土木工程材料的现状与发展前景

土木工程材料的现状与发展前景

李玉容贾勤凤肖良丽

李玉容贾勤凤肖良丽

武汉科技大学城市建设学院湖北武汉430065

摘要：土木工程材料是人们建造房屋和各种建筑物的材料基础，它是房屋、道路、桥梁、隧道、岩土等一切土木工程的物质基础。土木工程材料种类繁多，但性质各异，因此，我们应该正确合理地使用土木工程材料。材料的不同在很大程度上决定了施工的难易程度以及建筑的稳定程度，高强、轻质、多功能新材料、智能材料等的出现以及应用，可以改变建筑形式、革新建筑施工方法。本文针对现如今土木工程所应用的几种主要材料的材料组成及其主要特点进行了分析，并对几种新型材料进行了简要介绍并且分析了其应用前景。

关键词：钢材；混凝土；抗拉性；和易性；新型材料；应用前景；土木工程材料

1引言

人们的生活方式在发生着改变，生活水平也在不断提高，随着这些变化，土木工程材料也在发生着变化。为了满足人们对建筑的要求，我们应该在原有材料的基础上生产出一些具有多功能、高性能的新型材料。钢筋、混凝土、沥青、石灰、水泥等，是现在工业建筑和民用建筑的主要材料。随着超高建筑、高承载工程等的出现，一些高性能新型材料也逐渐产生。高强度的水泥、钢纤维和玻璃纤维的混凝土、聚合物混凝土、钢化玻璃、多功能涂层玻璃、双层中空玻璃等[3]，这些新型材料具有轻质、高强等新功能。这些新型材料的产生以及广泛应用，改变了土木工程的结构形式，改进了建筑施工技术，促进了建筑理念的革新与发展。

2现阶段几种主要的土木工程材料

2.1钢材

随着城市工业化进程的加快和钢铁工业的快速发展，特别是在高层建筑和大跨度建筑中，钢材发挥着重要作用，它是重要的结构材料之一。与非金属材料相比，它具有更好的性能，它的材质更均匀致密、抗拉抗压强度都更高，它能够承受冲击力和振动荷载，还可以通过各种工艺手段制成制品和钢结构，但易锈蚀需定时维护，成本及维护费用大，耐火性差[4]。

钢材是建筑工程中最主要的结构材料，钢材具有良好的力学性能。例如，拉伸性能，抗冲击性能，耐疲劳性能，硬度等。因为建筑钢材主要用来承受拉力，所以其最重要的性能便是拉伸性能。钢材的拉伸应力-应变曲线可细分为弹性阶段，屈服阶段，应变强化阶段和颈缩阶段共四个阶段。

2.2混凝土

混凝土是土木工程中使用量最大的材料，现在以水泥以及水构成的胶凝材料为主要胶结材料[4]。

和易性对于混凝土来说是最重要的性质，和易性是指在一定施工条件下，便于各种施工操作并能获得均匀、密实的混凝土的一种综合性能[4]。和易性包括流动性、粘聚性和保水性，和易性即是这三个方面的统一体。和易性的影响因素也有许多，水泥品种和细度、水泥浆用量、水灰比、砂率、外加剂与掺合料，温度和时间等因素都会影响混凝土的和易性。

混凝土具有抗拉，抗压，抗剪等性质，以其抗压强度最大，所以抗压强度是混凝土最主要的技术性质。

3新型土木工程材料及其发展趋势

如今，随着生产技术的不断提高，一些具有高性能的材料不断出现在人们的眼前，各种新型材料应运而生。一些性能和经济效益差的材料逐渐被性能较好并且经济效益较好的新型土木工程材料所代替。

3.1纤维增强复合材料

纤维增强复合材料（FibreReinforcedPolymer简称FRP）是由增强纤维材料与基体材料经过一定的加工复合而成的一种高性能新型复合材料[5]。近些年来，由于FRP材料具有高强度，可设计性，耐腐蚀耐久性好、经济效益高等特性，土木工程师们逐渐意识到了FRP材料的优越性，FRP越来越广泛地应用在土木与建筑工程中。

FRP材料具有很多较好的特性，首先，它具有很高的比强度，也就是通常所说的轻质高强，桥梁工程就需要轻质的材料来减轻自重，所以在桥梁工程中运用这些FRP材料便会使得桥梁工程更加完美；FRP材料具有良好耐腐蚀性，使得结构能在各种复杂的酸碱环境和潮湿的环境中保持其基本形态和性质而不被腐蚀，保证了建筑结构的完整性，这点便在传统材料的基础上向前迈了一步；FRP材料还具有很好的设计性，土木工程师可以采用不同的纤维材料调节纤维与基体不同的比例设计出具有不同强度的复合材料，从而生产出不同性质的FRP产品；FRP材料还具有很好的弹性性能，它在发生比较大的变形后还能恢复原状。除此之外，有些FRP材料还具有一些其他的优越性能，例如，能绝热、隔热，透电磁波等，这些特殊的性质使得FRP材料在一些复杂、高技术的工程中有着不可取代的作用，FRP材料使得土木工程建筑更加多样化，科技化。例如，近年有研究利用碳纤维的导电性和压电效应，将FRP作为智能结构材料，用于结构工作状态和损伤监测[2]。

FRP材料在建筑业上确实具有很好的性能，但是FRP材料中的树脂在温度较高时会软化，此时材料的力学性能就会降低，所以就防火性能来说它还是比不上混凝土等传统材料的。其弹性模量也比钢材等其他材料低，故其刚度不足是其明显的劣势，在土木工程中，可以采用增加几何刚度的方法来增加它的刚度，也可以用一些刚度较大的材料与其复合，从而使得复合而成的材料刚度加大。不过，FRP结构和FRP组合结构与钢筋混凝土结构价格都是差不多的，并且由于其具有耐腐蚀性，故其维护费用也比较低，所以其经济效益还是可以的，故其应用前景还是不错的。

3.2耐火耐候钢

耐火耐候钢也是一种钢材，只不过它比普通钢材更优越，具有优于普通钢材的特性。由于其具有各种不同于普通钢材的性能，如有些具有防火、防震、抗腐蚀等特殊性能，这些特殊的性能使得耐火耐候钢在土木工程中展现优势，有许多先进的工业生产国开始竞相生产开发这种特殊的钢材。

耐火钢通过掺入量稍高些的Cr、Mo元素进行合金化处理，能够在高温下（指600℃）[5]，在一定的时间内保持它原有的强度，从而在较好强度下，建筑物便不会立即坍塌，使得建筑物理的人员以及重要物资能够及时的撤离建筑物，保证了建筑物的安全性。虽然耐火耐候钢的这种性质与耐热钢相似，但它对于钢的高温性能以及耐疲劳性能都没有特别高的要求，因此，耐火耐候钢里的共合金元素含量没有耐热钢里的含量多。

耐火耐候钢的耐火型具有永久性和自愈性，就是说钢材在建筑过程中不论是被切割还是损坏后，这种钢材的耐火性、耐久性等都不会发生改变，这是普通钢材所不具有的，所以由于此点，便可给土木工程带来巨大的经济效益。由于耐火耐候钢能带来一定的经济效益，所以有些厂房已经开始应用这种新型材料了，而且对此种材料的评价也很好。这种耐火耐候钢具有经济和社会效益，应用它可以缩短建造施工周期，提高建筑安全性，而最主要的就是节约成本。如今，耐火耐候钢技术也正在一步步的趋于成熟，随着建筑业的发展，它也将逐渐发挥出它的优势，在建筑行业取得更好的发展。

4结语

总之，土木工程材料在土木建筑工程中有着举足轻重的地位，它是建筑工程及一切与土木工程有关的物质基础，建筑物的功能，工程的质量以及建筑物的寿命等都与土木工程的性能有关，土木工程材料的价格也约占土木工程总造价的百分之五十到百分之六十，所以我们应该正确合理的选用合适的土木工程材料。为了适应建筑业的工业化和满足人们日益增长的生活需求，未来的土木工程材料将会具有各种高性能、新功能，从而使得土木工程业朝着更加绿色环保、多样高端、高性能的方向发展。

参考文献：

[1]廖国胜，曾四海.土木工程材料[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[2]叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006,39（3）;24-36.

[3]肖力光，张学建.土木工程材料[M].北京：化学工业出版社，2013.

[4]张粉芹，安明喆.土木工程材料[M].人民交通出版社，2014.

[5]清华大学土水学院.土木工程科学前沿[M].清华大学出版社，2007.