新型土木工程材料的研究进展

2021-12-30张士萍秦子凡张明鑫

南京工程学院学报（自然科学版） 2021年3期

张士萍,秦子凡,张明鑫,曹鑫

(1. 南京工程学院建筑工程学院, 江苏南京 211167;2. 安徽建筑大学土木工程学院, 安徽合肥 230601)

随着现代科技的发展以及民众对居住环境要求的不断增加,我国不断开发出各类新型土木工程材料,相关新型土木工程材料的研发技术也越来越成熟.与传统的土木工程材料相比,新型土木工程材料具有显著的优势,如使用寿命更长,性能高,能耗低,抗水、防火、防辐射、防病菌等.常见的新型土木工程材料种类较多,包括高分子类、金属类、无机类等,这些新型材料作为高科技开发出来的产品,基本能满足普通民众对建筑工程的高质量要求.

1 高分子材料在土木工程中的应用

高分子材料指的是一种由分子质量相对较高的物质融合而形成的化合材料,因此高分子材料结构是多种多样的,不同的高分子链结构会导致高分子材料的功能性不同[1].近些年随着科学技术的进步和发展,高分子材料在建筑方面有了更广泛的应用前景.高分子材料在建筑领域主要作为智能高分子材料、高分子阻燃材料、高分子建筑涂料、高分子外加剂、智能高分子材料等而得到广泛应用.

1.1 智能高分子材料

科技的进步推高了人们对建筑物智能化的需求程度,将智能化高分子材料运用到建筑中是未来建筑发展的必经之路.智能高分子材料有自修复高分子材料和环境敏感型高分子材料等.

自修复型高分子材料最早由S.R.White等人提出,利用环戊二烯二聚体添加固化剂制成微胶囊，将微胶囊预埋,当裂缝产生后,醛酸树脂包裹层发生破裂,内部的环戊二烯二聚体在毛细管力的作用下进入到裂缝中,达到修复裂缝的目的[2];同济大学的习志臻等在空心的玻璃纤维中注入聚氨酯、丙烯酸酯等高分子修复剂材料,将其整体埋入水泥砂浆基体中,一旦砂浆开裂便会导致空心玻璃纤维同时发生断裂,使得修复剂在断裂处流入到基体,与水泥基发生反应,愈合基体微裂缝且修复损伤界面[3].利用高分子材料作为修复剂形成一个主动修复的智能体系,有利于混凝土结构力学性能和耐久性能的提升.但是高分子材料在混凝土中应用时其封装方法目前仍处于理论探索阶段.研究较多的是微胶囊法,但存在胶囊储存量有限、微胶囊消耗后会产生内部孔隙等问题.

同济大学马一平研究了一类环境影响型高分子材料——可逆变色水泥基材料[4].可逆变色水泥基材料在低温时的蓝色和高温时的白色之间可逆变化,可以实现建筑对低温暖色调、高温冷色调的要求.

1.2 高分子阻燃材料

在人们对人身安全与财产安全重视程度日益提高的背景下,材料阻燃性愈发成为建筑工程领域的关注重点[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,都很难满足建筑物的防火等级要求,因此越来越多的改性高分子材料被运用到建筑工程中.外墙比较常用的阻燃材料是聚苯乙烯泡沫板.受原料性质影响,聚苯乙烯泡沫板保温体系在结构安全性、防火阻燃性等方面仍存在尚待解决的技术难题[6].建筑材料的阻燃主要是减缓热量的传递速度,通用的方法是抑制热量的释放和阻绝易燃气体和燃烧物的直接接触[7].高分子阻燃材料主要分为本质型和添加型阻燃高分子材料两类.本质型阻燃剂在制备时先制备磷、硅、氮等原子的聚合单体,聚合后再单独引入磷、硅、氮等或者多种元素,此类阻燃高分子材料的极限氧指数能达到30%以上,本质上都是难燃的.添加型阻燃高分子材料是将阻燃剂和阻燃剂的同聚合物基体进行复配,使其有优良的阻燃性质,极大增强了高分子材料的阻燃性能.高分子阻燃材料的应用能有效提高建筑物的安全指数.文献[8]研究出了一种复合型阻燃添加剂,与单一阻燃剂相比有更好的阻燃效果.新型阻燃高分子材料能增强人们生活中的安全性,今后环境友好型阻燃高分子材料可能会成为高分子阻燃材料的发展方向之一.

1.3 高分子建筑涂料

建筑装饰行业近些年随着房地产和建筑业的大规模发展得到了迅速发展,性能优异、可塑性强的高分子涂料也成了热门材料.赵长才研制的水性喷涂持粘高分子防水涂料能在150 ℃高温下形成非连续的强硬结晶体,且瞬间凝固,形成蠕变的非固化防水层[9].建筑用高分子涂料不仅可以丰富建筑物表面色彩、提升建筑物的美感,在耐热、防水、耐久性等性能上也较传统涂料有很大提升[10];另外还有学者研制出一种晒不热的混凝土涂料[11],在油毛毡上涂刷晒不热涂料甚至可以降温10.8 ℃;在砂浆板也可降温2.5 ℃,夜间测试时温度则要比环境温度低1～2 ℃.高分子涂料能让建筑物向更加耐用和舒适的方向发展.

1.4 高分子外加剂

混凝土外加剂能够有效改变和提高混凝土的工作性能,其中减水剂应用最为广泛.20世纪90年代的日本和欧洲就已经推出聚羧酸系高性能减水剂,将混凝土减水剂的发展推向了一个新的高度,21世纪初聚羧酸减水剂在我国开始兴起.随着绿色混凝土的发展,出现了新型天然高分子减水剂,原料价廉易得,产品无毒、可降解、绿色高效[12].国内大连理工大学王立久制备的丁基磺酸纤维素减水剂能有效起到减水增强作用[13];赵平等人[14]以玉米淀粉为原料制作以空间位阻为主要减水机理的淀粉基新型高分子减水剂.除了纤维素和淀粉以外还开发出了壳聚糖、树叶等原料的减水剂,开发绿色天然基高分子减水剂对进一步推进建筑材料可持续发展有重要意义.

2 再生混凝土

自改革开放以来,我国建筑产业现代化进程逐步加快,相应产生了数量庞大的废弃混凝土、砖块、玻璃等建筑垃圾,建筑垃圾的处理成为了亟待解决的问题.传统的建筑垃圾处理方式主要是运往郊外露天堆放或者填埋,但这种方式不仅会带来昂贵的处理费用,还会引起环境问题.如果大部分可以用作可循环使用建筑材料,成为某种可回收的建筑资源,不仅可以保护环境和减少对环境的影响,还可以节省大量的资源和资金[15],因此对建筑垃圾的回收再利用技术应运而生[16].

2.1 废弃混凝土回收利用

随着我国经济的快速发展,越来越多的旧混凝土结构由于使用年限或性能等原因而被拆除,产生了大量的废旧混凝土.我国对于利用废弃混凝土作为再生骨料已经展开了很长一段时间的研究,但是目前废弃混凝土的使用率还不高.一些地区使用最原始的方法人工破碎废弃混凝土,不仅耗费了人力,而且工作效率低下,破碎出的再生骨料质量比较差,不利于后续再生骨料的实际应用[17].

回收的废弃混凝土目前多用于制备再生骨料.曹芙波等[18]用废弃混凝土作为再生粗骨料制备出再生混凝土,通过研究发现,高效减水剂和粉煤灰的掺入可以有效改善再生混凝土的工作性能,当使用一定量的粉煤灰时,再生混凝土的28 d抗压强度要高于普通混凝土的强度,且增幅最大值为9.1%;李唱等[19]通过试验研究得出,再生粗骨料的掺量和最大粒径都会影响新拌和混凝土的工作性能和抗压强度,且随着掺量的增加、最大粒径的减小新拌和混凝土的工作性能和抗压强度降低;王立波等[20]通过试验研究再生骨料取代率、钢纤维掺量对再生混凝土性能的影响,当骨料取代率相同时,再生细骨料对再生混凝土抗压强度的不利影响要小于再生粗骨料,当在再生混凝土中掺入1.0%和1.5%的钢纤维时,均会增加再生混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度.

2.2 废弃黏土砖的回收利用

黏土砖是我国早期房屋结构使用最普遍的建筑材料,在当前的建筑垃圾中占比较大.宗兰等[21]通过试验研究碎砖作为再生骨料时的再生混凝土配比,当再生骨料的取代率不大于40%时,再生混凝土的抗压强度可以达到40 MPa以上,当在再生混凝土中掺入10%的粉煤灰时,抗压强度能提升13%左右,试验中使用附加水解决碎砖骨料吸水率高的问题,但由于碎砖骨料在拌和时并不能充分吸收附加水,使得新拌混凝土的坍落度过大,当掺入适量的粉煤灰时,可以改善再生混凝土的和易性;卜贵贤等[22]通过研究发现碎砖取代率和水灰比会显著影响再生混凝土的性能,碎砖骨料取代率和水灰比的增大,会使再生混凝土强度降低,但当碎砖骨料取代率增大时,新拌混凝土的流动性会随之减小,当水灰比增大时,新拌混凝土的流动性随之增大,在不增加水泥用量的情况下,对碎砖骨料采取包浆处理,可以提高再生混凝土的性能;赵爱华等[23]通过试验发现混凝土棱柱体抗压强度随着碎砖骨料取代率的增加而先增后减,再生混凝土棱柱体和普通混凝土棱柱体的破坏形态和破坏过程相似,且碎砖骨料再生混凝土延性较差,发生破坏时比较快,破坏界面大部分为胶凝材料连接骨料的界面开裂,小部分为碎砖骨料因强度较低自身发生断裂.

2.3 废弃玻璃的回收利用

对废弃玻璃如何进行合理有效的回收利用已成为当前固体废弃物研究的热点之一[24].目前研究主要集中在将废弃玻璃进行加工处理制备成再生骨料或者掺合料再应用到混凝土中.薛丽皎等[25]研究将废玻璃作为细骨料时对再生混凝土性能的影响,研究结果表明,新拌混凝土的坍落度会随着废弃玻璃掺量的增加而变大,当取代率在20%～30%时,新拌混凝土的工作性能最好,再生混凝土的抗压强度随着废弃玻璃取代率的增加而减小,当取代率为30%时,抗压强度最大,因此废弃玻璃的最佳取代率为30%,由于废弃玻璃中的火山灰活性作用增大,随着龄期的增加,再生混凝土的抗压强度也增大;赵祖芳等[26]研究将废弃玻璃掺入混凝土时对混凝土性能的影响,将废弃玻璃作为粗骨料或者细骨料掺入混凝土中时,最优取代率为25%,再生混凝土的强度会因为玻璃粉部分替代水泥而降低,但当玻璃粉掺量不到10%时,对再生混凝土的强度没有较大的影响;宋力等[27]通过试验研究得出,将玻璃掺入自密实混凝土中,再生混凝土的7 d龄期强度增长较快,当掺量在10%～30%时,可以有效改善混凝土的早期强度,玻璃骨料再生混凝土受到温度的影响偏低,且在700 ℃高温时,相较普通混凝土来说,玻璃骨料再生混凝土的抗压强度更高,但高温后的强度损失两者相差不大;Ahmad Shayan等人[28]利用废弃玻璃作为矿物掺合料配置混凝土,研究结果表明掺加废弃玻璃的混凝土拥有良好的力学性能、干缩性能和耐碱硅盐性能,然而,玻璃作为再生粗骨料用到混凝土中有可能引起碱硅酸盐反应(ASR),从而影响混凝土的耐久性,在回收利用废弃玻璃时需要考虑ASR风险.

我国对再生混凝土的研究起步相对较晚,尚未得到普遍性的应用,但已有的相关研究成果为再生混凝土在工程上的实际应用奠定了良好的理论基础.现有的研究工作表明,按照再生混凝土规范或者高质量再生骨料的要求,通过对建筑垃圾适当加工处理,可以制备出用于实际工程的混凝土再生骨料.再生骨料混凝土的工程应用在中国仍处于初级阶段,建筑物在拆除过程中,混凝土块在解体、破碎过程中原骨料会产生一定的损伤;用旧混凝土块制备再生骨料配置新混凝土时,再生骨料与新水泥浆体之间的界面结合能力也有待进一步研究.

3 超高性能混凝土

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是由水泥、细集料、减水剂、高强短细纤维、矿物掺合料等加水搅拌合成,经过凝结硬化后形成的一种具有超高强度、高韧性、高耐久性能的水泥基复合材料[29].与普通混凝土相比,UHPC的超高力学性能主要表现在抗拉强度和韧性方面,钢纤维的掺入使其抗拉、弯曲性能以及混凝土的韧性方面都有显著提高;高效减水剂的添加,对于水胶比的降低、孔隙率的减少和混凝土耐久性能的提升也发挥了巨大作用.UHPC超高的耐久性以及结构服役寿命的延长使其拥有非常高的应用潜力,UHPC结构后期几乎不需要维护费用[30].伴随着近年来超高层建筑、大跨度桥梁等快速建设,对于混凝土的耐久性、韧性等也提出了更加苛刻的要求.20世纪60年代,高效减水剂使得较低含量水灰比的超高性能混凝土应运而生,直到1994年,Larrard 等首次提出超高性能混凝土的概念[31].

3.1 UHPC在桥梁工程中的应用

UHPC具有更高的拉伸强度、抗压性能、耐久性等优势,对其自重有较为明显的降低,同时也提高了承载能力,所以在桥梁工程上具有较为广阔的应用前景.1997年,加拿大建造了跨度为60 m的世界上第一座采用UHPC材料的人行桥,当地冬天温度最低可达-30 ℃,采用UHPC材料可以大大减轻结构自重,并且能有效地抵抗低温环境下的冻融侵蚀;2001年法国建成了世界上最早的UHPC公路桥,UHPC桥面板上没有额外铺设防水层以及沥青混凝土铺装层,箱梁顶板厚度为14 cm,它同时承担了桥面板以及行车道路面板的功能;2002年,日本建成了一座主跨为49.2 m的UHPC人行桥,主梁截面为箱梁;2006年在爱荷华州建成了美国第一座UHPC公路桥——Mars Hill桥,该桥UHPC主梁没有设置抗剪钢筋,而是充分利用UHPC自身优良的抗拉性能,从而极大地简化了钢筋的构造;中国于2006年建造了第一座UHPC桥梁,使用共计12片跨径达到20 m的超高性能混凝土T梁;2011年,肇庆马房大桥首次采用钢箱梁和UHPC组合的形式建造了轻型组合桥面,桥面使用正交异性钢面板,轻松解决了铺装层严重破损、钢结构疲劳裂纹所带来的危害[33];2019年广州华南大桥因投入使用时间过长,出现桥面铺装损坏现象,当时采用了5 cm的UHPC和5 cm沥青混凝土磨耗层的修补方式,最终不仅满足施工对各方面的要求,还减少了工期,较为迅速地完成了修补工作,自重也下降了50%[33];2020年通车的南京长江五桥,UHPC用量高达6 569 m3,是目前世界上UHPC用量最多的桥梁工程, UHPC大幅度地改善了桥梁的基本性能,耐久性和强度显著提高.目前,UHPC广泛应用在桥梁工程中的华夫板、旧桥加固、主梁等方面.

3.2 建筑结构中的应用

UHPC的诞生使得普通混凝土的缺陷愈发明显,也使得普通混凝土在高层、大跨度结构中的应用受到了限制[34].UHPC在法国的建筑行业被认可度较高,1998年法国就开始应用预制的预应力UHPC梁构件,UHPC材料开始广泛地应用于建筑结构中的各个领域[35];我国也出现很多UHPC的应用案例,包括深圳京基金融中心、浙江余杭大剧院等建筑工程中都或多或少地采用了UHPC[36].UHPC在桥梁建筑工程中的应用相对较少,但UHPC一般应用在建筑工程非承重的装饰性构件.

3.3 军事结构中的应用

UHPC具有突出的抗冲击性能,能有效降低冲击荷载引起的损伤,所以在军事工程中具有较好的应用前景[37].文献[38—39]研究UHPC制成梁、板和柱等构件在不同冲击荷载(例如爆炸荷载、低速撞击、侵彻)作用下的性能;文献[40]研究了UHPC在高应变率条件下的动态强度,发现 UHPC 的动态强度会随着应变率提高而提高;文献[41]应用有限元分析方法研究了UHPC的抗冲击性能;文献[42]研究了UHPC分别在空气爆炸和接触爆炸工况下的性能,建立了模拟自由空气爆炸试验的有限元模型.

UHPC具有十分优异的性能,但由于某些技术发展的迟滞,UHPC的优异性能没有得到充分发挥,在其实际应用过程中仍然存在制备工艺复杂、自收缩大、生产成本高、相关规范不完善等问题.