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1、土木工程的展望第1页，本讲稿共60页建筑材料向高性能方向发展建筑材料向高性能方向发展复合材料智能材料纳米材料第2页，本讲稿共60页复合材料复合材料由两个或多个相组成的混合物。一般至少含有两个相，分散相和连续相（也称基体）。它不仅发挥了各相的优点，而且还具有各单一相所没有的某些特性。第3页，本讲稿共60页根据分散相的几何形状可分为三种基本类型颗粒型(粒状)：混凝土纤维型(纤维状)：纤维增强塑料层合型(薄片状)：胶合板第4页，本讲稿共60页天然复合材料天然复合材料天然复合材料天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，树木树木树木树木和和竹子竹子
2、竹子竹子是是纤维素纤维素纤维素纤维素和和木质素木质素木质素木质素的复合体；的复合体；动物的骨骼动物的骨骼动物的骨骼动物的骨骼则由则由无机磷酸盐无机磷酸盐无机磷酸盐无机磷酸盐和和蛋白质胶原蛋白质胶原蛋白质胶原蛋白质胶原复合而成。复合而成。第5页，本讲稿共60页人类很早就人类很早就接触和使用接触和使用接触和使用接触和使用各种天然复合材料，并各种天然复合材料，并仿效仿效仿效仿效自然界制作各种各样的复合材料。例如自然界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；敦
3、煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。第6页，本讲稿共60页现代复合材料现代复合材料现代复合材料现代复合材料的制作成功则要从的制作成功则要从19421942年，第二年，第二次世界大战中，次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。国空军用于制造飞机构件开始算起。第7页，本讲稿共60页 与传统材料与传统材料(如金属、木材、水泥等如金属、木材、水泥等)相比，复合材料是相比，复合材料是一种新型材料。它具有许多优良的性能，并且其成本在逐渐一种新型材料
4、。它具有许多优良的性能，并且其成本在逐渐地下降，成型工艺的机械化、白动化程度也在不断地提高。地下降，成型工艺的机械化、白动化程度也在不断地提高。团此，复合材料的应用领域日益广泛。团此，复合材料的应用领域日益广泛。复合材料的应用复合材料的应用第8页，本讲稿共60页氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦第9页，本讲稿共60页硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件第10页，本讲稿共60页美国美国B-2B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料第11页
5、，本讲稿共60页由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆第12页，本讲稿共60页先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰赛车上使用的特殊轮胎赛车上使用的特殊轮胎第13页，本讲稿共60页高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器第14页，本讲稿共60页人工肾脏人工肾脏第15页，本讲稿共60页生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节第16页，本讲稿共60页可调节的太阳镜可调节的太阳镜耐高温纤维制成的消防人员的服装耐高温纤维制成的消防人员的服装第17页，本讲稿共60页(1)(1)(1)(1)在航空、航天方面的应用在航空、航天方面的应用在航空、航天方面的应
6、用在航空、航天方面的应用 由于复合材料的由于复合材料的轻质高强轻质高强轻质高强轻质高强持性，使其在航空航天领持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。第18页，本讲稿共60页 (2)(2)在交通运输方面的应用在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的条件下的耗油量只有钢制汽车的
7、1 14 4，而且在，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。保护人员的安全。第19页，本讲稿共60页用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、驾驶室、用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。随着列车速度的不断提高，火车部件用复合材料来制随着列车速度的不断提高，火车部件用复合材料来制造是最好的选择。复合材料常被用于制造高速列车的车箱造是最好的选择。复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。外壳、内装
8、饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。第20页，本讲稿共60页(3)(3)在电气工业方面的应用在电气工业方面的应用聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘广泛地用于电机、电工器材的制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。电操作工具等。第21页，本讲稿共60页(4)(4)在建筑工业方面的应用在建筑工业方面的应用玻璃纤维增强的聚合物基复合材料玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢玻璃钢)具有力学具有力学性能优异，隔热、隔声性能
9、良好，吸水率低，耐腐蚀性能性能优异，隔热、隔声性能良好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。在建筑上，玻璃钢被用作承力结构、围护结构、冷却在建筑上，玻璃钢被用作承力结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。塔、水箱、卫生洁具、门窗等。第22页，本讲稿共60页(5)(5)在机械工业方面的应用在机械工业方面的应用 复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。用复合材料制造叫片
10、具力制造容易、质量轻、耐腐蚀用复合材料制造叫片具力制造容易、质量轻、耐腐蚀等优点，各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。等优点，各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。第23页，本讲稿共60页(6)(6)在体育用品方面的应用在体育用品方面的应用在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。第24页，本讲稿共60页(1)(1)(1)(1)降低成本降低成本降低成本降低成本由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前
11、景将是非常广阔的。合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。复合材料今后的发展方向复合材料今后的发展方向第25页，本讲稿共60页(2)(2)高性能复合材料的研制高性能复合材料的研制 高性能复合材料是指具有高性能复合材料是指具有高强度高强度高强度高强度、高模量高模量高模量高模量、耐高温耐高温耐高温耐高温等等特性的复合材料。特性的复合材料。随着人类向太空发展，航空航天工业对高性能复合材料随着人类向太空发展，航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大，而且也会提出更高的性能要求，如更高的需求量越来越大，而且也会提出更高的性能要求，如更高的强度要求、更高的耐温要求等。的强度要求、更高的耐温要求等。第2
12、6页，本讲稿共60页(3)(3)(3)(3)功能性复合材料功能性复合材料功能性复合材料功能性复合材料 功能复合材料是指具有功能复合材料是指具有导电导电导电导电、超导超导超导超导、微波微波微波微波、摩擦摩擦摩擦摩擦、吸声吸声吸声吸声、阻尼阻尼阻尼阻尼、烧蚀烧蚀烧蚀烧蚀等功能的复合材料。等功能的复合材料。第27页，本讲稿共60页(4)(4)(4)(4)智能复合材料智能复合材料智能复合材料智能复合材料 智能复合材料是指具有智能复合材料是指具有感知感知感知感知、识别识别识别识别及及处理能力处理能力处理能力处理能力的复合的复合材料。在技术上是通过材料。在技术上是通过传感器传感器传感器传感器、驱动器驱动器
13、驱动器驱动器、控制器控制器控制器控制器来实现复来实现复合材料的上述能力。合材料的上述能力。例如，当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时，例如，当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时，可由埋入的传感器在线检测到该损伤，通过控制器决策后，可由埋入的传感器在线检测到该损伤，通过控制器决策后，控制埋入的形状记忆合金动作，在损伤周围产生压应力，从控制埋入的形状记忆合金动作，在损伤周围产生压应力，从而防止损伤的继续发展，大大提高了飞机的安全性能。而防止损伤的继续发展，大大提高了飞机的安全性能。第28页，本讲稿共60页(5)(5)仿生复合材料仿生复合材料复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展。复合材料的
14、设计从常规设计向仿生设计发展。仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显成功地制备出具有明显组织梯度组织梯度组织梯度组织梯度与与性能梯度性能梯度性能梯度性能梯度的新型梯的新型梯度复合材料。度复合材料。仿照鲍鱼壳的结构，由碳、铝和硼混合成陶仿照鲍鱼壳的结构，由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了瓷细带制成了1010微米厚的薄层，由此得到的层状微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固复合材料比其原材料坚固4040。第29页，本讲稿共60页(6)(6)(6)(6)环保型复合材料环保型复合材料环保型复合材料环保型复合材料 从环境保护
15、的角度看，目前的复合材料大多注重材料从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之是复合材料今后的发展方向之。第30页，本讲稿共60页智能材料智能材料智能材料：“能感知环境条件，做出相应行动”的材料。具有自我诊断、自我调节、自我修复等功能。疲劳效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减。对结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。传统的混凝土
16、结构的维修方式？研究和开发具有主动地对结构进行自诊断、自修复的智能混凝土已成为发展趋势。第31页，本讲稿共60页损伤自诊断混凝土损伤自诊断混凝土自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤。第32页，本讲稿共60页碳纤维智能混凝土碳纤维智能混凝土碳纤维混凝土除具有压敏性，将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土具有自感知内部应力、应变的功能。碳纤维混凝土除具有压敏性外，还具有温敏性，因此可以实现对建筑物内部和周围环境
17、变化的实时监控；可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。第33页，本讲稿共60页光纤传感智能混凝土光纤传感智能混凝土在混凝土结构埋入纤维传感器，探测混凝土在受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时监测。光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大Caleary建设的一座名为BeddingtonTail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国Winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。第34页，本讲稿共60页自调节智能混凝土自调节智能混凝土自调节智能混凝土具有电力效应和电
18、热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金和电流变体等。日本学者研制的自动调节环境温度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测，并根据需要对其进行调控。第35页，本讲稿共60页自修复智能混凝土自修复智能混凝土自愈合混凝土就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的胶囊掺入混凝土材料中，一旦
19、混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。第36页，本讲稿共60页纳米材料纳米材料纳米技术：指纳米级尺度（0.1100nm）的科学与技术。(1米10亿纳米)纳米材料：在1100纳米尺度范围内的纳米颗粒和有纳米颗粒组成的薄膜和块体。纳米科技揭示了一个可见的原子原子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。第37页，本讲稿共60页纳米技术纳米技术的灵感，来自于物理学家理查德理查德.范曼范曼1959年所作的一次演讲。为什么我们不可以从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？1982年，科学家发明研究纳米的
20、重要工具扫描扫描隧道显微镜隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；1990年，IBM公司的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜慢慢地把35个氙原子氙原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。第38页，本讲稿共60页年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地。纳米马桶纳米马桶纳米马桶纳米马桶第39页，本讲稿共60页纳米汽车世界上最小的汽车真正的“纳米车”，直径只有
21、4纳米，还不到人头发丝直径的万分之一。车轮用巴克球制造，每个巴克球只有60个原子大小。令人赞叹不已的是，这辆“汽车”不仅有底盘、车轴，甚至还有一套悬挂系统！第40页，本讲稿共60页年，碳纳米管碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；第41页，本讲稿共60页随着尺寸的减小，一系列的物理现象显现出来。许多物理性质会改变。一个典型的例子是材料的表面体积比。材料在纳米尺度下会突然显现出与它们在宏观情况下很不相同的特性，这样可以使一
22、些独特的应用成为可能。例如，不透明的物质变为透明（铜）；惰性材料变成催化剂（铂）；稳定的材料变得易燃（铝）；在室温下的固体变成液体（金）；绝缘体变成导体（硅）。物质在纳米尺度的独特量子和表面现象造就了纳米科技的许多分支。第42页，本讲稿共60页建筑领域建筑领域在环保项目上我们所看到的新的智能材料和纳米二氧化钛粒子混合，应用于窗户自我清洁，建筑物和道路上。（在米兰，有7000平方米道路应用了这些能材料从而减少了减少60%的二氧化氮水平）。还有一些纳米物质加在了新的施工材料中，从而提高机械强度，耐久性和绝缘性，同时相对于传统的材料降低了重量。第43页，本讲稿共60页传感器系统传感器系统一些传感器系
23、统被应用于建筑中,应用于测试建筑物的结构构强度,磨损等。纳米技术也可以帮助提供一个系统范围内查看“建筑物的感觉“的详细信息。所有传感器和监测数据传达到中央节点处理后付诸实施。第44页，本讲稿共60页纳米家电纳米家电纳米家电，就是采用纳米技术生产出来的家用电器。将纳米材料加入飞机中，可以吸收雷达波，于是隐性飞机问世了。用纳米材料制成的刀具，比钻石刀具还硬。将电脑芯片和光盘，加工成纳米级，其运算速度和记录密度高于常态几个数量级。目前纳米技术在家电领域还主要用于抗菌、抑菌等“健康”方面。纳米洗衣机防高温耐磨擦，而且有很强的防垢能力。第45页，本讲稿共60页纳米技术可使人长生不老？纳米技术可使人长生不
24、老？“纳米虫”能够从细胞及分子的层面让人体变得更为健康。例如，科学家曾利用“纳米虫”成功治愈老鼠的糖尿病。可以利用“纳米虫”发现血液中的癌细胞并消灭它们。预计25年后，科学家将研制出比第一代“纳米虫”功能强大10亿倍的类似装置，用来进一步加快人类寿命增长的速度。届时，未来人类寿命有望达到数百年。第46页，本讲稿共60页世界各国对纳米技术的重视世界各国对纳米技术的重视日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从年的亿美元增加到年的亿美元。第47页，本讲稿共60页工
25、程项目向更高、更深、更快的方向发展工程项目向更高、更深、更快的方向发展地球上可以居住、生活和耕种的土地和资源是有限的，而人口增长的速度是不断加快的。因此，人类为了争取生存，土木工程的未来至少向五个方向发展。第48页，本讲稿共60页向高空延伸向高空延伸现在人工建筑物最高的为646m的波兰Gabin长波台钢塔。日本拟在东京建造800.7m高的千年塔，它在距海约1.25英里的大海中，将工作、休闲、娱乐、商业、购物等融于一体的抗震竖向城市中，居民可达5万人。中国拟在上海附近的1.6公里宽，200m深的人工岛上建造一栋高1250m的仿生大厦，居民可达10万。印度也提出将投资50亿建造超级摩天大楼，其地上
26、共202层，高达710m。第49页，本讲稿共60页向海洋发展向海洋发展2000年，日本大阪利用围海建造的1000m长的关西国际机场试飞成功。阿联酋首都迪拜的七星大酒店也建在海上。上海南汇滩围垦成功和崇明东滩围垦成功，最近又在建设黄浦江外滩的拓岸工程。第50页，本讲稿共60页向沙漠进军向沙漠进军全世界约有1/3陆地为沙漠，每年约有600万公顷的耕地被侵蚀，这将影响上亿人口的生活。世界未来学会对下世纪初世界十大工程设想之一是将西亚和非洲的沙漠改造成绿洲。第51页，本讲稿共60页向太空迈进向太空迈进美国政府已决定在月球上建造月球基地，并通过这个基地进行登陆火星的行动。美籍华裔林铜柱博士1985年发现
27、建造混凝土所需的材料月球上都有，因此可以在月球上制作钢筋混凝土配件装配空间站。预计21世纪50年代以后，空间工业化、空间商业化、空间旅游、外层空间人类化等可能会得到较大的发展。第52页，本讲稿共60页发展可持续性的土木工程发展可持续性的土木工程必要性建设部副部长仇保兴指出，中国既有的近400亿平方米建筑中，95%以上为高能耗建筑，单位建筑面积能耗为发达国家的二至三倍。第53页，本讲稿共60页中国能源的用得起与用不起中国能源的用得起与用不起煤炭的人均储量为世界平均水平的1/2，石油则仅为11%，天然气为4.5%；人均耕地只有世界人均水平的1/3，水资源仅有1/4。而在另一方面，中国的单位建筑面积
28、能耗是发达国家的2至3倍以上，中国人每拌和1立方米混凝土，要比发达国家的同行多消耗水泥80公斤；中国卫生洁具的耗水量比发达国家高出30%以上，污水回用率却又不及人家的25%。第54页，本讲稿共60页建设目标建设目标我国将通过5到10年的时间，全面推广节能与绿色建筑。争取到2010年全国新建建筑全部达到节能与绿色建筑设计标准，争取三分之一以上既有住宅基本实现节能改造，全国城镇建筑总能耗实现节能50%。到2020年绝大部分既有建筑实现节能改造，新建建筑全部实现建筑节能65%的总目标。新建建筑对不可再生资源的总消耗比现在下降20%。我国住宅建设的资源消耗水平接近或达到现阶段中等发达国家的水平。第55
29、页，本讲稿共60页什么是绿色建筑？指建筑对环境无害，能充分利用环境自然资源，并且在不破坏环境基本生态平衡条件下建造的一种建筑。节约能源节约资源回归自然第56页，本讲稿共60页绿色建筑绿色建筑节能建筑节能建筑生态建筑生态建筑节地建筑节地建筑第57页，本讲稿共60页上海越洋广场上海越洋广场地址:上海静安寺地区外墙采用了玻璃幕墙，密封结构，达到国家一级标准。冷热源系统为冷冻机组与燃气式锅炉组合而成。卫生洁具采用感应式龙头。照明设备以采用高效率变频灯具为主。南立面外墙，由太阳能电池组件与玻璃幕墙相结合。第58页，本讲稿共60页英国英国“回转人行桥回转人行桥”地址:英国赫尔河人行桥的桥身用黑色防滑的黑色再生橡胶装饰，是一座“圆滑而具有美感”的结构。人行桥上设置了室内空间，用作会议和展览，能够旋转90度让船只通过。第59页，本讲稿共60页HSB Turning Torso地址:瑞典马尔摩海岸地区扭转大楼内拥有一百四十七间公寓，由于大楼从一楼到屋顶共扭转了九十度，所以每间公寓都拥有充足的自然光，这栋大楼的杰出设计，在法国坎城举行的世界房地产市场颁奖典礼中，获得最佳住宅类大奖。第60页，本讲稿共60页