土木工程材料的发展现状与前景

《土木工程材料》课程调研论文

题目：土木工程材料发展现状与前景

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2011.11.15

土木工程材料发展现状与前景

摘要：土木工程活动是人类作用于自然生态环境最重要的生产活动之一，而土木工程材料在土木工程建设中有着举足轻重的作用，土木工程材料是一切土木工程的物质基础。无论在性能、质量还是经济方面，土木工程材料的使用对建筑物都有着重要影响，工程材料的生产与使用、工程设计、工程施工、工程建成后的使用及报废后的拆除等过程均要消耗大量的能源，并不断产生废弃物，这些问题都将对生态环境产生极大影响。因此，在土木工程不断发展的同时，土木工程材料也需要不断进步和改善。本文就土木工程和土木工程材料的现状和发展调研对材料中的钢材作出设想和讨论。

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土木工程是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐渐发展起来的，土木工程与人们的日常生活密不可分。进入新世纪后，在经济高速发展的形势下，我们又将迎来新的一次基础设施建设高潮。土木工程材料是所有土木工程的物质基础，简单说就是在土木工程施工过程中使用的各种原材料和制件。土木工程材料的选择对于建筑的外观、质量以及成本有着重要的影响，随着自然资源被无节制的开发，资源面临枯竭，如何提高资源的使用率，如何能在建材使用过程中减少或者避免对自然环境的破坏就成为一个现实的课题。

1 土木工程的发展现状

自新中国成立和改革开放以来，凭借经济的发展和城市化的脚步的加快，我国的土木工程开始了新一轮的发展并取得举世瞩目的辉煌成就。新的高楼大厦、展览中心、铁路、公路、桥梁、港口航道及大型水利工程在祖国各地如雨后春笋般地涌现，新结构、新材料、新技术大力研究、开发和应用。发展之快，数量之巨，令世界各国惊叹不已。

在桥梁工程发面，我国的桥梁建设发展迅速，并取得了可喜得成就。在宽阔的长江、黄河、珠江上相继建设起了多座跨江大桥。有多座桥梁居世界同类型桥梁中跨度排名之首，广州的丫髻沙大桥为跨度最大的中承式钢。除此外，我国的

海底隧道工程也加快了发展的步伐。粤、港、澳海底隧道现也正建设中。

在公路和铁路建设工程方面，截至2000年底，公路通车总里程达140万公里，20年内增加了35万多公里，其中高速公路24336公里，居世界第三，仅次于美国和加拿大。我国铁路运营路程已达6.87万公里，居世界第4位，亚洲之首。我国的交通建设除了在数量上的提升外，在工程技术和施工质量上也有了较大的提升，青藏铁路的建成使用就是最好的例子之一。

在水利建设方面：新中国成立以来，全国兴建大中小水库8.6万座，水库总蓄水量4580亿m3，建设和整修大江大河堤防25万公里，目前防洪工程发挥的经济效益达7000多亿元。我国先后建成了青海龙羊峡大坝、四川二滩大坝等水利水电工程，特别是现已建成并投入使用的三峡水电站总装机容量达1820万千瓦，

超过了伊泰普水电站而跃居世界第一。

我国城市发展进入了一个崭新的阶段，城市的数量、规模和人口数量都有了飞速的发展。这就要求更多的建筑来满足城市发展的需求．单是不难看出，目前，我国的城市建筑尤其是房屋建筑，并不能满足人们的需求。人口的增多，资源短缺、环境破坏和水土、空气污染的发展难题也开始成为人们关注的焦点。土木工程的发展也必须肩负起人类可持续发展的重任。

2 土木工程的前景

地球上的人口将会越来越多，而可以供人类居住、生活和耕种的土地和资源是有限的。随着人口增长的速度是不断加快的，人类的继续发展与大自然资源的有限性的矛盾将越来越明显，人类将必须为争取生存而作出许多的努力。同样，人们生活水平的不断提高也将要求更加舒适的生活空间。所以未来土木工程的发展将肩负起这一系类的重任。

随着我国改革开放的不断深入和经济的迅速发展，中国将面临一个更大规模的建设高潮。可以说，我们正面临着一个伴随着国民经济飞跃的土木工程大发展的大好时期。而且这样一个优良的发展环境已经受到并将继续受到西方国家的急切关注。作为跨世纪的一代，这一大好形势为我们提供了空前难得的施展才干、向国际水平冲击的良好机遇。同时，我们也深深感到，这是一个“机遇”与“挑战”并存、“合作”与“竞争”交织、“创新”与“循旧”相争的时代，如何把握世纪之交时土木工程学科的发展趋势，开创具有中国特色、具有国际一流水平的土木工程学科的新纪元，是对我们跨世纪一代人的严峻挑战。

放眼世界，美国的现代化进程可谓先进，而现今资料表明：未来美国要投入16000亿美元来解决已建工程的不安全状态，譬如，氯离子所引发的建筑锈蚀等等。作为当代土木工程师，在传承前人辉煌成就的同时，也必须多多吸取已出事故的教训，在今后的工作中进行创新改良，实现可持续发展。

(1)土木工程学科将向周围继续发散，与材料，环境，化学，电子信息，机械，城市规划，建筑等相关学科进一步的交叉，融合，互相支持，互相服务。土木工程内部的次级学科也同时会在现实需要的推动下产生出新的学科，如对城市地下空间的大规模利用就使得新的地下规划学科有了产生和发展的必要。信息时代正在迎面走来，其他学科和其他方面的新观点新技术，必然的也会影响到土木工程。并且为这一传统学科注入新的活力。包括控制理论，施工技术，新材料，环境工程，经济理论等等。

(2) 可持续发展和人性化。这两个要求是与社会经济的发展相适应的，社会的发展要求更加充分合理的利用资源，社会生活水平的提高也提高了对土木建筑设施人性化的要求。整个土木工程过程是建立在对资源和能源的不断消耗上的，在可持续发展成为整个社会的主题的时候，土木工程也必然的要面对这个问题。对资源和能源的节约，包括在建设中的和使用过程中的，成为土木工程以后的一个方向，这要求有良好的设计和有效的运作管理机制，

土木工程构筑物在它的整个寿命周期，从规划，设计，建造到建成后的使用，维护，拆除都要尽量的将对环境的影响降到最小，同时尽可能大发挥它的社会经济效应。这对土木工程提出了新的要求。具体的要求包括，资源的保护，资源再利用，污染控制和全方位的质量。我国正在施工中的青藏铁路较好的体现了可持续发展的特性，从设计环节开始就注意了对青藏高原脆弱生态环境的保护，全路设计为封闭构造，杜绝了固体废弃物的污染，也严格的控制了噪音污染。施工过程中也相当注重对周围环境的影响。

(3) 主动控制技术。迄今，绝大部分的土木工程建筑都是被当作一个静态的，被动的物体。对周围环境的影响，如风动，温度变化，突发事件等只能依靠自身的结构进行被动的抵御。显得缺少灵活性和应变能力。今后土木建筑设施的一个发展方向之一就是主动控制技术在建筑构造物中的应用。运用计算机技术和模糊控制技术，以及一些预设的控制结构。使得建筑物能够对各种环境因素做出适当的反应。

3 土木工程材料的现状和前景

3.1 土木工程材料的发展和现状

土木工程材料是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐渐发展起来的。高楼、厂房、道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等土木工程都是用各种材料按一定的要求建造而成的，土木工程中所使用的各种材料都成为土木工程材料。它们直接影响建筑物或构筑物的性能、功能、使用年限和经济成本，从而影响人类生活空间的安全性和舒适性。

土木工程材料的发展大致可以分为三个阶段：早期土木工程材料，近代土木工程材料，现代土木工程材料。早期使用的土木工程材料主要有砖、瓦、砂、石、灰、木材等。他们至今仍在土木工程材料中占有重要的地位。比如说，砂是混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程的大宗材料。钢材作为近代土木工程材料代表，它在19世纪中叶品种、规格、生产规模大幅度增长，强度不断提高，钢材的切割和连接等加工技术大为发展，为建筑结构向大跨重载方向发展奠定了重要基础。与此同时，钢筋混凝土问世，并在20世纪20年代出现了预应力钢筋混凝土，使近代土木工程结构的形式和规模发生了飞跃性的进展。近代土木工程材料还包括水泥、混凝土等等。如果说19世纪钢材和混凝土作为结构材料的出现使土木工程的规模产生了飞跃性的发展，那么20世纪出现的高分子材料、新型金属材料和各种复合材料，使土木工程的功能和外观发生了根本性的变革。现代土木工程材料中混凝土的强度等级比以往的混凝土更高，并且出现了高性能混凝土和纤维混凝土。在1988年第一届国际材料科学研究会上日本学者首次提出“绿色建材”这一概念。

土木工程材料在我国的发展也经历了漫长的历史，新中国成立之前一直都发展较慢。新中国成立后，特别是在改革开放的新时代，我国建筑材料的生产得到

了更迅速的发展。自1995年后，我国的水泥、平板玻璃、建筑卫生陶瓷及石墨、

滑石等部分非金属矿产品产量一直居世界第一，是名副其实的建材生产大国。但由于我国的土木工程材料发展迟、起步晚以及施工不规范等方面的原因，我国建材行业的科技水平和管理水平还是比较落后的，主要表现在：能源消耗大；劳动生产率低；污染环境严重；科技含量低；产品创新、市场应变能力差等。与欧美一些发达国家相比还存在着很大差距。

3.2 土木工程材料的发展前景

（1）高性能化。将研制轻质、高强、高耐久性、高抗震性、高保温性、高

吸声性、优异装饰性及优异防水性的材料，实现结构—功能（智能）一体化。这对提高建筑物的安全性、适用性、艺术性、经济性及使用寿命等有着非常重要的

作用。例如，现今钢筋混凝土结构材料自重大（每立方米重约2500kg），限制了

建筑物向高层、大跨度方向进一步发展。通过减轻材料自重，及尽量减轻结构物自重，可提高经济效益。目前，世界各国都在大力发展高强混凝土、加气混凝土、轻骨料混凝土、空心砖、石膏板等材料，以适应土木工程发展的需要。

（2）智能化。所谓智能化材料，是指材料本身具有自感知、自调节、自清

洁、自修复，实现构筑物自我监控的功能，以及可重复利用性。土木工程材料向智能化方向发展，是人类社会向智能化发展过程中降低成本的需要。

（3）复合化、多功能化。利用复合技术生产多功能材料、特殊性能材料及

高性能材料，这对提高建筑物的使用功能、经济性及加快施工速度等有着十分重要的作用。

（4）生产工业化。工业化生产主要是指应用先进施工技术，改造或淘汰陈

旧设备，采用工业化生产技术，使产品规范化、系列化

（5）节能化、绿色化。随着我国墙体材料革新和建筑节能力度的逐步加大，

建筑保温、防水、装饰装修标准的提高及居住条件的改善，对土木工程材料的需求不仅仅是数量的增加，更重要的是产品质量与档次的提高及产品的换代更新。随着人们生活水平和文化素质的提高，以及自我保护意识的增强，人们对材料功能的要求日益提高，要求材料不但要有良好的使用功能，还要求材料无毒、对人体健康无害、对环境不会产生不良影响，即所谓的绿色建材。由于材料在土木工程中消耗量很大，而以往材料生产大多利用天然资源，因此现今可利用的自然资源、能源已非常有限。绿色建材就是从可持续发展角度出发，尽可能少用天然资源，充分利用再生资源，大量使用工业或城市固体废弃物，采用低能耗，无污染的生产技术，生产和开发能够降解有害气体、抑菌与杀菌，对人体健康和环境无害并且可循环再生利用的新型材料。

除以上发展前景外，也可以开发多种材料，赋予材料除结构、装饰功能外的一些特殊功能，即将结构材料和功能材料的性质相结合。例如，可以开发一种可以储存太阳能的墙面材料，到了夜晚可以发光发亮，供照明使用，这样就可以省去路灯的使用，节约能源。这一设想在上海世博会上也有显著的体现，如世博瑞士馆外部的幕帷主要由大豆纤维制成，既能发电，又能天然降解。

4 对我国现阶段钢结构的现状和发展趋势调研

钢结构分为建筑钢结构?桥梁钢结构等，与目前建筑领域普遍采用的钢筋混凝土结构相比，具有强度高、工程造价低、自重轻、施工周期短和可工厂化制作等优点，如此多优势得到广泛重视并迅速发展,从重大工程、标致性建筑使用钢结构到钢结构普遍使用，呈现出了从未有过的兴旺景象。

4.1 钢结构应用现状

4.1.1 高层重型钢结构

高层钢结构建筑是往往当作一个城市标志性建筑。80年代至今已建成和在建高层钢结构达100多幢，总面积约800万平方米，钢材用量80多万吨。

北京、上海在建和新建成的高层钢结构就达到十余幢。如：上海中心大厦（在建、632米）、上海环球金融中心(101层、高492米、用钢量6.5万吨)；北京电视中心(建筑面积18.3万㎡，高度为41层，227.05m，用钢量3.8万吨)；国贸中心三期(建筑面积54万㎡、高度为330m)；央视新大楼等(建筑面积5

万㎡、高度为234m、用钢量12.8万吨)。全国每年有200-300万㎡高层钢结构建筑施工，用钢量约45万吨。

4.1.2 大跨度、空间钢结构

近年来，以网架和网壳为代表的空间结构继续大量发展，不仅用于民用建筑，而且用于工业厂房、机库、候机楼、体育馆、展览中心、大剧院、博物馆等。钢结构用量较大的工业厂房如曹妃甸钢铁基地、上海江南造船基地等，代表性场馆如2008北京奥运会国家体育场（馆）、2010上海世博会场(钢结构用量达30多万吨)、2010年亚运会(广州)、济南全运会、深圳大运会及南阳全国农民运动会等城市兴建的体育场馆。据中国钢结构协会空间结构分会统计：网架和网壳近年生产已处于趋平稳状态，每年1500座，约250万平方米，用钢约7万吨，钢结构选用的钢材呈现品种多、规格杂、用量大、强度高的特点，主要品种有：Q235C、Q345C、390D（用于地下预埋的桩柱）、Q345GJ、Q420、Q460等。

随着悬索和膜的张拉结构研究开发深入和工程应用的推广。预应力空间结构开始得到应用。杭州雷峰塔、海南千年塔、广州新电视塔(高度610米、用钢量4.0万吨)和昆明世博园艺术广场膜结构等一大批新型钢结构建筑和构筑物不断涌现。悬索和膜结构目前处于发展阶段，用量不大，国内已有多家膜结构工程公司，承担很多体育场馆、机场、公园和街道景观的设计和施工。目前高中挡膜材仍需进口(如PTFE、ETFE)。

4.1.3 轻钢结构

轻钢结构是相对于重钢结构而言，其类型有门式刚架、拱型波纹钢屋盖结构等，主要用于轻型的工业厂房棉花和粮食仓库、码头和保税区仓库、农产品、建材、家具等各类交易市场、体育场馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。用钢量一般30-40kg／㎡左右(不含钢筋用量)。全国每年新建轻钢房屋800万平方米、用钢约20万吨。

4.1.4 钢结构住宅

用钢结构建造的住宅重量是钢筋混凝土住宅的1/2左右，可满足住宅大开间的需求，使用面积比钢筋混凝土住宅提高4%左右。钢材可以回收，建造和拆除时对环境污染较少，符合推进住宅产业化发展节能省地型住宅的国家政策。

我国目前是最大的建筑市场，平均每年房屋建筑建设约20亿平方米（2009年房屋施工面积达32亿平方米），其中钢结构约占2-3%，绝大多数是钢筋混凝土结构和砖混凝土结构，还有少量木结构、砖石结构及土坯房屋。近8亿平方米/年的城镇居民住宅亦如此。钢结构建筑在我国整个建筑行业中所占的比重还不到5%，而发达国家已达50%以上，住宅钢结构的潜在发展空间非常大。目前，在在北京、上海、天津、河北、武汉、青岛等地建了低层、多层、高层钢结构住宅试点示范工程，已建成500多万平方米，用钢约20万t。宝钢在钢结构住宅产业化方面投入大量资金和研究人员，在武汉、沈阳等地设计建设了多处钢结构示范住宅项目，2007年在武汉汉阳区建成了钢结构示范住宅项目——赛博园经济适用房小区，达到了世界钢协有关“国际民用建筑用钢项目”的技术要求。此外，针对提供给四川地震灾区作为过渡期安置房的60余万套活动板房，宝钢完成了板房材料利用的试点项目。

4.1.5 钢-混凝土组合结构

钢-混凝土组合结构是充分发挥钢材和混凝土两种材料各自优点的合理组合，不但具有优异的静、动力工作性能，而且能大量节约钢材、降低工程造价和加快施工进度，对环境污染较少，符合我国建筑结构发展方向。在我国的发展十分迅速，已广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中，并以迅猛的势头进入了桥梁工程和高层与超高层建筑中。

在高层建筑方面，建成了全部采用组合结构的超高层建筑——深圳赛格广场大厦，高291.6m，属世界最高的钢-混凝土组合结构。全国已建成的采用组合结构的高层建筑超过40幢之多。组合结构拱桥已建成的也已超过300座。

4.1.6 桥梁钢结构

各大城市将桥梁等交通基础设施建设作为经济发展的重要基础。使用钢结构较多的有斜拉桥,主要在钢箱、缆索、桥塔等部位，600米以上的特大桥梁均为钢结构桥梁?“十一五”前三年平均新建桥梁3万座/年，年平均用钢量1300万吨。据统计，目前在建高速公路混凝土桥梁中可实施改用钢结构桥梁3480座，改用钢结构后可净增加钢材用量546万吨。截至2008年底，全国59万座桥梁中钢结构桥梁不足1%。与美国60万座桥梁中钢结构桥梁占33%、日本13万座桥梁钢结构桥梁占41%相比，差距较大。中国第一座全钢结构桥塔的桥是南京三桥,仅桥塔用钢量即达1.44万吨?香港昂船洲大桥（长1018米）和苏通长江大桥（长1088米）占据世界最大斜拉桥的前两名，到2015年,中国要建5座跨海峡大桥,总用钢量为625万吨。盈都钢构集团是主营桥梁钢构生产加工的公司，实力十分雄厚。

4.2 结构用钢现状

4.2.1 各地区钢结构产量

各地区钢结构产量由大到小的排序为：浙江、上海、安徽、山东、江苏、湖北、广东、四川、北京等地。上海、浙江均占总量的20%左右。

4.2.2 消耗钢材品种用量

2009年度钢板消耗占64%，其次是热轧型钢占15%，钢管10%，冷弯型钢及其他品种用量均在10%以下。

2009年消耗钢材（万吨）

Q345占总用钢量的53%，Q235占35%，Q390占7%，用量较少的是Q420、

据钢结构协会2009年对钢结构重点企业的调查统计：建筑钢结构（厂房、多高层、公共建筑）为581.5万吨，占应用比例的54%，说明房屋建筑为钢结构构件最主要应用领域。以下依次为非标钢结构246.8万吨，桥梁95.7万吨、其它80万吨，塔桅72.1万吨。其中，建筑钢结构中厂房应用量居首为290.2万吨，占49%，应用情况依次为公共建筑、高层钢结构、多层钢结构，占的比例分别是：21%、17%、13%。

4.2.5 主要加工制造企业

目前最大的装备制造企业上海振华重工（集团）股份有限公司，2009年产量达120万吨；最大的建筑钢结构制造企业安徽鸿路钢结构（集团）有限公司2009年产量达61.5万吨。具有最大综合制造能力的中冶科工集团有限公司（11家子公司）2009年由于钢铁建设项目减少，产量下降到114万吨（2007年产量达到164万吨）。5家上市的钢结构公司，即振华重工、精工钢构、东南网架、杭萧钢构、中船股份（原江南重工）2009年产量达到259万吨。

截至到2009年10月通过钢结构协会认证的钢结构制造企业四批共145家，其中特级企业44家、一级企业86家、二级企业15家。

目前从事钢结构制造加工企业全国约1万家左右,但有固定生产场所并具备一定规模的企业仅4000-5000家。

4.3 钢结构产业的差距及未来趋势

目前，我国钢结构业用钢仅占全国钢材总量的4%左右，与发达国家10%左右的比例存在较大差距。国产钢材基本可以满足钢结构加工需要，但在具体品种规格和性能方面与国外比还有差距，如高强度大规格超厚H型钢、高强度超厚板等。目前日本在建筑、桥梁推广采用强度Q690级钢，并已成熟采用Q960机械用钢。

钢结构发展不断推动着高性能钢材的发展，目前正在修订中的国家标准《钢结构钢结构设计规范》，拟将Q390、Q420、Q460纳入规范中，改变长期以Q235、Q345为主要结构钢的局面

2009年我国钢结构产量约为2300万吨，产值超过3000亿元，钢结构总量将保持每年9%-10%的速度增长，到2015年，实现翻一番，达到5000-6500万吨，占全国粗钢总产量的10%，钢结构房屋建筑占全国房屋建筑总量约15-20%左右。

今后一个时期，国内钢材品种、质量、规格不仅要满足国内外钢结构发展需要，有关领域的高性能钢材应用开发国际领先；钢结构的产品、配件及配套技术产品达到国际先进水平。重点突出量大面广，产值比重在行业中地位突出的钢结构住宅、钢结构桥梁及非标、成套装备制造（包括新能源风电、核电、智能电网、三合一、海洋工程钢结构网等）的潜在市场和自主创新技术发展，促进钢结构房屋建筑质量全面提高，提高建筑物使用期限和实际寿命更加先进，促进相关配套产品、部件的完善提高，逐步使钢结构产业成为我国的战略性新兴产业，初步具备钢铁、钢结构强国目标。

5 结语

土木工程材料往往标志一个时代的特点。土木工程材料的发展过程是随着社会生产力一起进行的，它和工程技术的进步有着不可分割的联系。社会不断进步，生活水平不断提高，人们对生活质量的方方面面要求也会越来越高，因此材料的发展并不会停滞，依旧还有很大的空间。我们应当对新材料的开发给予足够的重视，并充分利用新材料，选择对环境及后代无不良影响的材料作为土木工程的材料，这样才能更好地造福人类。

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