学术前沿|土木工程材料-李惠教授

日期：20160307

土木工程材料主要分为结构材料和功能材料两类。

结构材料

钢材

性能：

• 优点：强度、刚度、延性、耗能
• 耐久性、耐高温性

研究方向：

• 耐高温性，防火涂料；
• 耐久性
  • 涂料
  • 石墨烯，吸收氯离子
  • 环氧树脂，用于跨海大桥拉索防护
  • 不锈钢，降低强度，增加截面，港珠澳大桥
• 强度
  • 高强钢材，延性和耗能能力降低
  • 低屈服点钢材，作为耗能构件，屈服点（100,110,160,210），伸长率达到25-30%
• 低温耐候钢

混凝土

混凝土构成有：水泥+水+砂+石，主要可控因素是水泥，水泥领域研究单位：

• 武汉理工大学
• 上海硅酸盐研究所

水泥的改进：

• 减少水灰比，从C10-C40，研发减水剂，增强流动性；
• 改变水泥粒径，C60-C80，高强混凝土，脆性增强，抗震、抗火能力差；
• 活性粉末混凝土，C200-C400，湖南大学
• 高性能混凝土，掺入活性硅灰，10%-15%，不能太多，以防水化热太大；

未来趋势：

• 生态绿色混凝土，Berkeley，MIT在研究；
• 粉煤灰、工业废料再利用，问题：活性低，水化慢；
• 建筑垃圾再利用，同济大学；
• 抗开裂混凝土，加入碳纳米纤维，解决原生裂纹；

其他热点：

• 应变自感知混凝土，掺入碳纤维，受压感知电阻变化；
• 掺纳米TiO2，强度、韧性、延性均大幅度提高；
  • 分子动力学；
  • 第一性原理；
• 活性粉末混凝土，不用骨料，工厂生产，湖南大学邵旭东
• 超高韧性混凝土；
• 自愈合混凝土
  • 混凝土二次水化
  • 内置胶囊
  • 微生物膨胀法

工程问题只需要考虑好用就行，而科学研究必须解释为什么。原理的掌握可以降低试错成本。

FRP

Fiber Reinforeced Polymer

• 优点
  • 抗拉强度极大
  • 抗腐蚀
• 缺点
  • 尺寸效应显著（具体不清楚）
  • 抗剪性能差
  • 难以锚固（斜拉桥应用）

FRP在航天领域及结构健康监测领域大量应用。

功能材料

驱动材料

磁流变材料，材料力学特性随电流变化；

形状记忆合金

形状记忆效应，超弹性，苏醒之后回到原点。