摘 要:對七種具有特殊功能的新型混凝土材料一一作了介紹,并對其發(fā)展前景及其在實際應用中可能存在的問題進行了闡述,得出特殊功能混凝土必將市場化的結(jié)論。
關(guān)鍵詞:特殊功能混凝土,功能材料,耐久性
中圖分類號: TU528. 01 文獻標識碼:A
引言
混凝土材料是由膠凝材料、骨料及其他填充料組成的一種具有一定強度特性的人工建筑材料。由于它本身就是由幾種不同物質(zhì)組合在一起形成的一種混合物材料,其強度和變形特性與各組成材料的性質(zhì)及所占比例有很大關(guān)系,因此,這也就給廣大的研究混凝土材料的學者提供了一個廣闊的空間。通過改變混凝土材料中集料的級配、選用不同的集料、添加各種外加劑(如減水劑、引氣劑等) 以及添加一些其他的填料(如纖維、各種聚合物材料等) 來改善混凝土的某些方面的性能,由此,人們已經(jīng)得到了許多具有良好品質(zhì)的混凝土材料。
1 幾種特殊功能的混凝土
1. 1 導電混凝土
混凝土本身是不導電的,但若在普通混凝土中摻入各種導電組分(如石墨、碳纖維、金屬纖維、金屬片、金屬網(wǎng)等) 可使混凝土具有導電功能。纖維狀的導電組分(如碳纖維或金屬纖維) 不僅可以使混凝土具有良好的導電性,還能夠改善其力學性能,增加其延性。因此,根據(jù)實際應用的要求,可以選擇合適的導電組分、摻量和復合方法,生產(chǎn)出既滿足需要,又經(jīng)濟的導電混凝土。導電混凝土的應用領(lǐng)域主要有工業(yè)防靜電結(jié)構(gòu)、公路路面、機場道面等部位的化雪除冰、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的陰級保護、住宅及養(yǎng)殖場的電熱結(jié)構(gòu)等。此外,采用高鋁水泥和石墨、碳纖維等耐高溫導電組分,可以制備出耐高溫的導電混凝土,用作新型發(fā)熱源。
1. 2 屏蔽磁場混凝土
地下電力傳輸線和變壓器、開關(guān)等電力設(shè)施可以產(chǎn)生強磁場,對人體健康產(chǎn)生不利的影響。為了使路面和建筑物具有屏蔽磁場的功能,可在混凝土中加入鋼絲網(wǎng)以屏蔽磁場,但鋼絲網(wǎng)的加入嚴重影響了混凝土的施工和易性。在混凝土中摻加鋼質(zhì)的曲別針同樣可以達到屏蔽磁場的目的,且由于曲別針為分散的、互不相連的個體,不會明顯影響新拌混凝土的工作性及混凝土的施工。
同時,曲別針又具有相互連接的傾向,在混凝土的攪拌和澆筑過程中,可以形成由曲別針連接的屏蔽磁場的金屬網(wǎng)。在混凝土中摻入體積分數(shù)為5 %的鋼質(zhì)曲別針(曲別針長3. 18 cm,寬0. 64 cm,鋼絲直徑0. 79 cm) ,即可以獲得足以和鋼絲網(wǎng)(鋼絲直徑0. 6 mm ,鋼絲網(wǎng)孔間距為5. 64 mm) 混凝土相媲美的磁場屏蔽效果。
1. 3 屏蔽電磁波混凝土
隨著電子信息時代的到來,各種電器及電子設(shè)備的廣泛使用,導致電磁波泄漏問題越來越嚴重,而且電磁波泄露場的頻率從超低頻( EL F) 到毫米波,分布極寬,它可能干擾正常的通訊和導航,甚至危害人體健康。因此,具有屏蔽電磁波的建筑材料越來越受到重視?；炷帘旧砑炔荒芊瓷湟膊荒芪针姶挪?。但通過摻入導電粉末(如碳、石墨、鋁或鈾等) 、導電纖維(如碳、鋁、鋼或銅—鋅等) 或?qū)щ娦跗?如石墨、鋅、鋁等) 等功能性組分后,可使其具有屏蔽電磁波的功能。例如,采用鐵氧體粉末或碳纖維氈作為吸收電磁波的功能組分,制作的幕墻對電磁波的吸收可達90 %以上,而且幕墻壁薄質(zhì)輕。將長度在100 μm 以上,直徑為0. 1μm 的碳纖維摻入混凝土中,則可通過反射電磁波的方式實現(xiàn)屏蔽電磁波的功能。該種混凝土不僅能夠用于屏蔽電磁波,還能用于其他領(lǐng)域。
1. 4 應力、應變和損傷自檢混凝土
將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入混凝土中,可以使材料具有自感知內(nèi)部應力、應變和損傷程度的功能。通過對材料的宏觀行為和微觀結(jié)構(gòu)變化進行觀測,發(fā)現(xiàn)混凝土的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對應的,如電阻率的可逆變化對應于可逆的彈性變形,而電阻率的不可逆變化對應于非彈性變形和斷裂,其測量范圍很大。而且,這種混凝土可以敏感有效地監(jiān)測拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動態(tài)荷載作用下材料的內(nèi)部情況。
當在水泥凈漿中摻加體積分數(shù)為0. 5 %的碳纖維時,它作為應變傳感器的靈敏度可達700 ,遠遠高于一般的電阻應變片,完全滿足工程實際的需要。
在疲勞試驗中還發(fā)現(xiàn),無論是在拉伸或是壓縮狀態(tài)下,混凝土的體積電阻率會隨疲勞次數(shù)的增加發(fā)生不可逆的降低。因此,可以應用這一現(xiàn)象對混凝土的疲勞損傷進行監(jiān)測。
1. 5 溫度自測混凝土
將長為5 mm 的PAN 基短切碳纖維摻入混凝土中,會使材料產(chǎn)生熱電效應(See2back 效) 。在最高溫度為70 ℃、最大溫差為15 ℃的范圍內(nèi),溫差電動勢E 與溫差Δt 之間具有良好穩(wěn)定的線形關(guān)系。隨養(yǎng)護齡期延長,溫差電動勢率趨于穩(wěn)定。當水泥凈漿中摻入相對水泥用量的10 mg/ g 的碳纖維時,其溫差電動勢率有極大值,為18μV/ ℃,相當于銅/ 康銅熱電偶的溫差電動勢率的1/ 2 ,敏感性較高。因此,可以利用這種材料實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化的實時監(jiān)控。此外,尚存在通過混凝土的熱電效應利用太陽能和室內(nèi)外溫差為建筑物提供電能的可能性。
1. 6 調(diào)濕混凝土
有些建筑物對其室內(nèi)的溫度和濕度有較嚴格要求,如各類展館、博物館及美術(shù)館等。自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土不需要任何__溫度和濕度傳感器和控制系統(tǒng),自身即可完成對室內(nèi)環(huán)境濕度的探測和調(diào)控,基本上能夠進行傳感、反饋和控制等功能,可以認為是智能混凝土的雛形。調(diào)濕混凝土中的關(guān)鍵組分是沸石粉。沸石中的硅鈣酸鹽含有3 ×10 - 10 m～9 ×10 - 10 m 的孔隙,這些孔隙可以對水分、NOx 和SOx 氣體進行選擇性吸附。通過對沸石種類進行選擇(天然的沸石有40 多種) ,可以制備符合實際應用需要的自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土,這種調(diào)濕混凝土用于室內(nèi)墻壁,可取得很好的調(diào)濕效果。
1. 7 仿生自愈傷混凝土
將內(nèi)含粘結(jié)劑的空心玻璃纖維或膠囊摻入混凝土中,一旦材料在外力作用下發(fā)生開裂,空心玻璃纖維或膠囊就會破裂而釋放粘結(jié)劑,粘結(jié)劑流向開裂處,使之重新粘結(jié)起來,具有與動物骨骼相似的自愈合效果。仿生自愈傷混凝土中的粘結(jié)劑是影響其性能的主要因素,粘結(jié)劑的固化時間是控制結(jié)構(gòu)在受到損傷時變形的關(guān)鍵因素。此外,可通過選擇不同種類和性能的粘結(jié)劑,制備出適合于不同場合的混凝土,如剛度較小的粘結(jié)劑,可以起吸振作用,用于減輕地震、風害對建筑物的損壞比較合適;而剛度較大的粘結(jié)劑,可以有效恢復結(jié)構(gòu)的剛度和強度。
2 特殊功能混凝土存在的問題及發(fā)展展望
通過對以上七類特殊功能混凝土的介紹不難發(fā)現(xiàn),特殊功能混凝土之所以具有某種特殊功能,無非都是在普通混凝土中加入了一些特殊功能材料,正是由于加入了這些功能材料,才使得混凝土具備了相應的特殊功能。因此,在制備特殊混凝土的過程中,最關(guān)鍵的因素是功能材料的選擇及相應的配合比設(shè)計。此外,還應注意以下幾點:
1) 選擇的功能材料必須能夠與普通混凝土有很好的協(xié)調(diào)工作能力;2) 功能材料在摻入到混凝土材料中之后其功能的發(fā)揮要不受影響;3) 摻進去的功能材料要有足夠的耐久性。否則,其功能很快就會喪失掉,這樣會得不償失。最后,就是特殊功能混凝土的生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)成本問題。如果想要大規(guī)模生產(chǎn)這樣的混凝土材料,必須要制定相應的生產(chǎn)工藝流程,而且必須進行成本控制。只有這樣才能夠使其市場化。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人類社會的進步,人們對環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高,隨著人們對這些特殊功能混凝土材料研究的不斷深入,它們必將得到廣泛的應用。
3 結(jié)語
通過對特殊功能混凝土的簡單介紹,看到了混凝土技術(shù)新的發(fā)展方向及其廣闊的應用前景。作為一名普通的土木工程技術(shù)人員,應該不斷探索,深入研究,創(chuàng)造出質(zhì)量更好、功能更多的土木工程材料,為國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做貢獻。
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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
