土木工程的展望

14章土木工程的展望建筑材料的发展工程项目的发展可持续性的土木工程建筑材料向高性能方向发展复合材料智能材料纳米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。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，树木和竹子是纤维素和木质素的复合体；动物的骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。

人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效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；漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。

现代复合材料的制作成功则要从1942年，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。

与传统材料(如金属、木材、水泥等)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。复合材料的应用氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件美国B-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由光导纤维构成的光缆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高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器人工肾脏生物陶瓷人造关节可调节的太阳镜耐高温纤维制成的消防人员的服装(1)在航空、航天方面的应用由于复合材料的轻质高强持性，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。

(2)在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的1／4，而且在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。

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。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外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。(3)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、带电操作工具等。

(4)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(玻璃钢)具有力学性能优异，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。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。

(5)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、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。(6)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、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。(1)降低成本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，其应用前景将是非常广阔的。复合材料今后的发展方向

(2)高性能复合材料的研制

高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。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。(3)功能性复合材料功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等功能的复合材料。(4)智能复合材料

智能复合材料是指具有感知、识别及处理能力的复合材料。在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合材料的上述能力。例如，当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时，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，从而防止损伤的继续发展，大大提高了飞机的安全性能。(5)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。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组织梯度与性能梯度的新型梯度复合材料。

仿照鲍鱼壳的结构，由碳、铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的层状复合材料比其原材料坚固40％。(6)环保型复合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—。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。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。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。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。自调节智能混凝土

自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。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。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。纳米材料纳米技术：指纳米级尺度（0.1~100nm）的科学与技术。(1米＝10亿纳米)纳米材料：在1～100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。

纳米技术的灵感，来自于物理学家理查德.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重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、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慢慢地把35个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。１９９３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。纳米马桶纳米汽车

世界上最小的汽车——真正的“纳米车”，直径只有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！１９９１年，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１０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；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。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。传感器系统

一些传感器系统被应用于建筑中,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。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。纳米技术可使人长生不老？“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。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５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１９９７年的１．１６亿美元增加到２００１年的４．９７亿美元。

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。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，其地上共202层，高达710m。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。

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。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。

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。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