1、混凝土新材料及其結構的發展及應用混凝土新材料及其結構的發展及應用1.概述混凝土是有填充料、膠凝材料以及各種外加劑組成的復合材料。并具有取材方便、常溫下凝結固化、易于澆筑成型、經濟實惠、耐高溫性能好、水中生成強度、耐水性能好、維修要求低等優點，至今已成為世界上用量最大、用途最廣的材料，成為現代工程結構 首選材料。同時也存在致命弱點，抗拉強度遠小于抗壓強度，在應用和解決問題的過程中，混凝土結構經歷了素混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土，素混凝土被稱為第一代混凝土而預應力混凝土則被稱為第三代混凝土。隨著社會發展以及人們對資源、環境、施工、使用及性能更進一步的需求，例如惡劣環境、高層大跨重載化、經濟合理

2、等。在不斷的研究和實驗過程中混凝土結構的材料在原有的基礎上有了很大的發展。2新材料及其結構的發展2.1纖維混凝土纖維混凝土的出現是現代建筑材料發展中的一大進步,它與鋼筋混凝土、預應力混凝土的出現有同等的重大意義。,把短纖維均勻地分散在混凝土中來改善普通混凝土的脆性。纖維混凝土的抗拉強度要比普通混凝土高2/3。最初使用的纖維材料是石棉纖維,近些年來又采用其它纖維材料,其中鋼纖維和玻璃纖維性能最好,最有發展前途。鋼纖維作為增強材料時,其彈性模量比普通混凝土高4倍,其韌性可達一般普通混凝土的30倍以上。而玻璃纖維的強度相當于高碳冷拔鋼絲的強度,約為25002500MPa。目前,各國除了研制纖維混凝土

3、以外,又研究在纖維混凝土中再配以普通鋼筋,這樣除了明顯地增強抗拉強度以外,對抗爆結構更有顯著的效果,能大大提高混凝土的抗爆裂強度,并可減少混凝土的飛散速度。纖維配筋混凝土構件,還可代替普通混凝土構件中的箍筋和輔助鋼筋,這對立體結構、落壁空間結構極為有利。2.1.1技術原理 纖維混凝土是指摻加短鋼纖維或合成纖維作為增強材料的混凝土，鋼纖維的摻入能顯著提高混凝土的抗拉強度、抗彎強度、抗疲勞特性及耐久性；合成纖維的摻入可提高混凝土的韌性，特別是可以阻斷混凝土內部毛細管通道，因而減少混凝土暴露面的水分蒸發，大大減少混凝土塑性裂縫和干縮裂縫。2.1.2.原材料與配合比(1)原材料 1）水泥：鋼纖維混凝土

4、應采用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥；合成纖維混凝土優先采用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥，根據工程需要，選擇其他品種水泥； 2）骨料：鋼纖維混凝土不得使用海砂，粗骨料最大粒徑不宜大于鋼纖維長度的2/3；噴射鋼纖維混凝土的骨料最大粒徑不宜大于10mm； 3）纖維：纖維的長度、長徑比、表面性狀、截面性能和力學性能等應符合國家有關標準的規定，并根據工程特點和制備混凝土的性能選擇不同的纖維。 （2）配合比 纖維混凝土的配合比設計應注意以下幾點： 1）鋼纖維混凝土中的纖維體積率不宜小于0.35%，當采用抗拉強度不低于1000MPa的高強異形鋼纖維時，鋼纖維體積率不宜小于0.25%；各類工程鋼纖維混凝土的鋼纖維

5、體積率選擇范圍應參照國家與有關標準。控制混凝土早期收縮裂縫的合成纖維體積率宜為0.06%0.12%。 2）纖維混凝土的最大膠凝材料用量不宜超過550kg/m3；噴射鋼纖維混凝土的膠凝材料用量不宜小于380kg/m3。 2.1.3質量保證措施 (1)纖維要選擇合適的摻量，合成纖維會使混凝土強度降低，在同時滿足抗裂性能和力學性能的前提下確定摻量，一般積率不超過0.12%。 (2)鋼纖維或合成纖維摻量過多時，都會使坍落度損失增加，選擇合適的摻量和調整配合比，使纖維的摻入對混凝土工作性不產生負面的影響； (3)纖維混凝土的軸心抗壓強度、受壓和受拉彈性模量、剪變模量、泊松比、線膨脹系數以及合成纖維軸心抗

6、拉強度標準值和設計值可按混凝土結構設計規范GB50010的規定采用。纖維體積率大于0.15%的合成纖維混凝土的上述指標應經試驗確定。2.1.4纖維混凝土的作用制造纖維混凝土主要使用具有一定長徑比（即纖維的長度與直徑的比值）的短纖維。但有時也使用長纖維（如玻璃纖維無捻粗紗、聚丙烯纖化薄膜）或纖維制品（如玻璃纖維網格布、玻璃纖維氈）。其抗拉極限強度可提高3050%。 纖維在纖維混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂縫的擴展。在受荷（拉、彎）初期，當配料合適并摻有適宜的高效減水劑時，水泥基料與纖維共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；當基料發生開裂后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受

7、者。 若纖維的體積摻量大于某一臨界值，整個復合材料可繼續承受較高的荷載并產生較大的變形，直到纖維被拉斷或纖維從基料中被撥出，以致復合材料破壞。 與普通混凝土相比，纖維混凝土具有較高的抗拉與抗彎極限強度，尤以韌性提高的幅度為大。2.2聚合物混凝土由于普通水泥混凝土抗拉張力低、脆性大、易開裂、耐化學腐蝕性差等缺點，將普通混凝土與聚合物按一定的比例混合起來的材料克服了以上缺點，具有強度高、耐腐蝕、耐磨、粘結力強等優點。2.2.1聚合物浸漬混凝土（PIC）定義：將硬化干燥后的混凝土浸漬在可聚合的低分子單體或預聚體中，在單體或預聚體滲入混凝土中的孔隙后引發聚合所得到的聚合物混凝土復合材料。原理：聚合物滲

8、填于混凝土內部孔隙后，提高了混凝土的密實度，也增加了水泥石與骨料之間的粘結力。原材料：液態單體：凡能被混凝土基材吸收，并能在其中聚合成為固體的液體原料，都可用于浸漬混凝土。一般選用粘度低、沸點高、收縮率小、聚合方便、價廉而且應用廣泛的原料，如甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等。混凝土材料：任何類型混凝土不論其所用的水泥品種、摻和料或集料都可以成功地浸漬。添加劑：稀釋劑-可以降低粘度，提高浸漬滲透能力。引發劑：采用熱聚合時，應預先將引發劑混入單體中。引發劑在浸漬時被吸附在基體表面，起激發聚合反應的作用。交聯劑：將線型聚合物轉化成體型聚合物。促進劑：降低引發劑的正常分解溫度，以促使單體在常溫下聚合。 性能：

9、具有高強、低滲、耐腐蝕及高的抗、抗沖、耐磨等特性，其抗壓強度可提高24倍，一般為100150Mpa,最高可達到260Mpa以上，抗拉強度可以提高到1020Mpa，最高能達到240Mpa以上。用途：要求高強度，高耐久性的特殊結構工程，如高壓輸氣管、高壓輸液管、高壓容器、海洋構筑物、原子能反應堆等工程2.2.2聚合物混凝土PC定義：以聚合物（樹脂或單體）代替水泥作為膠結材料與骨料結合，澆筑后經養護聚合而成的一種混凝土成分：由合成樹脂、粉料及天然砂、石配置而成。原理：用樹脂代替硅酸鹽水泥，是謀求膠凝材料的強化及膠凝材料與骨料之間界面粘結力的提高。性能：與普通混凝土相比，樹脂混凝土具有強度高，耐化學腐

10、蝕、耐磨、抗凍性好等有點，但硬化時收縮大，耐久性差。用途：由于樹脂成本高，目前僅用于特殊工程，如耐腐蝕性工程，修補混凝土構件及堵漏材料等。此外樹脂混凝土因其美觀的外表，又稱人造大理石，可以制成桌面、地面磚、浴缸等。2.2.3聚合物水泥混凝土PCC 定義：用聚合物乳液拌合水泥及粗、細骨料而制得的一種有機無機復合的混凝土材料。（其中聚合物的硬化和水泥的水化、凝結硬化同時進行，最后二者相互膠合和填充，并與骨料膠結成為整體。）成分：膠結材料=水泥+聚合物 骨料：粗細骨料（卵石、碎石、河沙、碎沙、硅砂等） 助劑：主要是穩定劑和消泡劑性質：聚合物的加入，使得混凝土的密實度有所提高，水泥石與骨料的粘結有所加

11、強，其強度遠不及浸漬混凝土那樣顯著，但與普通混凝土相比，在耐腐蝕性、耐磨性、耐沖擊性等方面均有一定程度的改善。用途：鋪筑無縫地面、路面以及修補工程2.3智能混凝土智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎上復合智能型組分，使混凝土材料具有自感知、自適應、自修復特性的多功能材料，對環境變化具有感知和控制的功能。 2.3.1損傷自診斷混凝土自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應功能。普通的混凝土材料本身不具有自感應功能，但在混凝土基材中復合部分其它材料組分使混凝土本身具備本征自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖。其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。下面主要介紹2種當前研究比較熱門的損

12、傷自診斷混凝土。 1)碳纖維智能混凝土 碳纖維是一種高強度、高彈性且導電性能良好的材料。在水泥基材料中摻入適量碳纖維不僅可以顯著提高強度和韌性，而且其物理性能，尤其是電學性能也有明顯的改善，可以作為傳感器并以電信號輸出的形式反映自身受力狀況和內部的損傷程度。將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知內部應力、應變和操作程度的功能。通過觀測，發現水泥基復合材料的電阻變化與其內部結構變化是相對應的。碳纖維水泥基材料在結構構件受力的彈性階段，其電阻變化率隨內部應力線性增加，當接近構件的極限荷載時，電阻逐漸增大，預示構件即將破壞。而基準水泥基材料的導電性幾乎無變化，直

13、到臨近破壞時，電阻變化率劇烈增大，反映了混凝土內部的應力一應變關系。根據纖維混凝土的這一特性，通過測試碳纖維混凝土所處的工作狀態，可以實現對結構工作狀態的在線監測.在入碳纖維的損傷自診斷混凝土中，碳纖維混凝土本身就是傳感器，可對混凝土內部在拉、壓、彎靜荷載和動荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及損傷開裂進行監測。試驗發現，在水泥漿中摻加適量的碳纖維作為應變傳感器，它的靈敏度遠遠高于一般的電阻應變片。在疲勞試驗中還發現，無論在拉伸或是壓縮狀態下，碳纖維混凝土材料的體積電導率會隨疲勞次數發生不可逆的降低。因此，可以應用這一現象對混凝土材料的疲勞損傷進行監測。通過標定這種自感應混凝土，研究人員決

14、定阻抗和載重之間的關系，由此可確定以自感應混凝土修筑的公路上的車輛方位、載重和速度等參數，為交通管理的智能化提供材料基礎。 碳纖維混凝土除具有壓敏性外，還具有溫敏性，即溫度變化引起電阻變化（溫阻性）及碳纖維混凝土內部的溫度差會產生電位差的熱電性（Seebeck效應）。試驗表明，在最高溫度為70，最大溫差為15的范圍內，溫差電動勢（E）與溫差t之間具有良好穩定的線性關系。當碳纖維摻量達到一臨界值時，其溫差電動勢率有極大值，且敏感性較高，因此可以利用這種材料實現對建筑物內部和周圍環境變化的實時監控；也可以實現對大體積混凝土的溫度自監控以及用于熱敏元件和火警報警器等可望用于有溫控和火災預警要求的智能

15、混凝土結構中。 碳纖維混凝土除自感應功能外，還可應用于工業防靜電構造。公路路面、機場跑道等處的化雪除冰。鋼筋混凝土結構中的鋼筋陰極保護。住宅及養殖場的電熱結構等。 2)光纖傳感智能混凝土光纖傳感智能混凝土，即在混凝土結構的關鍵部位埋人入纖維傳感器或其陣列，探測混凝土在碳化以及受載過程中內部應力、應變變化，并對由于外力、疲勞等產生的變形、裂紋及擴展等損傷進行實時監測。光在光纖的傳輸過程中易受到外界環境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等的變化而引起光波量如光強度、相位、頻率、偏振態的變化。因此人們發現，如果能測量出光波量的變化，就可以知道導致光波量變化的溫度、壓力、磁場等物理量的大小。于是，出

16、現了光纖傳感技術。近年來，國內外進行了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結構和建筑檢測這一領域的研究，開展了混凝土結構應力、應變及裂縫發生與發展等內部狀態的光纖傳感器技術的研究，這包括在混凝土的硬化過程中進行監測和結構的長期監測。光纖在傳感器中的應用，提供了對土建結構智能及內部狀態進行實時、在線無損檢測手段，有利于結構的安全監測和整體評價和維護。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大Caleary建設的一座名為BeddingtonTail的一雙跨公路橋內部應變狀態監測；美國Winooski的一座水電大壩的振動監測；國內工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監測和蕪湖長江大橋長期監測與安

17、全評估系統等。2.3.2自調節智能混凝土 自調節智能混凝土具有電力效應和電熱效應等性能。混凝土結構除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風、地震等自然災害期間，能夠調整承載能力和減緩結構振動，但因混凝土本身是惰性材料，要達到自調節的目的，必須復合具有驅動功能的組件材料，如：形狀記憶合金（SMA）和電流變體（ER）等。 形狀記憶合金具有形狀記憶效應（SME），若在室溫下給以超過彈性范圍的拉伸塑性變形，當加熱至少許超過相變溫度，即可使原先出現的殘余變形消失，并恢復到原來的尺寸。在混凝土中埋入形狀記憶合金，利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復相應形狀的功能，在混凝土結構受到異常荷載于擾時，通過

18、記憶合金形狀的變化，使混凝土結構內部應力重分布并產生一定的預應力，從而提高混凝土結構的承載力。 電流變體（ER）是一種可通過外界電場作用來控制其粘性、彈性等流變性能雙向變化的懸膠液。在外界電場的作用下，電流變體可于0.1ms級時間內組合成鏈狀或網狀結構的固凝膠，其初度隨電場增加而變調到完全固化，當外界電場拆除時，仍可恢復其流變狀態。在混凝土中復合電流變體，利用電流變體的這種流變作用，當混凝土結構受到臺風，地震襲擊時調整其內部的流變特性，改變結構的自振頻率、阻尼特性以達到減緩結構振動的目的。 有些建筑物對其室內的濕度有嚴格的要求，如各類展覽館、博物館及美術館等，為實現穩定的濕度控制，往往需要許多

19、濕度傳感器、控制系統及復雜的布線等，其成本和使用維持的費用都較高。日本學者研制的自動調節環境溫度的混凝土材料自身即可完成對室內環境濕度的探測，并根據需要對其進行調控。這種混凝土材料帶來自動調節環境濕度功能的關鍵組分是沸石粉。其機理為：沸石中的硅酸鈣含有（39）X1010m的孔隙。這些孔隙可以對水分、N0x和S0x氣體選擇性的吸附。通過對沸石種類進行選擇，可以制備符合實際應用需要的自動調節環境濕度的混凝土復合材料。它具有如下特點：優先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸、放濕與溫度相關，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。2.3.3自修復智能混凝土 混凝土結構在使用過程中，大多數結構是帶縫

20、工作的。混凝土產生裂縫，不僅強度降低，而且空氣中的CO2、酸雨和氯化物等極易通過裂縫侵人混凝土內部，使混凝土發生碳化，并腐蝕混凝土內的鋼筋，這對地下結構物或盛有危險品的處理設施尤為不利，一旦混凝土發生裂縫，要想檢查和維修都很困難。自修復混凝土就是應這方面的需要而產生的。自愈合混凝土就是模仿生物組織，對受創傷部位自動分泌某種物質，而使創傷部位得到愈合的機能，在混凝土傳統組分中復合特性組分（如含有粘結劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經網絡系統，模仿動物的骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理。采用粘結材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高

21、材料性能的新型復合材料。在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應引發劑與單聚物聚合成高聚物，聚合反應留下的水分參與水泥水化。這樣便在纖維網的表面形成大量有機與無機物，它們相互穿插粘結，最終形成的復合材料是與動物骨骼結構相似的無機與有機相結合的材料，具有優異的強度及延性等性能。而且在材料使用過程中，如果發生損傷，多孔有機纖維會釋放高聚物，愈合損傷。2.3.4 智能混凝土的應用發展 智能混凝土具有廣闊的應用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實際工程，還有很多問題需要進一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優排布方式；自愈合混凝土的

22、修復粘結劑的選擇。封人的方法以及愈合后混凝土耐久性能的改善等。解決上述一系列問題將對智能混凝土今后的發展產生深遠的影響。為促進智能混凝土研究工作的順利開展有必要就以下幾點形成共識：（1）開發應有針對性。所謂針對性就是要針對混凝土性能發生惡化和結構發生破壞等現象，考慮不同的智能方法，如針對這些現象，設想開發出一種能應對所有這些情況的手段是很困難的，因此，縮小智能化范圍，以某種功能為對象，從而開發出相對最適應的方法是必要的。（2）實施中應具有可行性。澆注混凝土多在施工現場進行，因而作為智能混凝土的施工方法，對其技術與工藝要求不能過高。應以原有工藝為基礎開發相應的較為簡單的方法。選用的材料應具有化學

23、穩定性，要有利于安全使用，不揮發任何有刺激的氣味和其它有害物質，并能大量應用而且成本較低。（3）設計應具有綜合性。采用智能化，雖然可以提高材料的耐久性，但也會帶來負面作用。如由于使用了某種材料雖然能對某種惡化現象進行控制和改善，但是否會對強度等其它性能有所影響，所有這些正反兩方面的問題都必須在判斷和設計時進行綜合考慮和權衡。2.4金屬混凝土金屬混凝土是一種人造的聚積物,這種人造聚積物由金屬膠結材料和礦物質或其它骨料作成。在這種混凝土中金屬充當了水泥的作用,也可看成是含有大量填充材料的金屬。根據所用的金屬可以作成鋁、鋼、鐵、銅、錫、鋅等混凝土。其膠結材料的含量通常是巧%50%(體積比)。骨料一般

24、用石英巖、玄武巖、花崗巖和其它礦物巖做成的碎石和砂,也可用陶粒、燒結多孔骨料、凝灰巖和浮石,還可用有機骨料(塑料、木材)。生產工藝與熱處理、電物理處理、電化學處理的過程有關。可以把熔化的金屬熔融物澆灌到模子里的骨料空隙中,也可以先用骨料和粒狀金屬的混合物充滿模子,然后加熱到金屬的熔化溫度。金屬混凝土各方面的性能都很好，而且材料消耗不多，其強度極高、熱穩定性好、耐磨性強、化學穩定性好、耐火性好。以及鋁制混凝土為例，其抗壓強度高達150-300MPa，是純金屬卡壓強度的1.5被，是水泥混凝土的10倍，而且其熱穩定性和電阻都比純鋁大大提高。任何形狀截面的制品都可以用金屬混凝土來制作，而更適宜制作板，重荷載結構和承受高溫、磨損、沖擊、化