土木工程材料的发展

土木工程材料的发展

摘要：这篇文章概要的描述了20世纪末运用在土木工程中建筑材料的一些问题同时展望了建筑材料的未来前景。对19世纪至20世纪基本建筑材料如钢和混凝土的一些改进做了分析。它描述了新材料如碳纤维增强复合材料，高强混凝土，高性能混凝土如何为材料的进一步发展创造了可能性。同时也介绍了现代胶合木结构的新机遇。指出了玻璃和塑料作为建筑材料运用在土木工程中的一些局限性。

重要词汇：钢，混凝土，高强混凝土，高性能混凝土，碳纤维增强复合材料，高层建筑，水中建筑

1.引言

土木工程——一门关于各式各样建筑的艺术——早在文明发展的初期就存在于人类的领域中了。这些建筑除了住宅还有公共建筑，工业建筑，桥梁，高架桥，隧道，公路和火车道，高速公路和飞机场，水库和仓库，水堰，大坝，水中建筑，电视塔，以及大量的构成我们生活环境的其他建筑。

土木工程领域中的人类活动可以追溯到很早以前，当人类观察他周围的自然环境并开始模仿改进它们以创造出更安全更好的生存环境。此外，比较早之前，他注意到了他的建筑“艺术品”除了具备安全性，耐久性和实用性外还应该具备和谐性美观性。Socrates曾经发表过相同的观点，他说，人类的一切创造均需要具备实用性，耐久性和美观性。

土木工程千百年的发展进程代表着与可利用材料，距离，高度，活载以及自然力量——水，火，风和地震的不断抗争。这些元素有些具有重要的意义，其他的一些具有次要的意义。首先提到的这些，对建筑材料发展的影响扮演着重要的角色。

首先，古代的人类群体使用的是天然材料如石头和木材。在时间的进程里，他们学会了如何用黏土来做成砖，一种人工石头，即首先先在阳光下晒干然后在烘干。在主要的文明中心（中东，近东和地中海地区）炎热的气候和短浅的经济思想导致了，在一个短的时间内，木材被淘汰出作为建筑材料的范畴。这在植被

很多的一些中欧和东欧，北欧诸国的和俄罗斯亚洲部分的一些国家并没有发生。

石头和砖块——脆性材料——统治着欧洲文明时期土木工程近几个世纪：从公元前3000年埃及的金字塔到英国的第一次工业发展（18世纪至19世纪）。它们是竖直的墙体和柱体构件的合适的材料，但同时，因为它们的抗拉强度低，。因此，在水平构件上引起了一系列的问题。在古罗马很流行的拱结构，其最初的半圆形的形式，是大跨度结构构件的常用形式。

随着时间的推移，拱结构变得越来越轻巧。桥台在长度和宽度方向上所能承受的竖直水平荷载变得越来越大。在早期的中世纪期间，并没有太大的提高。直到哥特式时代和文艺复兴时期，新的形式和想法才被引进。但是，这些仍是建立在拱，曲形穹顶的基础上发展起来的形式（如凹圆穹顶，交叉拱，筒形穹顶，枝形穹顶）。拱从半圆形过度到弧形，最后过渡到椭圆形。石头或砖式的圆屋顶一般都是从圆形或多边形的方案中选一个。

在巴洛克式，洛可可式和新古典主义建筑中，其基本的建筑形式并无改变而仅仅只是添加了各种各样的装饰和点缀。真正完整的一次变革是建立在对世界的认知上，其萌芽是在文艺复兴时期和启蒙运动时期，此次，也使土木工程从垂直桥台和拱或双曲线屋顶的圈中释放出来了。

2.钢：19世纪和20世纪的基本建筑材料

钢和水泥石两种相近的新建筑材料，它们在18世纪和19世纪被引进。首先是铸铁，然后原钢和铸钢最后是精炼钢和高强钢被认为是很好的建筑材料。它们是延性材料，有着很高的抗拉和抗压强度。这使得钢结构在跨度方向能作为受弯构件，这在几年前是不在考虑范围之内的。随后产品技术的提高使得获取优质钢成为了可能。这些进步易通过钢结构桥的发展看出。

尽管进步很大，但钢缆桥和悬索桥的发展似乎已经达到了极限。横跨墨西拿海峡上的桥证实了在3000米的主跨度上承受的极限荷载主要是两对直径为1.2米的缆绳的自重而不是通过汽车和火车等交通的桥面。

这就是21世纪工程中面临挑战的原因：我们可以用高强钢索来替代普通钢索以达到减轻重量，但它能像普通钢索一样结实么？太空工程的一些成就，运用到土木工程中，对其有一定的帮助。

3.碳纤维增强复合材料：一种未来的建筑材料

CFRP(碳纤维增强复合材料)这种材料，现在主要应用于太空，航空技术和专门性的职业运动中。EMPA——瑞士联邦实验室，与BBR,Stahlton和SIKA公司合作致力于材料试验和研究，正努力地将这种材料向世界的工程推广。

CFRP是由直径为5~10微米的非常细的碳纤维嵌于聚酯树脂里组成的。商业上碳纤维有着3500~7000Mpa的抗拉强度，弹性模量为230~650Gpa，极限延长长度可达0.6~2.4%的长度。

这种材料首次用在加固是用于建成于1991年的瑞士卢塞恩附近的伊巴赫桥。薄板状的带条，尺寸50mm×1.75mm或150mm×2.00mm,长5000mm，与混凝土区胶合。薄板里含有55%的T300的纤维，抗拉强度有1900Mpa,纵向的弹性模量有129Gpa.如今，越来越多的会用这种方法进行加固。

每一条斜拉索，是由241条直径为5mm的CFRP缆线和普通的钢绞线组成的。这座小桥第一次应用CFRP材料是最好的选择因为这种材料几乎没有热膨胀率。在将近35m的长度上，钢索并没有因为掺杂了其他材料而引起任何问题。

上面提到的运用在斜拉索中的CFRP缆线的技术指标为：材料的密度为1.56g/m2,含68%的纤维，抗拉强度为3300Mpa,纵向弹性模量为165Gpa,热膨胀率为0.2×10-6 K-1。

从上面的数据可以看出，CFRP材料斜拉索的弹性模量，与有着很大轴向拉伸阻力或者超过其两倍的的高抗拉强度的普通钢绞线相当，同时密度却比其小了5倍。因此，CFRP是一种未来的材料特别是它的耐久性好，抗疲劳能力强，耐腐蚀性好。

面临的关键问题是找出能使钢索固定在锚具里的方法。这是由于CFRP的重要机械性能只能在纵向体现的特点引起的。

制定出锚固体系的EMPA实验室通过用锥形截面的填满浇铸材料的锁块解决了此问题，它机械性能的改变方向与锚具的长度方向一致。

CFRP材料在土木工程中无法推广的主要原因是因为碳纤维的价格高，大约每1千克25瑞士法郎（但是，它们比钢轻5.2倍）考虑到工程中材料的利用次数，碳纤维的应用应该会调至一个合理的价格。

最后，涉及到以上提出的问题，CFRP材料斜拉索在将来是否会替代普通钢索运用在悬索桥或是斜拉桥中，这就得引用第五页的数据来分析了。钢索的弹性

模量随着它长度的增加而减小。当l=0时，E=200Gpa,当l=1000m，E=163Gpa,当l=2000m,E=98Gpa.而对于CFRP材料，对应的弹性模量则为165Gpa,163Gpa和162Gpa。从这些数据以及以上的材料可以确定，当l>2000时，CFRP材料缆索可能成为未来的用于大跨度结构工程的合适材料。

4.混凝土：20世纪的基本建筑材料

第一次工业革命中导致土木工程的发展的另一项“发明”就是水泥。被称为“波特兰水泥”并在1824年由丁．阿斯普丁取得了专利权。它被认为是用来生产新型材料——混凝土的一种优秀的水硬性胶凝材料。这种材料相对便宜并且容易生产。基于自然界中存在的集合物和水以及上面提到的水泥，可能“铸造”出各种形状的构件和结构。一时间，混凝土成了20世纪最普及的建筑材料。这种“人造石”也有着和天然石头一样的缺点：抗拉强度很低而脆性很高。混凝土

的f

ctm /f

cm

是1/10（对于天然石头是1/26），但尽管如此混凝土也可以用在受弯

构件中。例如，对拱或拱顶形式，跟砖或石头结构一样，在应用的第一年就占有了统治的地位。

归功于19世纪70年代和90年代Monier和Hennebique的成功尝试使得一种珍贵的建筑材料称为钢筋混凝土被创造出来了。混凝土构件的受拉区通过加柔性的钢筋条使其强度提高以及各种优质材料的综合运用，使得跨度达30m至40m 的钢筋混凝土弯曲构件出现成为了可能。对于大跨度结构，其结构自身所能承受的荷载有一个极限，这也使得混凝土的运用有了一个上届。这种情况类似于高层建筑的上届只能是20层的高度，是因为垂直构件如墙和柱的容许荷载决定的。

混凝土的进一步发展归功于有效力概念的引入。如预应力结构。Freyssinet 的理论和实验表明，为了使预应力是有效的，C30~C40的高强混凝土以及强度达1500~2500Mpa的预应力结构钢必须用在结构中。基于这些假设，Dischinger在1937~1938年间在建造了第一座预应力桥，同时在1938年，Hoyer取得了预应力方法的专利权。

预应力混凝土在土木工程中的引进为建造者们展现了完美的新机遇。在桥结构和公共建筑上（）涌现出了新的方法和技术（不对称的壳体结构，带状结构），建于1944年挪威的桥就是运用了悬臂的方法。它的跨度达2600m。高层建筑运用了C40的混凝土也达到了30层的高度。

尽管有了这些成就，但是由素混凝土做成的结构似乎注定会不幸，因为其耐腐蚀性差以及长期暴露于污染越来越严重的环境中造成的。这样导致了钢筋的表层碳化，钢筋被腐蚀。由于不是很密封的覆盖层以及密度相对高的素混凝土，使得预应力钢索被腐蚀。氯化物（如在交通建筑中）或硫酸盐（如在工业建筑中）的进一步作用导致了混凝土被腐蚀的范围进一步的扩大。这些作用，特别是对于那些直接暴露在大气中的建筑（如桥，烟囱，水库，冷却塔等），将使它们的使用年限大幅度减少。它们需要维修养护时间也比计划提早。这些过程都是金钱和时间的共同损耗。混凝土桥的预期使用年限在20世纪50年代为100年，在20世纪70年代为75年，而如今只有50年。这样，在20世纪末，耐久性的问题已经成为素混凝土桥面面临的一大难题。在20世纪80年代，新一代的混凝土出现在了世界上的几个国家。高强混凝土（HSC）：强度等级为C60~C90和高性能混凝土（HPC）：强度等级为C90~C150.

5.高性能混凝土：未来的建筑材料

高强素混凝土（强度等级达C50）到高强混凝土和高性能混凝土的过渡，可能是因为在素混凝土中添加了几种添加剂如硅粉，超塑性材料。

以及大的比表面硅粉，一种硅铁冶炼过程的附属产物，含有98%的纯SiO

2

积，达25m2/g，将近是波特兰水泥比表面积得80倍。它有着高强的火山灰性质，能和氢氧化钙水化物组成稳定的硅酸钙水化物。这种水化物主要出现在水泥砂浆基石和骨料细粒接触的区域，这样，就会使这个区域的强度变高，也会减少气孔数。而且，这种水化物使得砂浆更加均匀，强度更高。最后，使得混凝土结构变得非常均质均匀。

氢氧化钙水化物，是波特兰水泥水化作用的产物，是水泥砂浆中最弱的化合物。它以大晶体的方式存在于骨料细粒的表面，与钙矾石C-A-S-H和水润湿骨料细粒，它在混凝土里形成了一个弱接触区。

为了获得高强度的混凝土，必须用一个较低的水灰比（0.3~0.5）来配制，对于高性能混凝土，水灰比必须控制得比0.3更低。为了达到混凝土混合物要求的稠度和工作性能，离不开同一时期的超塑性材料。超塑性材料，主要是三聚氰胺和萘或者其混合物，首先作用在水泥砂浆和骨料细粒的接触层处形成了所谓的双滑动层。在水泥中加入2%~4%的塑性材料，使得新一代的水泥，HSC和HPC，

产生和被引进于土木工程中成为了可能。

HSC和HPC有以下的特征：(1)压缩性高（2）脆性高（与其压缩性相比，抗拉强度很低）（3）孔隙率低，吸水性差（4）由于其高密实性，耐久性和抗冻性好（4）（与普通混凝土相比）与钢筋的粘结度提高了40%（5）（与普通混凝土相比）收缩性和徐变降低了30%，在养护的第七天就已经完成了收缩和徐变的70%（6）由于其高密实性导致水泥的水化热增加，降低了其耐火性，这也使得遇到火时，混凝土硬化过程中的水不会流失而转化为高压蒸汽。

以上的数据表明了HSC和HPC特别适用于那些受轴向或偏心压力（如高层建筑的竖直构件，海洋平台，预应力结构）以及直接暴露于大气和环境（如被污染的空气中，砂，海盐等）中的结构。它们使得构件的横断面达到最小，这样，就使得建筑的使用空间变大。它们也广泛用于高层建筑的楼层中，大大减小了其厚度。HSC和HPC在土木工程中的应用仍需解决一些问题，因此，国际研讨会每三年在斯塔万格（1987年），伯克利（1990年），利勒哈默尔（1993年），巴黎（1996年）开一次会来讨论这些问题。一些国家已经获得了HSC和HPC用于建筑使用中的许可证（如挪威，芬兰，美国，加拿大，日本，德国，瑞士，荷兰）。其他的一些国家也正在制定相关的文件。

受轴向或偏心压力的这种混凝土梁的承载能力，它的理论假定已经通过试验结果证实。为了防止混凝土梁的脆性破坏，要求在横向配置强度高的箍筋。同样的，为了防止产生弯曲变形，在高强混凝土梁的受压区只能配置等级高的梁钢筋。可是，可也与该区域的脆性破坏有关系，同时要求要配置强度高的箍筋。

由于开裂极限状态，在受拉区配置的钢筋等级极少会增加得很明显。在受弯构件里，(1)对于C30混凝土和S400钢筋,ρ=0.22%(2)对于C60混凝土和S400钢筋，ρ=0.32%（3）对于C90混凝土和S400钢筋，ρ=0.40%

预应力结构横断面的抗裂性与系数k=0.38f

ck /f

ctk0.05

成比例。（1）对于C30

混凝土，k=6.0（2）对于C60混凝土，k=8.4（3）对于C90混凝土，k=10.0 通过上面的详细分析可以清楚的看出，在20世纪末出现的新一代的高质量混凝土将最终在土木工程的实践中代替普通的素混凝土。

同时提到，由于其水化作用的温度越来越高，对于那些使用这些混凝土的大型结构，它们的强度与在常温t=20℃的环境下，经过28天硬化的混凝土相比，

低了10%~15%.在评价强度时考虑到这个因素，用了一个影响系数χ进行折减：/600）.

χ=0.95（1-f

ck

HSC/HPC混凝土的耐火性的提高可以通过添加聚丙烯纤维来实现。高温时，纤维就会熔化，在混凝土结构中留下类似筒状的空洞，混凝土硬化时的水就可以扩散到这些空洞处。水汽就可以通过表面边缘蒸发而不用破坏混凝土结构，这样，就会减少结构所受的荷载。

6．其他一些先进的混凝土结构材料

主要介绍两种。

预应力结构越来越多的引进了玻璃纤维（GF）碳纤维（CF）和芳纶。这些钢腱经过适当的修改，添加了60%~65%的环氧树脂复合材料，被经常用在钢丝或钢丝束中。它们的主要优点是重量轻（密度大约比普通钢丝低5倍），与普通钢丝比，强度相当，弹性模量和延性也较普通钢丝低。这些钢腱的应力-应变关系曲线接近直线，最后达到脆性破坏。

纤维混凝土经常都是与钢筋一起使用用在隧道壁的加固，桥或冷却塔的整修和重建，加固仓库的受荷大的楼地面。钢筋混凝土的主要优点不仅是抗拉强度是素混凝土的两倍，而且其塑性也是它的好几倍。这是通过断面能GF或者韧性指数计量区域比值F1/F2得到的。

根据作者的经验，当添加纤维Vf=5%时，其断裂能达到207%，当Vf=1.0，对应的断裂能为457%，Vf=1.5，断裂能为678%。当在计算有效荷载或冲击荷载时，这是必须要考虑到的问题。

为了减少因为纤维喷混凝土过程中的溅出损失，经常通过加硅粉来实现。

最后，必须提到SIFCON方法，这是由德国制定出的，用来修补受破坏的混凝土道路的人行道，飞机场航线跑道以及建筑的天花板。在这种方法里，低碳钢钢筋完全由体积超过其10%的钢纤维来替代。纤维分布在干净的表面，抹上稀高质量水泥砂浆并用浮式振捣器使其固结。

这种材料的抗压强度大约为90~105Mpa，弯曲抗拉强度为35~45Mpa,它与基础粘结得很好，也不用开孔隙或破坏已存在的人行道。高质量砂浆的组成由：PZ55水泥，1000kg/m3；0.7mm粒径砂，860kg/m3；水，330kg/m3；超塑性材料，35kg/m3.

7.木材的复兴

木材经常作为建筑的基本材料，但是，考虑到它的极限寿命（15~25年）以及耐水性和耐火性差，木质建筑一般都作为临时建筑。这也是为什么只有很少的木结构建筑保存下来的原因。

在20世纪，尽管出现了钢筋和混凝土这样有竞争性的材料，木材还是在一些发展国家（美国，加拿大，俄罗斯）的建筑中占有一个比较重要的角色。这可能归功于木工的进步以及后40年技术的进步。技术的进步导致了（1）木结构的正确保存使得其耐久性与钢结构和混凝土结构相当（2）目前木结构的建造几乎都是通过工业的方法生产出构件或整个完整的物体，这大大减少了劳动消耗资源。

来自洛桑的Natterer，木结构的伟大拥护者之一，说，如果我们想拯救森林，我们就应该用木材来建造。在大部分的国家中，森林体系都是病态的，这些森林中的木材可以用胶粘的方法与胶合板重叠做成梁。这种方法带来了很好的效果，材料又相对便宜经济。（与混凝土和钢筋相比）。

在现代建筑中，木材用于下列的形式（1）传统的方法使用了当地或进口的实心的木材（2）用工业技术方法将木材切成薄片叠在一切，这样就能造出大尺寸或整跨的构件。

所有的这些进步归功于（1）新工业技术的产生，木材的保存和化学方法改进的结果（2）高强木材的使用（3）新建造方法适应了现代技术。

通过以上的这些描述的这些改进，我们可以得到，在21世纪，这种材料将更容易的适应于自然环境，其工作性能高，自重低，将毫无疑问的作为钢结构和混凝土结构的补充。

8．其他建筑材料

玻璃和塑料必须不能被忽略。目前，它们都已经在用于建筑当中了。在波兰超市，出现了防弹玻璃，多层夹层玻璃。

这类型的玻璃有着很高的机械强度，是普通玻璃的3~6倍。热阻高且能抵抗温度的变化（最高达150K），破裂时也不会伤到人。它们可以承受建筑表面的大荷载，用于玻璃屋顶和天窗，遮板和窗户，意愿，学校，可以有效的隔绝街上和公路上的噪音。

以目前来说，塑料在化学领域的进步比其他建筑材料快。因此，可以假定，

在近几年里，以高分子聚合物为基础的新型材料将成功的替代传统材料。

塑料非常适用于建筑建筑结构中，特别是因为它们轻巧的特点（质量密度ρ=1000~1400kg/m3）,抗腐蚀性高，光透射比高，具有可染色性，容易制成。它的最大缺点是：弹性系数很低，流变破坏性高，低热阻，在UV射线下易老化。普通塑料的抗拉强度为10~80Mpa,但是，加入玻璃纤维却能使该性能提高到130~600Mpa(沿平行纤维的方向)，塑料的弹性模量很低（只有2Gpa）但是加入玻璃纤维后，却能达到与钢结构相当的55Gpa.

现代的化学技术在尽力地改造塑料的这些缺点，通过添加化合物来吸收UV 能并将其以长波的形式重新发射出，这样，对塑料就没有损害性了。塑料的易燃性也因为加入了添加剂而改善了，添加剂会将火焰分解从而不会产生火。添加物的加入不仅是塑料的抗拉强度和弹性模量得到了提高，在很大程度上也防止了塑料发生流动。

上述的种种限制导致了塑料在土木工程中只能是作为交次要的建筑材料，（1）在薄片状的构件中（“三明治”类型）（2）半透明构件和结构中如天窗，屋顶和墙（3）3D结构

塑料用在3D构造物中的有：折板结构，用增强树脂，刚性多空塑料，薄膜和骨架做的薄膜结构，球形穹顶和充气结构。大部分的情况，上述的结构都还要有钢腱才能起作用。

塑料广而远知且仍在发展中的应用，那就是应用在聚合物混凝土(PC)，聚合物水泥混凝土（PCC），氯丁橡胶的桥梁支座以及外层为钢身的塑料烟囱中（为了防止浓烟的腐蚀）。塑料在黏结中也扮演者重要的角色，可以作为木材的黏结剂（在重叠梁中）也可以作为混凝土的黏结剂（在桥的悬臂法中加上预制构件时使用）。树脂也经常用于混凝土开裂裂缝的修补中，大型结构中以及用来加固混凝土结构和钢筋结构时所使用的钢，CFRP镶边构件的黏结。

通过上述内容，我们可以清楚看到塑料在土木工程中的应用范围很广。它不仅可以用作补充物，也在传统建筑材料如钢，混凝土，陶瓷和木材的正常使用中起重要作用。