现代混凝土配制与环境影响分析

工程材料通常分为两大类:非金属材料和金属材料。非金属材料包括各种矿物质材料(如水泥、石灰、石料等)和有机高分子材料(如木材、石油产品及高分子合成材料等)。金属材料包括黑色金属(如铁、锰、铬及其合金)和有色金属(如铜、铝、锡、铅及其合金)。水利水电工程中常用的基本材料主要有:矿物质材料、有机高分子材料、金属材料和复合材料4种。矿物质材料主要包括石料、无机胶凝材料(石灰、水泥、粉煤灰、硅粉、磨细矿渣与天然矿石粉等)。以水泥及其辅助胶凝材料配制的砂浆、混凝土和钢筋混凝土在工程中应用最为广泛。粉煤灰、磨细矿渣、硅粉等工业废料则为现代混凝土的重要辅助胶凝材料。有机高分子材料主要包括木材、沥青及高分子合成材料等。木材与沥青等是传统的高分子类材料,仍在工程中发挥重要作用。高分子合成材料主要包括合成树脂、塑料、涂料、胶粘剂、合成橡胶、合成纤维及合成化学外加剂等。以现代高科技为基础的高分子合成材料发展极为迅速,是推动现代社会进步的极为活跃的因素。金属材料中的黑色金属材料在工程结构中用量最大,如用于钢结构的型钢、板材和管材,用于钢筋混凝土结构中的钢筋和钢丝等、机电设备与施工机械等。复合材料一般常以不同的非金属(或金属)材料相复合或非金属材料与金属材料相复合。复合材料能发挥组成材料各自的优点,克服单一材料的缺点,其综合性能往往是单一材料无法相比的。工程复合材料一般由高强度、高弹性模量的增强材料(如玻璃纤维、钢纤维、合成纤维、碳纤维、金属材料等)和基体(如塑料、树脂、橡胶、水泥砂浆、混凝土等)组成。

材料是高新技术发展和现代文明的物质基础之一。材料学科一直是科学前沿最活跃的学科之一。工程材料是构筑土木工程结构的基本单元,材料性能的发展与变革往往是导致工程结构及其施工工艺发展与变革的决定性因素。人类最早采用木、竹、草、土、石等天然材料建造简单的住所;后来,土坯、烧白土、草筋泥、石灰、三合土、砖瓦等人造建筑材料相继出现,使宫殿、寺庙、堰坝、城墙、桥梁、佛塔、陵墓等各类建筑得以发展。工业革命以后,随着钢材和水泥的问世,推动了近代土木工程建设的迅速发展。同时,材料科学也发展成为一门独立的新兴学科。近20年来,工程材料学科的发展迅速,如:传统的水泥与混凝土材料,由于对材料微结构及其性能研究的不断深入、高分子合成材料(外加剂)的灵巧应用、对重大工程结构耐久性要求的不断提高、对能源和资源的节约以及环境保护的日益重视,极大地促进了混凝土技术的发展与变革,20世纪90年代初,以高强、高耐久、高体积稳定性、高工作性、可持续发展性为表征的高性能混凝土一问世,立即在全球土木工程界备受推崇,研究与应用如火如荼,也极大地促进了现代高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程结构、巨型水工结构等技术的飞速发展。再如:高分子科学作为一门独立的学科形成约70年以来进展惊人。由当初的仅仅是高分子化学研究,逐步发展成包括高分子化学、高分子物理、高分子工程甚至高分子生物学等分支学科的完整的学科体系,由当时的仅是大分子化合物的合成研究而扩展出大分子链及其聚集态结构、聚合物的成型及其结构控制研究以及国民经济各个领域所需的繁杂众多、要求特殊的新材料研究等丰硕的内容,其直接和间接的研究成果渗透到了国民经济及人类日常生活的各个领域,构成了人类社会文明的重要组成部分。高分子合成材料、高分子多功能材料、复合材料、无污染可降解可再生利用材料技术的发展为多彩多姿的新材料的问世提供了不竭源泉,使材料按预期性能与功能设计成为可能,也为解决以往难以解决的工程疑难问题以及工程结构的巨型化、精美化与现代化奠定了基础。

材料创新是技术创新的必要物质基础,也是技术革命的先导。在社会发展过程中,材料的进步带来了社会的变革。但另一方面,传统材料在从设计、制造、使用到最后废弃的过程中,因大量生产、大量废弃,造成资源枯竭、能源短缺、生态破坏等一系列问题。以最大宗的人工建筑材料混凝土来说,需要使用大量的水泥,而生产1t水泥一般需要1.1t石灰石、排放0.49t二氧化碳(CO2)、需要105kg煤、排放0.4t(CO2),合计共排放约1t(CO2),促进温室效应产生。而且我国个别省份已面临优质石灰石资源枯竭的问题。不设法改变现状,人类社会经济活动将日益受到资源环境的严重制约。因此,资源与环境的压力对材料科学提出了严峻的挑战。开发符合资源、环境、生态要求的绿色材料,研究高性能、多功能、超耐久、低能耗、节省资源的材料,大量利用工业废料以及无毒、无污染、可降解、可再生利用的材料等,是工程材料的主要发展趋势。

工业化国家在第二次世界大战后以及我国新中国成立以来修建了大量土木工程结构,为社会文明与经济发展发挥了极其重要的作用。但随着时间的推移,在自然环境以及其他因素的作用下,这些建筑物已突显出日益严重的老化与病害问题,甚至严重威胁到人类与社会的安全,世界各国都已经面临不得不耗费巨资对其进行维修加固的高峰。如在水工建筑物诸多病害中,钢结构及钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀是主要问题之一,腐蚀除了造成相当惊人的直接与间接经济损失外,还带来其他诸方面的危害,如浪费资源和能源、肇事和污染环境等。因此,提高建筑物耐久性,开发技术含量高、长效、经济实用、环境友好的结构修补与加固新材料及其工艺技术,延长建筑物的使用寿命,是材料学科实践可持续发展的又一重要课题。

综上所述,材料学科是一个既传统又充满现代活力的新学科,是构建现代文明、促进社会进步的基础,同时又承载着协调资源、环境、生态的现代经济社会可持续发展战略的职责与重任。工程材料是用量最大、用途最广的基本材料,工程材料科学的进展直接与人类的生活空间与质量、经济社会发展密切相关,其涉及的领域和内容也十分广泛。根据工程材料学科的国际前沿动态,21世纪前后的最新进展以及国内(以水利水电行业为主)在该领域所面临的焦点问题和重大需求,本调研报告主要选择下述方面进行阐述:

1)环境因素与混凝土耐久性;(www.xing528.com)

2)混凝土外加剂与高性能混凝土;

3)高分子材料新进展及其在水利工程中的应用;

4)水工结构修补与加固材料及其理论;

5)水环境与水生态工程材料。