新型材料在建筑工程中的應用
摘要：隨著我國經濟的發(fā)展和人民物質生活水平的提高，新型建材及制品有了良好的發(fā)展機遇和廣闊的市場空間。經過發(fā)展，我國新型建材及制品工業(yè)基本上經歷了一個從無到有、從小到大的發(fā)展過程，在全國范圍內形成了一個新興的產業(yè)。發(fā)展新型建筑材料是發(fā)展壯大建筑建材支柱產業(yè)，進行產業(yè)結構調整，培育新的經濟增長點，實現可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。本文首先概述新型建筑材料在基礎中種類及特征，其次分析了新型建筑材料行業(yè)的發(fā)展狀況,進而闡述了發(fā)展新型建材發(fā)展新型節(jié)能建材的意義，最后對新型建筑材料的發(fā)展趨勢進行展望，以及提出發(fā)展對策。
關鍵詞： 新型建筑材料；基礎工程；高性能；混凝土；
1 緒論
1.1 概述
建筑材料是建筑工程的基礎，建筑材料工業(yè)是國民經濟的重要基礎工業(yè)之一，它用量大，經濟性強，直接影響工程的總造價。一般住宅類建筑工程的材料費用約占到總造價的50%以上，具有相當大的比例；而且建筑材料的品種和質量水平制約著建筑與結構形式和施工方法。此外，建筑材料直接影響土木和建筑工程的安全可靠性、耐久性及適用性（經濟適用、美觀、節(jié)能）等各種性能。因此，新型建筑材料的開發(fā)、生產和使用，對于促進社會進步、發(fā)展國民經濟具有重要意義。
我國新型建材工業(yè)是伴隨著改革開放的不斷深入而發(fā)展起來的，從l979-2012年是我國新型建材發(fā)展的重要歷史時期。經過30多年的發(fā)展，我國新型建材工業(yè)基本完成了從無到有、從小到大的發(fā)展過程，在全國范圍內形成了一個新興的行業(yè)，成為建材工業(yè)中重要產品門類和新的經濟增長點。目前, 全國新型建材企業(yè)星羅棋布在市場需求的帶動下, 已經形成了全國范圍的新型建材流通網；大部分國外產品我國已能生產, 星級賓館所需的新型建筑材料國內已能自給；不同檔次、不同花色品種裝飾裝修材料的發(fā)展, 為改善我國城鄉(xiāng)人民居住條件、改變城市面貌提供了材料保證。我國已經形成了新型建材科研、設計、教育、生產、施工、流通的專業(yè)隊伍。
1.2 發(fā)展新型建筑材料的意義
發(fā)展新型建材、推廣節(jié)能建筑是保護耕地資源的需要。中國房屋建筑材料中70%是墻改材料，其中粘土磚仍占據主導地位，而生產粘土磚的粘土資源則又是相對較優(yōu)質的粘土。從中國耕地資源條件看，全國耕地只占土地面積的13%，目前人均耕地1.43畝，為世界平均值的約1/3。耕地資源緊張，且優(yōu)質耕地少，后備資源嚴重不足已是不爭事實。開發(fā)建材新產品，為推廣節(jié)能建筑開辟了一條可行之路。
發(fā)展新型建材、推廣節(jié)能建筑是緩解能源緊張的需要。建材工業(yè)是和建筑業(yè)密不可分、相互依存的行業(yè)，兩者已一并列入國民經濟發(fā)展的支柱產業(yè)。從市場角度看，建筑業(yè)是建材業(yè)的最終用戶，建材行業(yè)產品的77.3%用于建筑業(yè)。目前，中國每年建成的房屋面積高達16億－20億平方米，但新建筑中95%以上仍屬于高耗能建筑，單位建筑面積采暖能耗為氣候相近發(fā)達國家的3倍左右，中國建筑能耗已占全國能源消耗的近30%。如果建筑節(jié)能工作仍維持目前狀況，到2020年建筑能耗將達到10.89億噸標準煤，僅空調高峰負荷將相當于10個三峽電站滿負荷發(fā)電。因此，大力發(fā)展建筑節(jié)能刻不容緩。
發(fā)展新型建材、推廣節(jié)能建筑是改造傳統(tǒng)建材和建筑的重要前提。以礦業(yè)加窯業(yè)為產業(yè)特征的傳統(tǒng)建材業(yè)，目前尚屬資源、能源消耗型產業(yè)。中國建材行業(yè)萬元產值耗煤2.7噸、消耗礦山資源逾100噸，是發(fā)達國家平均水平的1.5倍－2倍；年能源消耗總量為2.4億噸標準煤，礦產資源消耗近40億噸，居全國各行業(yè)前列。就總量平均而言，主要建材產品單位能耗高于世界先進水平150%。目前，煤、電、油以及原材料的緊張已成為制約行業(yè)發(fā)展的突出問題。如何減少能源和資源的消耗，最大限度地提高能源和資源利用效率，同時減排降污，保護環(huán)境，使建材產業(yè)和建筑業(yè)成為節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)地的可持續(xù)發(fā)展的現代化產業(yè)，已成為各級政府需要認真研究和解決的一個重要課題。
2 在基礎工程中新型建筑材料應用
2.1 幾類混凝土在基礎建筑工程中的應用
（1）高強混凝土。在混凝土高強度化的應用中，高強預應力混凝土管樁（簡稱PHC 管樁即高強混凝土）就是在基礎工程中的應用的建筑材料之一。PHC 管樁生產采用摻高效減水劑、強制攪拌、高速離心和“蒸養(yǎng)-壓蒸”二次養(yǎng)護方式，樁身混凝土強度等級超過C80,具有強度高，單樁承載力大，耐打性好，設計選用靈活方便，成樁質量可靠，對樁端持力層起伏變化較大的地質條件適應性強， 施工速度快，檢測時間短，監(jiān)理方便，現場管理簡單，綜合經濟效益指標好等優(yōu)點，在許多工程中得到了成功應用。
（2）纖維混凝土。纖維混凝土是一種新型的多相復合建筑材料，它通常根據工程結構不同及使用環(huán)境和條件在水泥基體中摻入鋼纖維、玻璃纖維、石棉纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、高密度聚乙烯纖維、尼龍纖維等材料，以改善并提高混凝土的抗裂、抗拉、抗彎強度和抗?jié)B防水性能，增強其抗沖擊及抗震能力，已受到工程界的極大關注并在不斷的工程實踐過程中得到越來越多的肯定。
（3）混凝土膨脹劑。混凝土膨脹劑（簡稱UEA）是由硫鋁酸鈣熟料或硫酸鋁熟料、天然明礬石和石膏共同磨細而成的一種特殊外加劑。它內摻（替換水泥率）6%-12%于混凝土中拌制成的補償收縮混凝土，具補償收縮、強度、抗?jié)B和抗凍性能良好的優(yōu)點。灌注樁膨脹劑（簡稱PEA），是由鋁酸鹽、硫酸鋁鹽、石膏和有機外加劑磨制而成的粉狀物。PEA 摻入水泥后，由于水化作用形成大量的膨脹性結晶水化物-鈣礬石，使混凝土產生體積膨脹。通過混凝土樁徑向膨脹作用， 提高了樁與土層的摩擦阻力。而PEA 樁的豎向膨脹作用，也提高了樁尖的極限強度。這一徑向和豎向膨脹綜合效應，使PEA 樁垂直和水平承載能力都得到提高。水泥中摻入20-25%的PEA, 單樁承載力提高25%-35%.基礎工程的實踐證明采用PEA 樁能節(jié)省投資，大大縮短樁基工工期，同時可節(jié)省工程用電、用水，具有顯著的社會和經濟效益。
（4）噴射混凝土。噴射混凝土是將水泥、砂、石和外加劑（速凝劑、粘稠劑）按一定比例拌合后裝入噴射機中，借助壓縮空氣吹至噴嘴處與水混合，然后噴向巖壁并在短時間內與巖壁粘結的一種混凝土支護結構。采用噴射混凝土護壁由于不需支設模板，工藝簡單，施工方便，工期短，經濟效益顯著。
（5）高性能混凝土。高性能混凝土是指采用普通原材料、常規(guī)施工工藝，通過摻加外加劑和摻合料配制而成的具有高工作性、高強度、高耐久性的綜合性能優(yōu)良的混凝土混凝土而成的具有高工作性、高強度、高耐久性的綜合性能優(yōu)良的混凝土。高性能混凝土的拌合料呈高塑或流態(tài)、可泵送、不離析，便于澆筑密實； 在凝結硬化過程中和硬化后體積穩(wěn)定，水化熱低，不產生微細裂縫，徐變小，并同時具備低成本經濟合理性。
2.2 化學灌漿材料
在基礎建筑工程中的應用化學灌漿是巖石工程補強加固手段之一。常用的化學灌漿材料除傳統(tǒng)類型外出現了諸如甲凝、甲氰凝和環(huán)氧-聚氨酯、丙烯酸酯-聚氨酯等互穿網絡灌漿材料，其中甲基丙烯酸酯系列是我國獨創(chuàng)。目前研制的中化-798 漿材，沖破國際上認k<10-6cm/s 地層不能進行滲透灌漿的灌漿禁區(qū)，而且注入k =10-8cm/s 的地層，為國內外處理低滲透性軟弱巖土地層的化學灌漿技術開創(chuàng)了新局面。
2.3 粉煤灰磚及粉煤灰拌合物
在基礎建筑工程中的應用該產品以粉煤灰、膠凝材料（石灰、石膏、水泥等）為主要原料，摻加適量的外加劑、集料等，經坯料制備、振動壓制成型，常壓或高壓蒸汽養(yǎng)護而制成的實心磚，是替代實心粘土磚較為理想的一種新型墻體材料。粉煤灰是由燃煤熱電站煙囪收集的灰塵，其顆粒一般比水泥還細，含有大量的球狀玻璃珠，同石灰、水泥、砂石、土等親合性好，它們的拌合物是優(yōu)良的地基與基礎工程材料，已在水利、道路、建筑工程中得到廣泛應用。
（1）粉煤灰中的SiO2、Al2O3酸性氧化物與石灰消解后生成的Ca（OH）2發(fā)生反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質，并逐漸硬化產生強度，用以加固地基和作基礎墊層， 在多個工程實踐中得到成功應用。
（2）二灰砂樁。用粉煤灰、石灰、砂和多種外加劑制成的灰土樁，處理新填土地基，提高了地基承載力，減少變形量，具有明顯效果。
（3）二灰瀝青混凝土。美國摩爾頓郡修建海布郎公路時， 在拌制瀝青混凝土時摻入3.5%的消石灰和8%的C 級粉煤灰（高鈣灰）， 使混凝土的強度提高60%-80%,若先拌合石灰，陳化24 小時后再摻入粉煤灰，混凝土的強度可提高1 倍以上。
（4）粉煤灰混凝土。研究表明摻有 高效減水劑的混凝土， 當拌合物的水灰比為0.3 或者更低時，使用粉煤灰取代60%的水泥拌制的混凝土，不僅具有強度與耐久性優(yōu)異的特性，同時混凝土的彈性模量、徐變、干縮和凍融性能亦均與普通混凝土相當。另外，這種高摻量粉煤灰混凝土抵抗氯離子滲透的能力較強。
（5）CFG 樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，這種樁的骨料仍為碎石，用摻入石屑來改善其顆粒級配，摻入粉煤灰來改善混合料的和易性，并利用其活性減少水泥用量。由于它與周圍被擠壓的土壤共同承受上部傳來的荷載，故又稱為CFG 樁復合地基。與碎石樁相比，CFG 樁承載力提高幅度較大（與素混凝土樁相近），且具有可調性，并可有效減少變形。CFG 樁處理費用比素混凝土樁節(jié)約20%-30%,且利用了“二廢”（即粉煤灰和石屑），具有較好的經濟效益和社會效益。
（6）水泥粉煤灰鋼渣樁（簡稱CFS 樁）在濕陷性黃土地區(qū)已被積極應用與推廣，并在武漢某熱軋廠板坯庫車間人工填土地基中得到了成功應用。CFS 樁的作用機理主要是通過擠密、樁體分擔荷載作用來提高地基承載力及減小變形。此外，粉煤灰、石灰和水泥摻合在一起的“三灰”基礎，粉煤灰、石灰混合料中摻入土的“二灰土”墊層和“二灰土”樁，粉煤灰、石灰、碎石或硬質礦渣等拌合在一起的“二灰渣”等粉煤灰拌合物在地基基礎中均得到了成功的應用。
3 在基礎工程中新型建筑材料發(fā)展的趨勢
隨著經濟的發(fā)展和人民物質生活水平的提高，城鄉(xiāng)建筑迅速增加，因而建筑材料問題已
越來越被社會各界所重視，已成為當今社會廣泛關注的一個重要主題。
3.1 綠色建材應成為基礎工程材料
一是節(jié)約資源型，如粉煤灰拌合物是盡量降低天然資源消耗，充分利用工業(yè)廢料作為原材料的綠色建材。二是低能耗型， 如用粉煤灰等工業(yè)廢渣代替粘土磚， 生產相當于1000 億塊實心粘土磚的新型墻體材料， 可消耗工業(yè)廢渣7000 萬噸，節(jié)約耕地3 萬畝，節(jié)約生產能耗100 萬噸標煤，達到節(jié)能利廢、節(jié)約資源、保護環(huán)境的目的。三是無公害型，如國內研制成功了T31,810,X89,CD 等毒副作用較低的一批環(huán)氧漿材改性胺類固化劑， 無溶劑型環(huán)氧漿材、LW、HW 等 水溶性聚氨酯漿材等低污染或無污染的新型建材。四是可回收利用型， 環(huán)保泥漿是一種高分子聚合物所組成的高濃縮性乳液穩(wěn)定液， 用于地下連續(xù)墻或樁基施工，具有穩(wěn)定溝槽的功能，可取代傳統(tǒng)的膨潤土。
3.2 復合建材是基礎工程材料發(fā)展的必然趨勢
復合建材是由兩種或兩種以上不同材料，通過一定的加工工藝合成一體的功能材料�，F代建材大多數是復合建材，如PHC 管樁、粉煤灰拌合物、纖維混凝土等都是復合建材。復合建材吸取了單一質建材的材性優(yōu)勢和組合建材優(yōu)勢互補的優(yōu)點，根據使用功能的要求，選擇合適的材料，通過物理或化學的手段，使不同材料復合成一種新的整體材料，既能使材料的特性得到充分發(fā)揮，又能合理地做到優(yōu)勢互補。如纖維混凝土中纖維的摻入可以提高混凝土的抗拉及抗沖擊性能，并能有效改善混凝土的脆性，使材料更能適應時代的要求。以水泥、粉煤灰、石屑等材料構成的低強度樁為“復合地基”技術的開發(fā)，為我國地基處理技術開辟了新領域，填補了天然地基與樁基之間的空白。
3.3 新型建材品種的增加促進基礎工程技術的發(fā)展
目前，新型建材的品種和產量正在以前所未有的速度發(fā)展，基礎工程若能有效地利用性能優(yōu)良的新型建材必將推動基礎工程新技術、新工藝的發(fā)展。水泥工業(yè)在我國建材行業(yè)中能耗最大，因此要大力發(fā)展生態(tài)水泥。所謂生態(tài)水泥就是廣泛利用各種廢棄物，包括各種工業(yè)廢料、廢渣及城市垃圾為原料制造的一種生態(tài)建材。這種水泥能夠降低廢棄物處理的負荷，既解決了廢棄物造成的污染，又把生活垃圾和工業(yè)廢棄物作為原材料，變成了有用的建設資源，從而降低了生產成本。生態(tài)水泥的主要品種有：環(huán)保型高性能貝利特水泥，低鈣型新型水硬性膠凝材料，堿礦渣水泥等。粉煤灰是燃煤發(fā)電場的廢棄物，由于其具有輕質多孔的特點和潛在的水硬性，可以作為多種建材的生產原料。開發(fā)粉煤灰建材不僅可以解決能源和資源問題，同時解決了這種工業(yè)廢棄物造成的污染問題。今后在粉煤灰綜合利用方面，需要重點開發(fā)研究的前沿技術課題有：大摻量粉煤灰制品；各種免燒結、免蒸養(yǎng)自然養(yǎng)護工藝的粉煤灰磚制品和粉煤灰陶粒等。
4 結論
新型建筑材料代表了建筑材料的未來發(fā)展方向,符合世界發(fā)展趨勢和人類發(fā)展的需要。回顧過去，我國新型建材及制品工業(yè)有了較大的發(fā)展；展望未來，我國新型建材及制品既面臨機遇，也面臨挑戰(zhàn)。未來新型建筑材料將全面普及到建筑業(yè)的方方面面，成為時代的需求，是未來建筑行業(yè)發(fā)展的新的技術風向標。其光輝的前景已經展現在我們的面前。只要加強領導，堅定信心，增添措施，我國新型建材及制品工業(yè)一定會快速發(fā)展，真正成為我省新的經濟增長點，為我國國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高作出更大貢獻。
參考文獻
[1]劉粵湘. 綜合注漿法在人工挖孔樁施工中的應用.土工基礎. 2003.
[2]黃一丹. 纖維混凝土在大面積混凝土底板中的應用. 廣東土木與建筑. 2003.
[3]周曙春. 水泥粉煤灰鋼渣樁處理地基試驗研究. 土工基礎. 2002.
[4]趙明華. 土力學與基礎工程. 第二版.武漢：武漢理工大學出版社. 2005, 2.
[5]趙明華. 混凝土結構[M]. 武漢：武漢理工大學出版社. 2005, 2
[6]GB50010－2002. 混凝土結構設計規(guī)范[S].
