗骨料、高标号水泥、掺合料，水性树脂、彩色强化剂、稳定剂及水等拌制而成的一种多孔轻质混凝土，由粗骨料表面包覆一薄层浆料相互粘结而成孔穴均匀分部的蜂窝状结构，故具有透气、透水和重量轻的特点。采用透水混凝土路面解决雨水和地下水之间的回补和释放是海绵城市道路建设的一个重要途径。在城市汛期时，雨水排泄不畅，造成一般路面积水，导致交通堵塞及事故等等城市问题。生态透水混凝土拥有20%空隙，下大雨时，雨水快速渗入地下，补给城市地下水资源，属优质环保材料，美观、高强度的新型地面整体铺装材料。如今，透水混凝土已被广泛运用在各种场合。比如：人行道及自行车道、社区、园林景观道路及城市广场、游泳池旁边及体育场、社区消防通道及轻量级道路、高尔夫球场电车道、户外停车场等。透水混凝土在海绵城市建设中已经占了很重的比例。所以，我们有理由相信，海绵城市的建设已离不开生态透水混凝土。

透水地坪材料特点：（1）高透水性：透水地坪拥有15%-25%的孔隙，能够使透水速度达到31-52升/米/小时，远远高于最有效的降雨在最优秀的排水配置下的排出速率。（2）高承载力：经相关国家检测机关鉴定，透水地坪的承载力完全能够达到C20-C25混凝土的承载标准，高于一般透水砖的承载力。（3）装饰效果：透水地坪拥有色彩优化配比方案，能够配合设计师独特创意，实现不同环境和个性所要求的装饰风格，这是一般透水砖很难实现的。（4）易维护性：人们所担心的孔隙堵塞问题是没有必要的，特有的透水性铺装系统使其只需通过高压水洗的方式就可以轻而易举的解决。（5）抗冻融性：透水性铺装比一般混凝土路面拥有更强的抗冻融能力，不会受冻融影响面断裂，因为它的结构本身有较大的孔隙。（6）耐用性：透水性地坪的耐用耐磨性能优于沥青，接近于普通的地坪，避免了一般透水砖存在的使用年限短，不经济等缺点。

建筑新型材料 已成为十分活跃的领域，在今后一个时期将给我国的建筑经济领域带来不可忽视的综合效益

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