摘 要:对七种具有特殊功能的新型混凝土材料一一作了介绍,并对其发展前景及其在实际应用中可能存在的问题进行了阐述,得出特殊功能混凝土必将市场化的结论。
关键词:特殊功能混凝土,功能材料,耐久性
中图分类号: TU528. 01 文献标识码:A
引言
混凝土材料是由胶凝材料、骨料及其他填充料组成的一种具有一定强度特性的人工建筑材料。由于它本身就是由几种不同物质组合在一起形成的一种混合物材料,其强度和变形特性与各组成材料的性质及所占比例有很大关系,因此,这也就给广大的研究混凝土材料的学者提供了一个广阔的空间。通过改变混凝土材料中集料的级配、选用不同的集料、添加各种外加剂(如减水剂、引气剂等) 以及添加一些其他的填料(如纤维、各种聚合物材料等) 来改善混凝土的某些方面的性能,由此,人们已经得到了许多具有良好品质的混凝土材料。
1 几种特殊功能的混凝土
1. 1 导电混凝土
混凝土本身是不导电的,但若在普通混凝土中掺入各种导电组分(如石墨、碳纤维、金属纤维、金属片、金属网等) 可使混凝土具有导电功能。纤维状的导电组分(如碳纤维或金属纤维) 不仅可以使混凝土具有良好的导电性,还能够改善其力学性能,增加其延性。因此,根据实际应用的要求,可以选择合适的导电组分、掺量和复合方法,生产出既满足需要,又经济的导电混凝土。导电混凝土的应用领域主要有工业防静电结构、公路路面、机场道面等部位的化雪除冰、钢筋混凝土结构中钢筋的阴级保护、住宅及养殖场的电热结构等。此外,采用高铝水泥和石墨、碳纤维等耐高温导电组分,可以制备出耐高温的导电混凝土,用作新型发热源。
1. 2 屏蔽磁场混凝土
地下电力传输线和变压器、开关等电力设施可以产生强磁场,对人体健康产生不利的影响。为了使路面和建筑物具有屏蔽磁场的功能,可在混凝土中加入钢丝网以屏蔽磁场,但钢丝网的加入严重影响了混凝土的施工和易性。在混凝土中掺加钢质的曲别针同样可以达到屏蔽磁场的目的,且由于曲别针为分散的、互不相连的个体,不会明显影响新拌混凝土的工作性及混凝土的施工。
同时,曲别针又具有相互连接的倾向,在混凝土的搅拌和浇筑过程中,可以形成由曲别针连接的屏蔽磁场的金属网。在混凝土中掺入体积分数为5 %的钢质曲别针(曲别针长3. 18 cm,宽0. 64 cm,钢丝直径0. 79 cm) ,即可以获得足以和钢丝网(钢丝直径0. 6 mm ,钢丝网孔间距为5. 64 mm) 混凝土相媲美的磁场屏蔽效果。
1. 3 屏蔽电磁波混凝土
随着电子信息时代的到来,各种电器及电子设备的广泛使用,导致电磁波泄漏问题越来越严重,而且电磁波泄露场的频率从超低频( EL F) 到毫米波,分布极宽,它可能干扰正常的通讯和导航,甚至危害人体健康。因此,具有屏蔽电磁波的建筑材料越来越受到重视。混凝土本身既不能反射也不能吸收电磁波。但通过掺入导电粉末(如碳、石墨、铝或铀等) 、导电纤维(如碳、铝、钢或铜—锌等) 或导电絮片(如石墨、锌、铝等) 等功能性组分后,可使其具有屏蔽电磁波的功能。例如,采用铁氧体粉末或碳纤维毡作为吸收电磁波的功能组分,制作的幕墙对电磁波的吸收可达90 %以上,而且幕墙壁薄质轻。将长度在100 μm 以上,直径为0. 1μm 的碳纤维掺入混凝土中,则可通过反射电磁波的方式实现屏蔽电磁波的功能。该种混凝土不仅能够用于屏蔽电磁波,还能用于其他领域。
1. 4 应力、应变和损伤自检混凝土
将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入混凝土中,可以使材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。通过对材料的宏观行为和微观结构变化进行观测,发现混凝土的电阻变化与其内部结构变化是相对应的,如电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形,而电阻率的不可逆变化对应于非弹性变形和断裂,其测量范围很大。而且,这种混凝土可以敏感有效地监测拉、弯、压等工况及静态和动态荷载作用下材料的内部情况。
当在水泥净浆中掺加体积分数为0. 5 %的碳纤维时,它作为应变传感器的灵敏度可达700 ,远远高于一般的电阻应变片,完全满足工程实际的需要。
在疲劳试验中还发现,无论是在拉伸或是压缩状态下,混凝土的体积电阻率会随疲劳次数的增加发生不可逆的降低。因此,可以应用这一现象对混凝土的疲劳损伤进行监测。
1. 5 温度自测混凝土
将长为5 mm 的PAN 基短切碳纤维掺入混凝土中,会使材料产生热电效应(See2back 效) 。在最高温度为70 ℃、最大温差为15 ℃的范围内,温差电动势E 与温差Δt 之间具有良好稳定的线形关系。随养护龄期延长,温差电动势率趋于稳定。当水泥净浆中掺入相对水泥用量的10 mg/ g 的碳纤维时,其温差电动势率有极大值,为18μV/ ℃,相当于铜/ 康铜热电偶的温差电动势率的1/ 2 ,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温度变化的实时监控。此外,尚存在通过混凝土的热电效应利用太阳能和室内外温差为建筑物提供电能的可能性。
1. 6 调湿混凝土
有些建筑物对其室内的温度和湿度有较严格要求,如各类展馆、博物馆及美术馆等。自动调节环境湿度的混凝土不需要任何__温度和湿度传感器和控制系统,自身即可完成对室内环境湿度的探测和调控,基本上能够进行传感、反馈和控制等功能,可以认为是智能混凝土的雏形。调湿混凝土中的关键组分是沸石粉。沸石中的硅钙酸盐含有3 ×10 - 10 m～9 ×10 - 10 m 的孔隙,这些孔隙可以对水分、NOx 和SOx 气体进行选择性吸附。通过对沸石种类进行选择(天然的沸石有40 多种) ,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,这种调湿混凝土用于室内墙壁,可取得很好的调湿效果。
1. 7 仿生自愈伤混凝土
将内含粘结剂的空心玻璃纤维或胶囊掺入混凝土中,一旦材料在外力作用下发生开裂,空心玻璃纤维或胶囊就会破裂而释放粘结剂,粘结剂流向开裂处,使之重新粘结起来,具有与动物骨骼相似的自愈合效果。仿生自愈伤混凝土中的粘结剂是影响其性能的主要因素,粘结剂的固化时间是控制结构在受到损伤时变形的关键因素。此外,可通过选择不同种类和性能的粘结剂,制备出适合于不同场合的混凝土,如刚度较小的粘结剂,可以起吸振作用,用于减轻地震、风害对建筑物的损坏比较合适;而刚度较大的粘结剂,可以有效恢复结构的刚度和强度。
2 特殊功能混凝土存在的问题及发展展望
通过对以上七类特殊功能混凝土的介绍不难发现,特殊功能混凝土之所以具有某种特殊功能,无非都是在普通混凝土中加入了一些特殊功能材料,正是由于加入了这些功能材料,才使得混凝土具备了相应的特殊功能。因此,在制备特殊混凝土的过程中,最关键的因素是功能材料的选择及相应的配合比设计。此外,还应注意以下几点:
1) 选择的功能材料必须能够与普通混凝土有很好的协调工作能力;2) 功能材料在掺入到混凝土材料中之后其功能的发挥要不受影响;3) 掺进去的功能材料要有足够的耐久性。否则,其功能很快就会丧失掉,这样会得不偿失。最后,就是特殊功能混凝土的生产工艺及生产成本问题。如果想要大规模生产这样的混凝土材料,必须要制定相应的生产工艺流程,而且必须进行成本控制。只有这样才能够使其市场化。随着科学技术的发展和人类社会的进步,人们对环境质量的要求越来越高,随着人们对这些特殊功能混凝土材料研究的不断深入,它们必将得到广泛的应用。
3 结语
通过对特殊功能混凝土的简单介绍,看到了混凝土技术新的发展方向及其广阔的应用前景。作为一名普通的土木工程技术人员,应该不断探索,深入研究,创造出质量更好、功能更多的土木工程材料,为国家的基础设施建设做贡献。
参考文献:
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Summary of special functional concrete material
HE Yong WANG Huo2ming
Abstract : Seven new concrete materials with special functions are introduced one by one. According to questions maybe encountered in applica2tion and developmental prospect of them discussion is made. Author points out that concrete with special function will be widely applied in the future.
Key words : special functional concrete , functional material , durability
