彭家成

（西京學(xué)院工程技術(shù)系 陜西 西安 710123）

0 引言

功能梯度材料 （Functionally Gradient Materials，F(xiàn)GM）是根據(jù)具體的使用要求，選擇兩種或兩種以上具有不同性能的材料，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，通過(guò)連續(xù)改變這些材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部界面減小直至消失，從而使材料成為性質(zhì)和功能均呈連續(xù)平穩(wěn)變化的一種非均質(zhì)復(fù)合材料[1]，它是由日本學(xué)者新野正之等人為實(shí)現(xiàn)航天設(shè)備在巨大溫差作用下取得熱應(yīng)力緩和效果而提出的[2]。 其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在其性能和結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和控制性， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性、剛度、熱學(xué)和電學(xué)特性的人為設(shè)計(jì)和控制，能夠適應(yīng)不同場(chǎng)合下的應(yīng)用[3-4]。 此概念提出以后，得到世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，目前的研究主要體現(xiàn)在陶瓷、金屬等材料領(lǐng)域，但在建筑材料方面報(bào)導(dǎo)較少。

水泥是世界上用量最大的建筑材料之一，目前還未找到一種可以替代的材料。 但由于水泥混凝土本身也存在缺陷，如抗拉強(qiáng)度小、抗裂能力低、自重大、體積穩(wěn)定性差等，使得其在應(yīng)用方面有一定的限制。 特別是在高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)、高壓地下水及高溫環(huán)境中，水泥基混凝土的性能日益表現(xiàn)出不適應(yīng)性，因此其應(yīng)用領(lǐng)域還需進(jìn)一步拓寬[5]。 把梯度的概念引入到水泥混凝土中，通過(guò)組分的變化來(lái)改善其性能并能夠適用于比較復(fù)雜特殊的工程環(huán)境中是很多混凝土材料工作者不斷追求和探索的目標(biāo)。 本論文從國(guó)內(nèi)關(guān)于梯度混凝土近幾年的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)該種材料的的應(yīng)用前景作了初步探討。

2 研究進(jìn)展

2.1 高性能、高耐久性混凝土混凝土

21 世紀(jì)中國(guó)的地下工程建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，混凝土作為地下工程中最大宗的結(jié)構(gòu)材料往往要受到各種破壞因素的相互作用， 比如空氣環(huán)境和土壤環(huán)境的侵蝕，特別是地下水環(huán)境中存在大量的鹽類物質(zhì)，導(dǎo)致混凝土造成嚴(yán)重侵蝕破壞。 因此，要求地下工程的混凝土必須具有較高的力學(xué)性能、較好的抗?jié)B性能和抗侵蝕性能，才能保證混凝土的耐久性[6-7]。

普通鋼筋混凝土應(yīng)用于地下工程時(shí)， 特別是在高壓水、侵蝕水的作用下，耐久性問(wèn)題必然成為一大技術(shù)難題。 因此南昌大學(xué)王信剛等人[8]在地下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入功能梯度設(shè)計(jì)的思路，將地下工程混凝土的功能設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，自水土壓力方向可依次設(shè)置高致密防水層、鋼筋混凝土保護(hù)層、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)層等幾個(gè)功能層，制取一定尺寸的試件， 利用NEL-PD 型混凝土滲透性檢測(cè)系統(tǒng)采用快速Cl-擴(kuò)散測(cè)試法[9]測(cè)試水泥混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)DNEL；并采用電子顯微鏡觀測(cè)Cl-在滲透過(guò)程中混凝土不同組成材料界面之間的微觀結(jié)構(gòu)，從本質(zhì)上分析抗?jié)B性較傳統(tǒng)混凝土明顯提高的原因；通過(guò)試驗(yàn)表明，與單層混凝土設(shè)計(jì)相比而言，梯度混凝土可顯著改善抗?jié)B和抗侵蝕能力，特別是抗離子（如Cl-）的滲透能力[10]。

針對(duì)武漢長(zhǎng)江隧道工程混凝土面臨的高壓富水環(huán)境，武漢理工大學(xué)高英力等人[11]建立了梯度混凝土管片（FGCS）結(jié)構(gòu)體系，對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌管片進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，沿著水土壓力方向，各層依次為高抗?jié)B保護(hù)層（無(wú)細(xì)觀界面過(guò)渡區(qū)水泥基材料，MIF）、結(jié)構(gòu)層、防火防爆層，各層材料組成均不相同，采用多層澆筑的工藝，在界面處采用特殊的處理技術(shù)，使性能在厚度方向上均勻過(guò)度， 保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，考慮到MIF 采用較小的水膠比，為了有效防止由于保護(hù)層與結(jié)構(gòu)層材料在收縮變形上的非一致性導(dǎo)致界面處產(chǎn)生相對(duì)滑移而開(kāi)裂，在MIF 中摻入減縮抗裂組分來(lái)達(dá)到減小收縮變形及改善抗裂性能的目的。 按照上述方法制取試件， 采用NEL 法進(jìn)行測(cè)試， 通過(guò)測(cè)定氯離子的擴(kuò)散系數(shù)來(lái)定量評(píng)價(jià)MIF 的滲透性能，測(cè)試結(jié)果可知，高抗?jié)B保護(hù)層氯離子擴(kuò)散系數(shù)相比普通混凝土減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，抗?jié)B性大大增強(qiáng)，使用壽命延長(zhǎng)10 倍以上， 主要原因在于混凝土界面過(guò)渡區(qū)的性能得到改善。 并對(duì)MIF 及結(jié)構(gòu)層混凝土分別進(jìn)行了抗壓、抗折、劈裂強(qiáng)度及彈性模量的測(cè)試，由于微觀結(jié)構(gòu)的界面強(qiáng)化，使得材料結(jié)構(gòu)更加密實(shí)， 因此其力學(xué)性能也得到很大提升。除此之外，筆者還通過(guò)測(cè)定結(jié)構(gòu)層混凝土的耐火極限測(cè)試了混凝土材料的耐火性能，證明了所采用的功能材料防火抗暴涂層可有效提升混凝土管片內(nèi)襯層的防火抗暴性能；通過(guò)對(duì)各功能層進(jìn)行酸性氣體SO2侵蝕的加速試驗(yàn)，結(jié)果表明保護(hù)層MIF 和結(jié)構(gòu)層的耐酸侵蝕能力較普通混凝土有了較大增長(zhǎng)，28d 均未出現(xiàn)腐蝕。

鄭州大學(xué)楊久俊等人[12]也制作了3 層梯度結(jié)構(gòu)試件，研究了界面區(qū)組分的梯度分布對(duì)水泥基材料層狀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，并討論了界面區(qū)組分梯度變化所表現(xiàn)的界面應(yīng)力行為，結(jié)果顯示，梯度分布可以有效緩解界面處的殘余應(yīng)力，從而改善了結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)行為。

2.2 纖維混凝土混凝土

水泥基材料作為世界上原料最豐富的建筑材料，其力學(xué)性能也一直備受關(guān)注。 由于其本身存在抗裂性差的缺陷，可以加入一些纖維增強(qiáng)材料來(lái)改善其力學(xué)性能，使其能得到更加廣泛的應(yīng)用，但是這些增強(qiáng)材料以何種形式分布其中才能達(dá)到最佳增強(qiáng)效果是廣大工作者研究的重要課題。

鋼纖維混凝土目前已受到廣大研究者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，主要是由于具有良好的力學(xué)和變形性能，但是到目前為止關(guān)于鋼纖維混凝土的研究中鋼纖維在混凝土中的分布都是均勻的。 鄭州大學(xué)的趙軍[13]應(yīng)用大型有限元分析軟件，建立了素混凝土、鋼纖維均勻分布混凝土、鋼纖維按應(yīng)力狀態(tài)梯度分布和鋼纖維線性梯度分布四種不同的模型，對(duì)四種混凝土梁的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬表明，鋼纖維梯度分布混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變顯著提高，構(gòu)件的抗折強(qiáng)度也大大提高，剛度較大，撓度較小，極限荷載時(shí)的變形性能較好，主要由于鋼纖維線性梯度分布時(shí)，靠近拉應(yīng)力較大的部位鋼纖維分布較多，而鋼纖維能夠起到很好的提高抗拉強(qiáng)度和變形性能的作用，鋼纖維梯度分布時(shí)對(duì)抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)效果是最好的。

玻璃纖維也是一種常見(jiàn)的纖維材料，同濟(jì)大學(xué)海然[14]按照使用環(huán)境的要求， 在混凝土中摻入一定量的玻璃纖維，并使玻璃纖維呈梯度分布，探索了梯度結(jié)構(gòu)對(duì)水泥基混凝土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系等力學(xué)性能的影響。 試驗(yàn)采用三組試件，第一組為未摻纖維的普通混凝土，第二組為纖維均勻分布試件，第三組為纖維總量與第二組相同且呈梯度分布的試件，通過(guò)測(cè)定抗壓和抗彎強(qiáng)度，纖維梯度分布增大了試件最大荷載點(diǎn)及塑性變形，且對(duì)抗彎強(qiáng)度的提高最明顯，有效地改善了混凝土的力學(xué)性能。

3 應(yīng)用前景

綜上所述， 結(jié)合梯度混凝土的優(yōu)越性， 由于梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得混凝土本身的力學(xué)性能、抗?jié)B性、耐火性及耐腐蝕性都有所改善，梯度混凝土可以作為地下工程結(jié)構(gòu)混凝土和高抗?jié)B性混凝土、隧道工程襯砌層混凝土管片、大跨度結(jié)構(gòu)和高溫環(huán)境中等。 但目前對(duì)于梯度混凝土的研究都局限在理論和試驗(yàn)研究階段，由于一般實(shí)際工程中應(yīng)用的混凝土量非常大，特別是由于混凝土是由多相復(fù)雜材料組成，如何采用先進(jìn)的制備技術(shù)和界面處理技術(shù)是衡量梯度混凝土性能的關(guān)鍵之處。 受到上述限制，導(dǎo)致梯度混凝土在實(shí)際應(yīng)用中較少，在大跨度結(jié)構(gòu)中是否可以完全取代鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土，高溫環(huán)境中能否得到廣泛應(yīng)用等問(wèn)題，都將成為今后混凝土材料研究中的一個(gè)熱點(diǎn)課題。

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