新型土木工程材料的研究進(jìn)展

張士萍,秦子凡,張明鑫,曹 鑫

(1. 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167;2. 安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及民眾對(duì)居住環(huán)境要求的不斷增加,我國(guó)不斷開(kāi)發(fā)出各類新型土木工程材料,相關(guān)新型土木工程材料的研發(fā)技術(shù)也越來(lái)越成熟.與傳統(tǒng)的土木工程材料相比,新型土木工程材料具有顯著的優(yōu)勢(shì),如使用壽命更長(zhǎng),性能高,能耗低,抗水、防火、防輻射、防病菌等.常見(jiàn)的新型土木工程材料種類較多,包括高分子類、金屬類、無(wú)機(jī)類等,這些新型材料作為高科技開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品,基本能滿足普通民眾對(duì)建筑工程的高質(zhì)量要求.

1 高分子材料在土木工程中的應(yīng)用

高分子材料指的是一種由分子質(zhì)量相對(duì)較高的物質(zhì)融合而形成的化合材料,因此高分子材料結(jié)構(gòu)是多種多樣的,不同的高分子鏈結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致高分子材料的功能性不同[1].近些年隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,高分子材料在建筑方面有了更廣泛的應(yīng)用前景.高分子材料在建筑領(lǐng)域主要作為智能高分子材料、高分子阻燃材料、高分子建筑涂料、高分子外加劑、智能高分子材料等而得到廣泛應(yīng)用.

1.1 智能高分子材料

科技的進(jìn)步推高了人們對(duì)建筑物智能化的需求程度,將智能化高分子材料運(yùn)用到建筑中是未來(lái)建筑發(fā)展的必經(jīng)之路.智能高分子材料有自修復(fù)高分子材料和環(huán)境敏感型高分子材料等.

自修復(fù)型高分子材料最早由S.R.White等人提出,利用環(huán)戊二烯二聚體添加固化劑制成微膠囊，將微膠囊預(yù)埋,當(dāng)裂縫產(chǎn)生后,醛酸樹(shù)脂包裹層發(fā)生破裂,內(nèi)部的環(huán)戊二烯二聚體在毛細(xì)管力的作用下進(jìn)入到裂縫中,達(dá)到修復(fù)裂縫的目的[2];同濟(jì)大學(xué)的習(xí)志臻等在空心的玻璃纖維中注入聚氨酯、丙烯酸酯等高分子修復(fù)劑材料,將其整體埋入水泥砂漿基體中,一旦砂漿開(kāi)裂便會(huì)導(dǎo)致空心玻璃纖維同時(shí)發(fā)生斷裂,使得修復(fù)劑在斷裂處流入到基體,與水泥基發(fā)生反應(yīng),愈合基體微裂縫且修復(fù)損傷界面[3].利用高分子材料作為修復(fù)劑形成一個(gè)主動(dòng)修復(fù)的智能體系,有利于混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和耐久性能的提升.但是高分子材料在混凝土中應(yīng)用時(shí)其封裝方法目前仍處于理論探索階段.研究較多的是微膠囊法,但存在膠囊儲(chǔ)存量有限、微膠囊消耗后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部孔隙等問(wèn)題.

同濟(jì)大學(xué)馬一平研究了一類環(huán)境影響型高分子材料——可逆變色水泥基材料[4].可逆變色水泥基材料在低溫時(shí)的藍(lán)色和高溫時(shí)的白色之間可逆變化,可以實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)低溫暖色調(diào)、高溫冷色調(diào)的要求.

1.2 高分子阻燃材料

在人們對(duì)人身安全與財(cái)產(chǎn)安全重視程度日益提高的背景下,材料阻燃性愈發(fā)成為建筑工程領(lǐng)域的關(guān)注重點(diǎn)[5].用于建筑工程中的很多高分子材料,例如聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯等,都很難滿足建筑物的防火等級(jí)要求,因此越來(lái)越多的改性高分子材料被運(yùn)用到建筑工程中.外墻比較常用的阻燃材料是聚苯乙烯泡沫板.受原料性質(zhì)影響,聚苯乙烯泡沫板保溫體系在結(jié)構(gòu)安全性、防火阻燃性等方面仍存在尚待解決的技術(shù)難題[6].建筑材料的阻燃主要是減緩熱量的傳遞速度,通用的方法是抑制熱量的釋放和阻絕易燃?xì)怏w和燃燒物的直接接觸[7].高分子阻燃材料主要分為本質(zhì)型和添加型阻燃高分子材料兩類.本質(zhì)型阻燃劑在制備時(shí)先制備磷、硅、氮等原子的聚合單體,聚合后再單獨(dú)引入磷、硅、氮等或者多種元素,此類阻燃高分子材料的極限氧指數(shù)能達(dá)到30%以上,本質(zhì)上都是難燃的.添加型阻燃高分子材料是將阻燃劑和阻燃劑的同聚合物基體進(jìn)行復(fù)配,使其有優(yōu)良的阻燃性質(zhì),極大增強(qiáng)了高分子材料的阻燃性能.高分子阻燃材料的應(yīng)用能有效提高建筑物的安全指數(shù).文獻(xiàn)[8]研究出了一種復(fù)合型阻燃添加劑,與單一阻燃劑相比有更好的阻燃效果.新型阻燃高分子材料能增強(qiáng)人們生活中的安全性,今后環(huán)境友好型阻燃高分子材料可能會(huì)成為高分子阻燃材料的發(fā)展方向之一.

1.3 高分子建筑涂料

建筑裝飾行業(yè)近些年隨著房地產(chǎn)和建筑業(yè)的大規(guī)模發(fā)展得到了迅速發(fā)展,性能優(yōu)異、可塑性強(qiáng)的高分子涂料也成了熱門材料.趙長(zhǎng)才研制的水性噴涂持粘高分子防水涂料能在150 ℃高溫下形成非連續(xù)的強(qiáng)硬結(jié)晶體,且瞬間凝固,形成蠕變的非固化防水層[9].建筑用高分子涂料不僅可以豐富建筑物表面色彩、提升建筑物的美感,在耐熱、防水、耐久性等性能上也較傳統(tǒng)涂料有很大提升[10];另外還有學(xué)者研制出一種曬不熱的混凝土涂料[11],在油毛氈上涂刷曬不熱涂料甚至可以降溫10.8 ℃;在砂漿板也可降溫2.5 ℃,夜間測(cè)試時(shí)溫度則要比環(huán)境溫度低1～2 ℃.高分子涂料能讓建筑物向更加耐用和舒適的方向發(fā)展.

1.4 高分子外加劑

混凝土外加劑能夠有效改變和提高混凝土的工作性能,其中減水劑應(yīng)用最為廣泛.20世紀(jì)90年代的日本和歐洲就已經(jīng)推出聚羧酸系高性能減水劑,將混凝土減水劑的發(fā)展推向了一個(gè)新的高度,21世紀(jì)初聚羧酸減水劑在我國(guó)開(kāi)始興起.隨著綠色混凝土的發(fā)展,出現(xiàn)了新型天然高分子減水劑,原料價(jià)廉易得,產(chǎn)品無(wú)毒、可降解、綠色高效[12].國(guó)內(nèi)大連理工大學(xué)王立久制備的丁基磺酸纖維素減水劑能有效起到減水增強(qiáng)作用[13];趙平等人[14]以玉米淀粉為原料制作以空間位阻為主要減水機(jī)理的淀粉基新型高分子減水劑.除了纖維素和淀粉以外還開(kāi)發(fā)出了殼聚糖、樹(shù)葉等原料的減水劑,開(kāi)發(fā)綠色天然基高分子減水劑對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)建筑材料可持續(xù)發(fā)展有重要意義.

2 再生混凝土

自改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程逐步加快,相應(yīng)產(chǎn)生了數(shù)量龐大的廢棄混凝土、磚塊、 玻璃等建筑垃圾,建筑垃圾的處理成為了亟待解決的問(wèn)題.傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方式主要是運(yùn)往郊外露天堆放或者填埋,但這種方式不僅會(huì)帶來(lái)昂貴的處理費(fèi)用,還會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題.如果大部分可以用作可循環(huán)使用建筑材料,成為某種可回收的建筑資源,不僅可以保護(hù)環(huán)境和減少對(duì)環(huán)境的影響,還可以節(jié)省大量的資源和資金[15],因此對(duì)建筑垃圾的回收再利用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[16].

2.1 廢棄混凝土回收利用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的舊混凝土結(jié)構(gòu)由于使用年限或性能等原因而被拆除,產(chǎn)生了大量的廢舊混凝土.我國(guó)對(duì)于利用廢棄混凝土作為再生骨料已經(jīng)展開(kāi)了很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究,但是目前廢棄混凝土的使用率還不高.一些地區(qū)使用最原始的方法人工破碎廢棄混凝土,不僅耗費(fèi)了人力,而且工作效率低下,破碎出的再生骨料質(zhì)量比較差,不利于后續(xù)再生骨料的實(shí)際應(yīng)用[17].

回收的廢棄混凝土目前多用于制備再生骨料.曹芙波等[18]用廢棄混凝土作為再生粗骨料制備出再生混凝土,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),高效減水劑和粉煤灰的摻入可以有效改善再生混凝土的工作性能,當(dāng)使用一定量的粉煤灰時(shí),再生混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度要高于普通混凝土的強(qiáng)度,且增幅最大值為9.1%;李唱等[19]通過(guò)試驗(yàn)研究得出,再生粗骨料的摻量和最大粒徑都會(huì)影響新拌和混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度,且隨著摻量的增加、最大粒徑的減小新拌和混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度降低;王立波等[20]通過(guò)試驗(yàn)研究再生骨料取代率、鋼纖維摻量對(duì)再生混凝土性能的影響,當(dāng)骨料取代率相同時(shí),再生細(xì)骨料對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的不利影響要小于再生粗骨料,當(dāng)在再生混凝土中摻入1.0%和1.5%的鋼纖維時(shí),均會(huì)增加再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.

2.2 廢棄黏土磚的回收利用

黏土磚是我國(guó)早期房屋結(jié)構(gòu)使用最普遍的建筑材料,在當(dāng)前的建筑垃圾中占比較大.宗蘭等[21]通過(guò)試驗(yàn)研究碎磚作為再生骨料時(shí)的再生混凝土配比,當(dāng)再生骨料的取代率不大于40%時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到40 MPa以上,當(dāng)在再生混凝土中摻入10%的粉煤灰時(shí),抗壓強(qiáng)度能提升13%左右,試驗(yàn)中使用附加水解決碎磚骨料吸水率高的問(wèn)題,但由于碎磚骨料在拌和時(shí)并不能充分吸收附加水,使得新拌混凝土的坍落度過(guò)大,當(dāng)摻入適量的粉煤灰時(shí),可以改善再生混凝土的和易性;卜貴賢等[22]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)碎磚取代率和水灰比會(huì)顯著影響再生混凝土的性能,碎磚骨料取代率和水灰比的增大,會(huì)使再生混凝土強(qiáng)度降低,但當(dāng)碎磚骨料取代率增大時(shí),新拌混凝土的流動(dòng)性會(huì)隨之減小,當(dāng)水灰比增大時(shí),新拌混凝土的流動(dòng)性隨之增大,在不增加水泥用量的情況下,對(duì)碎磚骨料采取包漿處理,可以提高再生混凝土的性能;趙愛(ài)華等[23]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度隨著碎磚骨料取代率的增加而先增后減,再生混凝土棱柱體和普通混凝土棱柱體的破壞形態(tài)和破壞過(guò)程相似,且碎磚骨料再生混凝土延性較差,發(fā)生破壞時(shí)比較快,破壞界面大部分為膠凝材料連接骨料的界面開(kāi)裂,小部分為碎磚骨料因強(qiáng)度較低自身發(fā)生斷裂.

2.3 廢棄玻璃的回收利用

對(duì)廢棄玻璃如何進(jìn)行合理有效的回收利用已成為當(dāng)前固體廢棄物研究的熱點(diǎn)之一[24].目前研究主要集中在將廢棄玻璃進(jìn)行加工處理制備成再生骨料或者摻合料再應(yīng)用到混凝土中.薛麗皎等[25]研究將廢玻璃作為細(xì)骨料時(shí)對(duì)再生混凝土性能的影響,研究結(jié)果表明,新拌混凝土的坍落度會(huì)隨著廢棄玻璃摻量的增加而變大,當(dāng)取代率在20%～30%時(shí),新拌混凝土的工作性能最好,再生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著廢棄玻璃取代率的增加而減小,當(dāng)取代率為30%時(shí),抗壓強(qiáng)度最大,因此廢棄玻璃的最佳取代率為30%,由于廢棄玻璃中的火山灰活性作用增大,隨著齡期的增加,再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也增大;趙祖芳等[26]研究將廢棄玻璃摻入混凝土?xí)r對(duì)混凝土性能的影響,將廢棄玻璃作為粗骨料或者細(xì)骨料摻入混凝土中時(shí),最優(yōu)取代率為25%,再生混凝土的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)椴ＡХ鄄糠痔娲喽档?但當(dāng)玻璃粉摻量不到10%時(shí),對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度沒(méi)有較大的影響;宋力等[27]通過(guò)試驗(yàn)研究得出,將玻璃摻入自密實(shí)混凝土中,再生混凝土的7 d齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,當(dāng)摻量在10%～30%時(shí),可以有效改善混凝土的早期強(qiáng)度,玻璃骨料再生混凝土受到溫度的影響偏低,且在700 ℃高溫時(shí),相較普通混凝土來(lái)說(shuō),玻璃骨料再生混凝土的抗壓強(qiáng)度更高,但高溫后的強(qiáng)度損失兩者相差不大;Ahmad Shayan等人[28]利用廢棄玻璃作為礦物摻合料配置混凝土,研究結(jié)果表明摻加廢棄玻璃的混凝土擁有良好的力學(xué)性能、干縮性能和耐堿硅鹽性能,然而,玻璃作為再生粗骨料用到混凝土中有可能引起堿硅酸鹽反應(yīng)(ASR),從而影響混凝土的耐久性,在回收利用廢棄玻璃時(shí)需要考慮ASR風(fēng)險(xiǎn).

我國(guó)對(duì)再生混凝土的研究起步相對(duì)較晚,尚未得到普遍性的應(yīng)用,但已有的相關(guān)研究成果為再生混凝土在工程上的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ).現(xiàn)有的研究工作表明,按照再生混凝土規(guī)范或者高質(zhì)量再生骨料的要求,通過(guò)對(duì)建筑垃圾適當(dāng)加工處理,可以制備出用于實(shí)際工程的混凝土再生骨料.再生骨料混凝土的工程應(yīng)用在中國(guó)仍處于初級(jí)階段,建筑物在拆除過(guò)程中,混凝土塊在解體、破碎過(guò)程中原骨料會(huì)產(chǎn)生一定的損傷;用舊混凝土塊制備再生骨料配置新混凝土?xí)r,再生骨料與新水泥漿體之間的界面結(jié)合能力也有待進(jìn)一步研究.

3 超高性能混凝土

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是由水泥、細(xì)集料、減水劑、高強(qiáng)短細(xì)纖維、礦物摻合料等加水?dāng)嚢韬铣?經(jīng)過(guò)凝結(jié)硬化后形成的一種具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性能的水泥基復(fù)合材料[29].與普通混凝土相比,UHPC的超高力學(xué)性能主要表現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度和韌性方面,鋼纖維的摻入使其抗拉、彎曲性能以及混凝土的韌性方面都有顯著提高;高效減水劑的添加,對(duì)于水膠比的降低、孔隙率的減少和混凝土耐久性能的提升也發(fā)揮了巨大作用.UHPC超高的耐久性以及結(jié)構(gòu)服役壽命的延長(zhǎng)使其擁有非常高的應(yīng)用潛力,UHPC結(jié)構(gòu)后期幾乎不需要維護(hù)費(fèi)用[30].伴隨著近年來(lái)超高層建筑、大跨度橋梁等快速建設(shè),對(duì)于混凝土的耐久性、韌性等也提出了更加苛刻的要求.20世紀(jì)60年代,高效減水劑使得較低含量水灰比的超高性能混凝土應(yīng)運(yùn)而生,直到1994年,Larrard 等首次提出超高性能混凝土的概念[31].

3.1 UHPC在橋梁工程中的應(yīng)用

UHPC具有更高的拉伸強(qiáng)度、抗壓性能、耐久性等優(yōu)勢(shì),對(duì)其自重有較為明顯的降低,同時(shí)也提高了承載能力,所以在橋梁工程上具有較為廣闊的應(yīng)用前景.1997年,加拿大建造了跨度為60 m的世界上第一座采用UHPC材料的人行橋,當(dāng)?shù)囟鞙囟茸畹涂蛇_(dá)-30 ℃,采用UHPC材料可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重,并且能有效地抵抗低溫環(huán)境下的凍融侵蝕;2001年法國(guó)建成了世界上最早的UHPC公路橋,UHPC橋面板上沒(méi)有額外鋪設(shè)防水層以及瀝青混凝土鋪裝層,箱梁頂板厚度為14 cm,它同時(shí)承擔(dān)了橋面板以及行車道路面板的功能;2002年,日本建成了一座主跨為49.2 m的UHPC人行橋,主梁截面為箱梁;2006年在愛(ài)荷華州建成了美國(guó)第一座UHPC公路橋——Mars Hill橋,該橋UHPC主梁沒(méi)有設(shè)置抗剪鋼筋,而是充分利用UHPC自身優(yōu)良的抗拉性能,從而極大地簡(jiǎn)化了鋼筋的構(gòu)造;中國(guó)于2006年建造了第一座UHPC橋梁,使用共計(jì)12片跨徑達(dá)到20 m的超高性能混凝土T梁;2011年,肇慶馬房大橋首次采用鋼箱梁和UHPC組合的形式建造了輕型組合橋面,橋面使用正交異性鋼面板,輕松解決了鋪裝層嚴(yán)重破損、鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋所帶來(lái)的危害[33];2019年廣州華南大橋因投入使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng),出現(xiàn)橋面鋪裝損壞現(xiàn)象,當(dāng)時(shí)采用了5 cm的UHPC和5 cm瀝青混凝土磨耗層的修補(bǔ)方式,最終不僅滿足施工對(duì)各方面的要求,還減少了工期,較為迅速地完成了修補(bǔ)工作,自重也下降了50%[33];2020年通車的南京長(zhǎng)江五橋,UHPC用量高達(dá)6 569 m3,是目前世界上UHPC用量最多的橋梁工程, UHPC大幅度地改善了橋梁的基本性能,耐久性和強(qiáng)度顯著提高.目前,UHPC廣泛應(yīng)用在橋梁工程中的華夫板、舊橋加固、主梁等方面.

3.2 建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

UHPC的誕生使得普通混凝土的缺陷愈發(fā)明顯,也使得普通混凝土在高層、大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到了限制[34].UHPC在法國(guó)的建筑行業(yè)被認(rèn)可度較高,1998年法國(guó)就開(kāi)始應(yīng)用預(yù)制的預(yù)應(yīng)力UHPC梁構(gòu)件,UHPC材料開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的各個(gè)領(lǐng)域[35];我國(guó)也出現(xiàn)很多UHPC的應(yīng)用案例,包括深圳京基金融中心、浙江余杭大劇院等建筑工程中都或多或少地采用了UHPC[36].UHPC在橋梁建筑工程中的應(yīng)用相對(duì)較少,但UHPC一般應(yīng)用在建筑工程非承重的裝飾性構(gòu)件.

3.3 軍事結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

UHPC具有突出的抗沖擊性能,能有效降低沖擊荷載引起的損傷,所以在軍事工程中具有較好的應(yīng)用前景[37].文獻(xiàn)[38—39]研究UHPC制成梁、板和柱等構(gòu)件在不同沖擊荷載(例如爆炸荷載、低速撞擊、侵徹)作用下的性能;文獻(xiàn)[40]研究了UHPC在高應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn) UHPC 的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)變率提高而提高;文獻(xiàn)[41]應(yīng)用有限元分析方法研究了UHPC的抗沖擊性能;文獻(xiàn)[42]研究了UHPC分別在空氣爆炸和接觸爆炸工況下的性能,建立了模擬自由空氣爆炸試驗(yàn)的有限元模型.

UHPC具有十分優(yōu)異的性能,但由于某些技術(shù)發(fā)展的遲滯,UHPC的優(yōu)異性能沒(méi)有得到充分發(fā)揮,在其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在制備工藝復(fù)雜、自收縮大、生產(chǎn)成本高、相關(guān)規(guī)范不完善等問(wèn)題.

4 結(jié)論

1) 新型土木工程材料的研發(fā)很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)土木工程材料的缺陷,實(shí)現(xiàn)了功能多樣化,不僅滿足民眾的日常使用要求,而且能夠提升結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量,更加環(huán)保、綠色、健康.

2) 高分子材料的多樣性結(jié)構(gòu)特征賦予其不同的特性和功能,且高分子材料可以與其他助劑融合,制備出功能各異且性能優(yōu)異的復(fù)合材料,為土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供更全面的選擇性.

3) 再生混凝土在原材料組成、配合比設(shè)計(jì)方面存在較大的差異,傳統(tǒng)的普通混凝土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范文件不能適用于特殊材料組成的再生混凝土,針對(duì)各類再生混凝土制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范具有重大的意義.

4) UHPC材料是水泥基材料發(fā)展的主要方向之一,并且向著更加環(huán)保、綠色的方向發(fā)展,UHPC材料勢(shì)必會(huì)對(duì)我國(guó)未來(lái)的土木工程行業(yè)發(fā)展發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì),對(duì)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn).