土木工程材料新進展及其應用

凌競遠

[摘? ? ? ? ? ?要]? 在我國整體社會環境愈發完善，各項建設技術與條件逐漸升級優化的形勢下，土木工程材料的應用成為各項目在施工建設中踐行可持續發展理念或綠色建筑設計理念的重要內容，并且在環保意識逐漸普及的情況下，社會各界對其愈發關注。以此為背景探究土木工程材料進展與應用途徑，為相關工作者完善相關設計提供一定參考依據。

[關? ? 鍵? ?詞]? 土木工程;新型材料;工程設計

[中圖分類號]? TU50? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）28-0164-02

在時代發展影響下，新型材料應用工作在土木工程建設中的地位日漸提升，利用新型材料突破以往土木工程建設中的種種局限，成為土木工程建設解決自身瓶頸的重要途徑。同時，在可持續發展理念與綠色建筑設計理念影響下，實現項目建筑的可持續發展，降低其對周邊環境的不利影響，成為新型材料應用的重點方向。

一、土木工程新材料的發展淺析

材料是土木工程建設的基本元素，材料自身特性往往直接影響到建筑自身的質量安全與綜合性能。因此，在時代發展影響下，傳統建筑材料中的土石材料在土木工程中的應用比重逐漸降低，而以新型合金、有機材料、玻璃以及陶瓷等為代表的新型材料，成為當下土木工程材料應用創新中的主力軍，是土木工程整體邁向新階段的重要元素。同時，基于土木工程自身建設機制，材料與各項施工建設工藝之間是彼此制約而又相互促進的關系，因此，新材料的應用可促使相關土木工程設計或施工工藝的創新發展，進而推動整體土木工程施工建設發展。因此，新型材料的合理應用不僅是各建筑項目提升質量的關鍵，還是土木工程整體建設發展邁向新階段的重要內容，以此在整體社會水平不斷提升的形勢下，新材料研發會逐步向低耗環保的方向發展，并且在日益增長的需求下將擁有充足發展動力與良好發展條件。

二、新材料在我國土木工程中的應用途徑

（一）FRP材料應用發展

基于土木工程建設發展趨勢，材料壽命限制與材料自身功能性不足是制約材料應用發展的主要瓶頸之一，基于該需求，FRP材料逐步進入土木工程建設領域當中，其易于施工操作、質地較輕、抗腐蝕等特性使其成為土木工程建設解決相關問題的重要新材料，FRP材料主要由碳纖維、玻璃纖維、阿拉米德纖維等材料作為主要使用材料，借由聚乙烯樹脂等材料進行膠合，在擠壓等物理操作下制成[1]。該材料在土木工程中主要用于修復加固與新建結構中。例如，針對修復加固，該材料在應用至受彎件正截面加固時，為確保其能夠有效提升構件承載力，降低延性，應采用構造措施以及結構膠物理力學質量檢測，規避FRP材料與混凝土截面剝離，或膠層破壞，并且針對該材料用量，應利用受壓區高度的上下限值加以把控。而針對新建結構，以橋梁工程為例，該材料在其施工建設中的作用主要體現在以下幾方面。其一，被用于強化筋。在該工程建設施工中，其施工環境預備一定的侵蝕性，對普通鋼筋材料壽命影響較大。為此，可應用該材料筋取代鋼筋，以此提升該工程項目自身的耐久性，也能有效解決鋼筋腐蝕問題，具體可利用FRP筋作為橋梁鋼筋混凝土或橋面的受力筋。在施工中應注意對FRP筋進行壓痕或粘砂處理，以此確保其與混凝土能夠有效結合在一起，在工程中發揮自身應有的作用。其二，FRP筋還可用于預應力筋。土木建筑工程可有效利用FRP筋材料自身的高強特性，通過對其施加預應力，完善新建結構的體外預應力技術。在應用時應注意FRP筋自身特性，例如其抗壓強度與橫向抗剪強度較低，應采用特制的夾具。同時，相較于傳統建設中應用的高強鋼絲，FRP筋自身在溫度膨脹系數、彈性模型、應力松弛率等系數方面均有所差異，因此在施工準備中進行預應力損失值計算時，應將其考慮在內。其三，FRP材料也可用于受力構件，在橋梁工程中，以該材料為基礎的受力構件，可有效提升纜索的耐久性，但基于錨固等方面的實際工藝問題，其在實際應用中仍有問題需要克服。

（二）智能材料應用

在土木工程新型材料中，智能材料是現代土木工程建設中的重要應用材料。在時代發展與科學研究研發應用下，智能材料已逐漸成為建筑現代建筑施工建設中的必要材料，并且呈現高速發展態勢。明確的智能材料定義在當下尚無精確定論，但通常是按材料功能進行劃分。這是繼天然材料、合成聚合物材料和人造材料之后的第四代材料。智能材料的特性是其獨特的優勢，使其得以成為土木工程材料應用領域的重大創新。一般來說，智能材料具有以下幾項功能：其一，感應，智能材料可為相關工作者實現實時監視，以此對建筑內部和外部影響進行全面檢測;其二，傳感反饋，即借助特定的裝備設施，完成相關信息的即時傳輸和反饋，以此提供相應結構變化;其三，信息鑒識與積累，即對反饋信息進行識別和記憶;其四，響應與診斷，對建筑內部和外部結構的變化做出及時、有效的應對，而自我診斷則是通過信息技術對反饋信息進行全面分析和評估，得出相應結論;其五，自診斷校正，根據具體方法對系統故障進行校正;其六，適應性。當外部效果消失時，可以恢復到其原始狀態。在一個土木工程項目施工建設中同時實現上述功能，僅僅應用一種材料是難以實現的。因此，多種智能材料的組合應用是現代建筑工程通常使用的方案。

1.光導纖維

二氧化硅是光纖的主要成分，其是廣泛應用于信息傳輸的良好介質，相較于其他材料，傳遞能力是其獨有優勢。該材料主要由外部圓形透明介質和內部圓柱形透明介質組成，其內外層間的折射率差異，使光能量損耗較小，在光纖中順利傳導信息，并且其傳輸距離較長。例如，可在建筑混凝土結構中設置光纖，以此完成光纖混凝土結構的創建，該結構可在當相應建筑位置發生變化時，通過結構變形引發的光纖變化，產生相應物理變化，其相關傳感器可以借此變化完成感應，從而對各種結構變更進行檢測，為項目建筑自身維護保養以及檢查工作提供一定指導，提升其可持續性[2]。此外，基于該材料應用的監視模式，可發揮信息技術優勢，完成對混凝土結構全方位變化的監視，構筑覆蓋范圍較廣且角度無死角的監視網絡。因此，基于該用途的光纖混凝土結構，是智能材料實現建筑自我調節能力，便于遠程監測維護的創新嘗試。目前土木工程中該智能結構主要應用于建筑混凝土溫度監測、結構開裂監測、混凝土結構強度和變形監測以及相關診斷工作。