混凝土结构新材料的发展及应用

1、混凝土新材料及其结构的发展及应用混凝土新材料及其结构的发展及应用1. 概述混凝 土是有填充料、胶凝材料以及各种外加剂组成的复合材 料。 并具有取材方便、常温下凝结固化、易于浇筑成型、经济实惠、耐 高温性能好、水中生成强度、耐水性 能好、 维修要求低等优点，至 今已成为世界上用量最大、用途最广 的材料 ，成为现代工程结构 首 选材料。同时也存在致命弱点，抗拉强度远小于抗压强度，在应用 和解决问题的过程中，混凝土结构经历了素混凝土、钢筋混凝土和 预应力混凝土，素混凝土被称为第一代混凝土而预应力混凝土则被 称为 第三代混凝土。随着社会发展以及人们对资源、环境、施工、使用及性能更进 一步的需求，例如恶

2、劣环境、高层大 跨重载 化、经济合理等。在不 断的研究和实验过程中混凝土结构的材料在原有的基础上有了很大 的发展。2 新材料及其 结构的发展2.1 纤维混凝土纤维混凝土的出现是现代建筑材料发展中的一大进步, 它与钢筋 混凝土、预应力混凝土的出现有同等的重大意义。, 把短纤维均匀地 分散在混凝土中来改善普通混凝土的脆性。纤维混凝土的抗拉强度 要比普通混凝土高 2/3 。最初使用的纤维材料是石棉纤维, 近些年来又采用其它纤维材料,其 中钢纤维和玻璃纤维性能最好,最有发展前途。钢纤维作为增强材料 时,其弹性模量比普通混凝土高4倍,其韧性可达一般普通混凝土 的 30 倍以上。而玻璃纤维的强度相当于高碳

3、冷拔钢丝的强度,约为 25002500MPa目前，各国除了研制纤维混凝土以外，又研究在纤维 混凝土中再配以普通钢筋,这样除了明显地增强抗拉强度以外,对抗 爆结构更有显著的效果,能大大提高混凝土的抗爆裂强度,并可减少 混凝土的飞散速度。纤维配筋混凝土构件, 还可代替普通混凝土构件 中的箍筋和辅助钢筋,这对立体结构、落壁空间结构极为有利。2. 1.1 技术原理纤维混凝土是指掺加短钢纤维或合成纤维作为增强材料的混凝 土，钢纤维的掺入能显著提高混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗疲 劳特性及耐久性；合成纤维的掺入可提高混凝土的韧性，特别是可 以阻断混凝土内部毛细管通道，因而减少混凝土暴露面的水分蒸发， 大大

4、减少混凝土塑性裂缝和干缩裂缝。2.1.2. 原材料与配合 比(1) 原材料1) 水泥：钢纤维混凝土应采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥； 合成纤维混凝土优先采用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥，根据工程 需要，选择其他品种水泥；2) 骨料：钢纤维混凝土不得使用海砂，粗骨料最大粒径不宜大 于钢纤维长度的 2/3；喷射钢纤维混凝土的骨料最大粒径不宜大于10mm；3) 纤维：纤维的长度、长径比、表面性状、截面性能和力学性 能等应符合国家有关标准的规定，并 根据工 程特点和制备混凝土的 性能选择不同的纤维。(2)配合比纤维混凝土的配合比设计应注意以下几点：1)钢纤维混凝土中的纤维体积率不宜小于0.35%，当采用

5、抗拉强度不低于1000MP啲高强异形钢纤维时，钢纤维体积率不宜小于0.25%；各类工程钢纤维混凝土的钢纤维体积率选择范围应参照国家 与有关标准。控制混凝土早期收缩裂缝的合成纤维体积率宜为0.06% 0.12%。2)纤维混凝土的最大胶凝材料用量不宜超过550kg/m3;喷射 钢纤维混凝土的胶凝材料用量不宜小于 380kg/m3。2.1.3 质量保证措 施(1) 纤维要选择合适的掺量，合成纤维会使混凝土强度降低， 在同时满足抗裂性能和力学性能的前提下确定掺量，一般积率不超过0.12%。(2) 钢纤维或合成纤维掺量过多时， 都会使坍落度损失增加， 选 择合适的掺量和调整配合比，使纤维的掺入对混凝土工

6、作性不产生 负面的影响;(3) 纤维混凝土的轴心抗压强度、受压和受拉弹性模量、剪变模 量、泊松比、线膨胀系数以及合成纤维轴心抗拉强度标准值和设计 值可按混凝土结构设计规范GB50010的规定采用。纤维体积率 大于 0.15%的合成纤维混凝 土的上述指 标应经 试验确定。2.1.4 纤维混凝土 的作用制造纤维混凝土主要使用具有一定长径比（即纤维的长度与直 径的比值）的短纤维。但有时也使用 长纤维 （如玻璃纤维无捻粗纱、 聚丙烯纤化薄膜）或纤维制品（如玻 璃纤维 网格布、玻璃纤维毡）。其抗拉极限强度可提高3050%纤维在纤维混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥 基料中裂缝的扩展。在受荷（拉

7、、弯 ）初期 ，当配料合适并掺有适 宜的高效减水剂时，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力 的主要承受者；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主 要承受者。若纤维的体积掺量大于某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直到纤维被拉断或纤维从基料中被 拨出，以致复合材料破坏。与普通混凝土相比，纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯极限强 度，尤以韧性提高的幅度为大。2.2 聚合物混 凝土由于 普通水泥混凝土抗拉张力低、脆性大、易开裂、耐化学 腐 蚀性差等缺点，将普通混凝土与聚合 物按一 定的比例混合起来的材 料克服了以上缺点，具有强度高、耐腐蚀、耐磨、粘结力强等优点。2.2

8、.1 聚合物浸渍 混凝土（ PIC）定义：将硬化干燥后的混凝土浸渍在可聚合的低分子单体或预 聚体中，在单体或预聚体渗入混凝土中的孔隙后引发聚合所得到的 聚合 物混凝土复合材料。原理：聚合物渗填于混凝土内部孔隙后，提高了混凝土的密实 度，也增加了水泥石与骨料之间的粘结力。原材 料：液态单体：凡能被混凝土基材吸收，并能在其中聚 合 成为固体的液体原料，都可用于浸渍混凝土。一般选用粘度低、沸 点高、收缩率小、聚合方便、价廉而且应用广泛的原料，如甲基丙 烯酸甲酯、苯乙烯等。混凝土材料：任何类型混凝土不论其所用的水泥品种、掺和料 或集 料都可以成功地浸渍。添加 剂：稀释剂- 可以降低粘度 ，提高浸渍渗透

9、能力。引发剂：采用热聚合时，应预先将引发剂混入单体中。引发剂 在浸渍时被吸附在基体表面，起激发聚合反应的作用。交联剂：将线型聚合物转化成体型聚合物。促进剂：降低引发剂的正常分解温度，以促使单体在常温下聚 合。性能 ：具有高强、低渗、耐腐蚀及高的抗、抗冲、耐磨等特 性，其抗压强度可提高24倍，一般为100150Mpa最高可达到260Mpa以上，抗拉强度可以提高到1020Mpa最高能达到240Mpa以上。用途 ：要求高强度，高耐久性的特殊结构工程，如高压输气 管、高压输液管、高压容器、海洋构筑物、原子能反应堆等工程2.2.2 聚合物混凝土 PC定义 ：以聚合物（树脂或单体）代替水泥作为胶结材料与骨

10、 料 结合，浇筑后经养护聚合而成的一种 混凝土成分：由合成树脂、粉料及天然砂、石配置而成。原理：用树脂代替硅酸盐水泥，是谋求胶凝材料的强化及胶凝 材料与骨料之间界面粘结力的提高。性能：与普通混凝土相比，树脂混凝土具有强度高，耐化学腐蚀、 耐磨、抗冻性好等有点，但硬化时收缩大，耐久性差。用途 ：由于树脂成本高，目前仅用于特殊工程，如耐腐蚀性 工 程，修补混凝土构件及堵漏材料等。此外树脂混凝土因其美观的外 表，又称人造大理石，可以制成桌面、地面砖、浴缸等。2.2.3 聚合物水泥 混凝土 PCC定义：用聚合物乳液拌合水泥及粗、细骨料而制得的一种有机 无机 复合的混凝土材料。（其中聚合物的硬化和水泥的

11、水化、凝结硬 化同时进行，最后二者相互胶合和填充，并与骨料胶结成为整体。）成分 ：胶结材料=水泥+聚合物骨料：粗细骨料（卵石、碎石、河沙、碎沙、硅砂等）助剂 ：主要是稳定剂和消泡剂性质：聚合物的加入，使得混凝土的密实度有所提高，水泥石 与骨料的粘结有所加强，其强度远不及浸渍混凝土那样显著，但与 普通混凝土相比，在耐腐蚀性、耐磨性、耐冲击性等方面均有一定程度的改善。用途：铺筑无缝地面、路面以及修补工程2.3 智能混凝 土智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使 混凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环 境变化具有感知和控制的功能。2.3.1 损伤自诊断 混凝土自诊

12、 断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混 凝 土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材 料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有： 聚合类、碳类、金属类和光纤。其中最常用的是碳类、金属类和光 纤。下面主要介绍2种当前研究比较热门的损伤自诊断混凝土。 1) 碳纤维智能混凝土碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能 良好的材料。在水泥基 材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理 性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信 号输出的形式反映自身受力状况和内 部的损 伤程度。将一定形状、 尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝 土材

13、料 中，可以使混凝土具有 自感知内部应力、应变和操作程度的功能。通过观测，发现水泥基 复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。碳纤维水泥基 材料在结构构件受力的弹性阶段，其电阻变化率随内部应力线性增 加，当接近构件的极限荷载时，电阻 逐渐增 大，预示构件即将破坏。 而基准水泥基材料的导电性几乎无变化，直到临近破坏时，电阻变 化率剧烈增大，反映了混凝土内部的应力一应变关系。根据纤维混 凝土的这一特性，通过测试碳纤维混凝土所处的工作状态，可以实 现对结构工作状态的在线监测. 在入碳纤维的损伤自诊断混凝土中， 碳纤维混凝土本身就是传感器，可对 混凝土 内部在拉、压、弯静荷 载和动荷载等外因作用

14、下的弹性变形和塑性变形以及损伤开裂进行 监测。试验发现，在水泥浆中掺加适量的碳纤维作为应变传感器， 它的灵敏度远远高于一般的电阻应变片。在疲劳试验中还发现，无 论在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混 凝土材 料的体积电导率会随疲 劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料 的疲劳损伤进行监测。通过标定这种 自感应 混凝土，研究人员决定 阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土修筑的公路上 的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基 础。碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，即温度变化引 起电阻变化（温阻性）及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差 的热电性（S

15、eebeck效应）。试验表明，在最高温度为70C,最大温 差为15C的范围内，温差电动势（E）与温差t之间具有良好稳定 的线性关系。当碳纤维掺量达到一临界值时，其温差电动势率有极 大值，且敏感性较高，因此可以利用这种材料实现对建筑物内部和 周围环境变化的实时监控；也可以实现对大体积混凝土的温度自监 控以及用于热敏元件和火警报警器等可望用于有温控和火灾预警要 求的智能混凝土结构中。碳纤维混凝土除自 感应功能外，还可应用于工业防静电构造。公 路路面、机场跑道等处的化雪除冰。钢筋混凝土结构中的钢筋阴极 保护 。住宅及养殖 场的电热结构等。2) 光纤传感智能混凝土光纤传感智能混凝土，即在混凝土结 构的

16、关键部位埋人入纤维传 感器或其阵列，探测混凝土在碳化以 及受载 过程中内部应力、应变 变化，并对由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行 实时监测。光在光纤的传输过程中易 受到外 界环境因素的影响，如 温度、压力、电场、磁场等的变化而 引起光 波量如光强度、相位、 频率、偏振态的变化。因此人们发现，如果能测量出光波量的变化， 就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。 于是，出现了光纤传感技术。近年来，国内外进行了将光纤传感器 用于钢筋混凝土结构和建筑检测这一领域的研究，开展了混凝土结 构应力、应变及裂缝发生与发展等内 部状态 的光纤传感器技术的研 究，这包括在混凝土的

17、硬化过程中进行监测和结构的长期监测。光 纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智能及内部状态进行实时、 在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。到目前为止，光纤传感器已用于许多 工程，典型的工程有加拿大 Caleary 建设的一座名为 Beddington Tail 的一双跨公路桥内部应 变状 态监测；美国 Winooski 的一座水电大坝的振动 监测； 国内工程 有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥 监测和 芜湖长江大桥长期监测 与安全评估系统等。2.3.2 自调节智能 混凝土自调 节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土 结 构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等

18、自然灾害期间， 能够调整承载能力和减缓结构振动， 但因混 凝土本身是惰性材料， 要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形 状记忆合金（SMA和电流变体（ER等。形状记忆合金具有形状记忆效应（ S M E ，若在室温下给以超过 弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原 先出现的残余变形消失，并恢复到原 来的尺 寸。在混凝土中埋入形 状记忆合金，利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复 相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时，通过记忆合 金形状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力， 从而提高混凝土结构的承载力。电流变体（ER是一种可

19、通过外界电场作用来控制其粘性、弹 性等 流变性能双向变化的悬胶液。在 外界电 场的作用下，电 流变体 可于 0.1ms 级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其初度随电 场增加而变调到完全固化，当外界电 场拆除时，仍可恢复其流变状 态。 在混凝土中复合电流变体，利用 电流变体的这种流变作用，当 混凝土结构受到台风，地震袭击时调 整其内 部的流变特性，改变结 构的自振频率、阻尼特性以达到减缓 结构振 动的目的。有些 建筑物对其室内的湿度有严格的要求，如各类展览馆、 博 物馆及美术馆等，为实现稳定的湿度控制，往往需要许多湿度传感 器、控制系统及复杂的布线等，其成本和使用维持的费用都较高。 日本学者

20、研制的自动调节环境温度的 混凝土 材料自身即可完成对室 内环境湿度的探测，并根据需要对其 进行调 控。这种混凝土材料带 来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为：沸石中 的硅酸钙含有（3-9） X10- 10m的孔隙。这些孔隙可以对水分、 NOx和SOx气体选择性的吸附。通过对沸石种类进行选择，可以制 备符合实际应用需要的自动调节环境 湿度的 混凝土复合材料。它具 有如下特点：优先吸附水分；水蒸气 压力低的地方，其吸湿容量大； 吸、 放湿与温度相关，温度上升时放 湿，温 度下降时吸湿。2.3.3 自修复智能 混凝土混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。混凝土 产生裂缝，不仅

21、强度降低，而且空气中的CO2酸雨和氯化物等极 易通过裂缝侵人混凝土内部，使混凝土发生 碳化，并腐蚀混凝土内 的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处理设施尤为不利，一旦 混凝土发生裂缝， 要想检查和维修都 很困难 。自修复混凝土就是应 这方面的需要而产生的。自愈 合 混凝土就是 模仿生物组织， 对受创 伤部位自动分泌某 种 物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中 复合特 性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊） 在混凝土内部形成智能 型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的骨组织结构和受创伤后的 再生、恢复机理。采用粘结材料和基 材相复 合的方法，使材料损伤 破坏后，具有自行愈合和再生功

22、能，恢复甚至提高材料性能的新型 复合材料。在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引 发剂与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化。 这样便在纤维网的表面形成大量有机与无机物，它们相互穿插粘结， 最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机与有机相结合的 材料，具有优异的强度及延性等性能。而且在材料使用过程中，如 果发生损伤，多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。2.3.4 智能混凝土 的应用发展 智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料， 如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混 凝土的电阻率稳定性、电极布置方式 、耐久 性等；光纤混凝土的光

23、纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择。 封人的方法以及愈合后混凝土耐久性 能的改 善等。解决上述一系列 问题将对智能混凝土今后的发展产生深远的影响。为促进智能混凝 土研究工作的顺利开展有必要就以下几点形成共识：（1）开发应有针对性。所谓针对性就是要针对混凝土性能发生 恶化和结构发生破坏等现象，考虑不同的智能方法，如针对这些现 象，设想开发出一种能应对所有这些情况的手段是很困难的，因此， 缩小智能化范围，以某种功能为对象，从而开发出相对最适应的方 法是必要的。2）实施中应具有可行性。浇注混凝土 多在施工现场进行，因 而作为智能混凝土的施工方法，对其技术与工艺要求不能过高。应

24、以原有工艺为基础开发相应的较为简单的方法。选用的材料应具有 化学稳定性，要有利于安全使用，不挥发任何有刺激的气味和其它 有害物质，并能大量应用而且成本较 低。（3）设计应具有综合性。采用智能化，虽然可以提高材料的耐 久性，但也会带来负面作用。如由于使用了某种材料虽然能对某种 恶化现象进行控制和改善，但是否会 对强度 等其它性能有所影响， 所有这些正反两方面的问题都必须在判断和设计时进行综合考虑和 权衡。2.4 金属混凝 土金属混凝土是一种人造的聚积物, 这种人造聚积物由金属胶结材 料和矿物质或其它骨料作成。在这种 混凝土 中金属充当了水泥的作 用, 也可看成是含有大量填充材料的金属。根据所用的

25、金属可以作成 铝、钢、铁、铜、锡、锌等混凝土。 其胶结 材料的含量通常是巧% 50%（体积比） 。骨料一般用石英岩、玄武岩、花岗岩和其它矿物岩 做成的碎石和砂,也可用陶粒、烧结多孔骨料、凝灰岩和浮石,还可 用有机骨料（塑料、木材） 。生产工艺与热处理、电物理处理、电化 学处理的过程有关。可以把熔化的金属熔融物浇灌到模子里的骨料 空隙中,也可以先用骨料和粒状金属的混合物充满模子,然后加热到 金属的熔化温度。金属混凝土各方面的性能都很好，而且材料消耗 不多，其强度极高、热稳定性好、耐 磨性强 、化学稳定性好、耐火 性好。以及铝制混凝土为例，其抗压强度高达150-300MPa是纯金 属卡压强度的 1.5 被，是水泥混凝土的 10倍，而且其热稳定性和电 阻都比纯铝大大提高。任何形状截面的制品都可以用金属混凝土来 制作，而更适宜制作板，重