专业介绍与科普12 | 海洋土木工程材料

       近年来，随着我国海洋强国战略、一带一路倡议、新型城镇化与粤港澳大湾区建设的稳步开展，海洋基础设施的建设需求日益增多（图1）。海洋土木工程领域的发展往往是诸多学科发展的集成，由于海洋服役环境复杂，开发轻质、高强、耐久、可持续的海洋土木工程材料显得尤为重要。

       海洋服役环境腐蚀因素多样、作用对象广泛、作用效应显著。海水中的侵蚀性离子、海洋生物腐蚀、海洋潮汐运动、盐雾及日照在风浪流的共同作用下对海洋工程结构产生多重侵害，严重威胁海洋基础设施的安全。

       从腐蚀环境角度划分，海洋服役环境可分5个腐蚀区带：大气区、飞溅区、潮差区、浸没区和海泥区（图2）。其中，飞溅区和潮差区的工程结构通常处于频繁干湿交替的状态，并且受海浪侵蚀和强紫外线辐射的耦合作用，使得该区域腐蚀程度最为严重。钢材在近海环境的锈蚀比沙漠中快400倍以上，导致材料力学性能迅速降低；同时，海水中侵蚀性离子（如硫酸盐、镁盐）在混凝土中的渗透与传输会导致混凝土离子溶出、表面开裂等破坏（表1）。

2.1海工用钢

       海洋土木工程用钢主要是针对海洋工程装备所需的钢材品种。随着我国海洋开发的不断发展，对海洋平台用钢的需求量不断扩大，年用钢需求量在300万吨以上。由于海洋平台服役期较长（通常超过30年），所以其采用的钢材必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂和良好的焊接性及耐蚀性。通过表面处理技术、阴极保护等方法可以一定程度上延缓钢材的劣化。未来发展趋势主要包括开发耐腐蚀、耐候钢材，研发高性能、长寿命、绿色环保的防腐涂装技术等。

2.2海工混凝土

       普通混凝土脆性大、易开裂且不控裂，裂缝形成后，海水的进入会加速筋材的锈蚀或劣化。在风浪流、极端荷载、交通荷载与严酷环境的耦合作用下，海洋土木工程结构性能退化严重，服役寿命远低于预期，根本原因之一是普通混凝土脆性大、抗渗性不足、耐海蚀性差。通过表面防护技术、提高混凝土密实性、提高混凝土抗裂性、抑制混凝土收缩等方法可以一定程度上延缓混凝土的劣化。未来发展趋势主要包括优化混凝土微结构，开发基于高耐候、低介质渗透与长寿命化的外防护技术、有机阻锈技术，开发适用于海洋工程的超高性能混凝土等。

2.3纤维增强复合材料

       纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称复材或FRP）是由纤维和树脂基体通过一定工艺固化后形成的具有特定形状的结构材料，其中纤维一般包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等。FRP 普遍具有轻质高强和耐腐蚀性能，不同的 FRP 具有不同的力学、物理和化学性能，如碳纤维复材（CFRP）具有高强度、高弹性模量特征（图3）。FRP按制品形式包括片材、筋材、索材、型材、网格材等。未来发展趋势主要包括开发高耐腐蚀低成本 FRP，研发具有二次加工性的 FRP 制品等。

       为响应国家战略部署，助力粤港澳大湾区经济社会高质量发展，参与学校“大海洋”学科群建设，3499cc拉斯维加斯以“水土交融”为特色，以工程实践需求为导向，整合土木工程、船舶与海洋工程以及港口航道与海岸工程学科相关内容，发展“海洋土木工程”学科方向，开设《土木工程材料》《海洋工程环境》《海洋工程材料》《海洋工程结构》《海洋资源与能源》《海洋岩土工程》等课程，培养具有全球视野和国际影响力的海洋土木工程拔尖人才。