第02章土木工程材料

1、第二章第二章 土木工程材料土木工程材料2.1 2.1 概述概述 土木工程材料指土木工程中使用的各種材料及制品，它是一切土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于組分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造不同，土木工程材料品種門類繁多、性能各不相同、價(jià)格相差懸殊，同時(shí)在土木工程中用量巨大，因此，正確選擇和合理使用土木工程材料，對(duì)整個(gè)土木工程的安全、實(shí)用、美觀、耐久及造價(jià)等有著重大的意義。 一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)良的土木工程材料具有相應(yīng)的特征：（1）具備足夠的強(qiáng)度，能夠安全地承受設(shè)計(jì)荷載；（2）自身的重量以輕為宜，以減少下部結(jié)構(gòu)和地基的負(fù)荷；（3）具有與使用環(huán)境相適應(yīng)的耐久性，以便減少維修費(fèi)用；（4）用于裝飾的材料，應(yīng)能美化房屋并產(chǎn)生一定的藝術(shù)效果；

2、（5）用于特殊部位的材料，應(yīng)具有相應(yīng)的特殊功能，例如屋 面材料要能隔熱防水，樓板和內(nèi)墻材料要能隔聲等。（6）在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡可能保證低能耗、低物耗及環(huán)境良好。土木工程材料的種類非常多，可按不同原則分類：（1）材料來(lái)源：天然材料、人造材料；（2）材料功能：結(jié)構(gòu)材料、裝飾材料、防水材料、絕熱材料；（3）組成物質(zhì)的種類及化學(xué)成分：無(wú)機(jī)材料金屬材料非金屬材料黑色金屬有色金屬天然石材燒土制品膠凝材料混凝土及硅酸鹽制品鋼、鐵、不銹鋼等鋁、銅及其合金等砂、石及石材制品等瓦、磚、玻璃、陶瓷等石灰、石膏、水泥等混凝土、砂漿及硅酸鹽制品有機(jī)材料植物材料瀝青材料木材、竹材等石油瀝青、媒瀝青、瀝青制品等高分子材料塑料

3、、涂料、膠粘劑、合成橡膠等無(wú)機(jī)非金屬材料與有機(jī)材料復(fù)合金屬材料與無(wú)機(jī)非金屬材料復(fù)合金屬材料與有機(jī)材料復(fù)合玻璃纖維增強(qiáng)塑料、聚合物水泥混凝土、瀝青混合料等鋼纖維增強(qiáng)混凝土等輕質(zhì)金屬夾芯板等復(fù)合材料2.2 2.2 傳統(tǒng)土木工程材料傳統(tǒng)土木工程材料 磚、瓦、砂、石、灰這些材料是最基本的建筑材料，統(tǒng)稱為地方材料，由于其工程用量大，原料價(jià)格低，一般都在當(dāng)?shù)鼗蚋浇少?gòu)。 2.2.1 2.2.1 磚磚 磚是一種常用的砌筑材料，廣泛地用于墻體、基礎(chǔ)、柱等砌筑工程中。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：制作原料容易取得，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低、體積小便于組合，還有防火、隔熱、隔聲、吸潮等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：毀田取土量大，能耗高，磚自重大，

4、施工生產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度高、工效低。磚的分類：標(biāo)準(zhǔn)磚多孔磚砌塊2.2.2 2.2.2 瓦瓦 瓦一般以粘土（包括頁(yè)巖、煤矸石等粉料）為主要原料，經(jīng)泥料處理、成型、干燥和焙燒而制成。 粘土瓦只能應(yīng)用于較大坡度的屋面。由于材質(zhì)脆、自重大、片小，施工效率低，且需要大量木材等缺點(diǎn)，在現(xiàn)代建筑屋面材料中的比例已逐漸下降。 由于建筑工業(yè)的發(fā)展，對(duì)屋面材料也提出了新的發(fā)展要求。 目前，瓦的種類較多，按成分分類，有粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、鋼絲網(wǎng)水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃鋼瓦、瀝青瓦等。2.2.3 2.2.3 砂砂 砂是組成混凝土和砂漿的主要組成材料之一，是土木工程的大宗材料。一般分為天然砂和人工砂兩類。 天然砂天然

5、砂：由自然條件作用（主要是巖石風(fēng)化）而形成，粒徑在5 mm以下的巖石顆粒。 人工砂人工砂：是由巖石軋碎而成，由于成本高、片狀及粉狀物多，一般不用。 砂的粗細(xì)程度粗細(xì)程度是指不同粒徑的砂?；旌显谝黄鸬钠骄旨?xì)程度。如圖所示，如果是同樣粗細(xì)的砂，空隙最大（圖a），兩種粒徑的砂搭配起來(lái)，空隙有所減?。▓Db),三種粒徑的砂搭配，空隙更小(圖c）。 砂的顆粒級(jí)配是指砂子大小顆粒的搭配比例。級(jí)配好的砂子，不僅可以節(jié)省水泥，還提高了混凝土和砂漿的密實(shí)度及強(qiáng)度。 砂的粗細(xì)粗細(xì)用細(xì)度模數(shù)表示。細(xì)度模數(shù)越大，表示砂越粗。根據(jù)細(xì)度模數(shù)大小范圍，把砂劃分為粗砂、中砂、細(xì)砂、特細(xì)砂。2.2.4 2.2.4 石石 石材是

6、最古老的土木工程材料之一，藏量豐富、分布很廣，便于就地取材，生產(chǎn)成本低。 石材具有很高的抗壓強(qiáng)度，良好的耐磨性和耐久性，堅(jiān)固耐用，是古今土木工程中修建城垣、橋梁、房屋、道路及水利工程的主要材料。 毛石毛石，是采石場(chǎng)由爆破直接獲得的形狀不規(guī)劃的石塊。根據(jù)平整程度又將其分為亂毛石和平毛石兩類。 毛石可用于砌筑基礎(chǔ)、堤壩、擋土墻等，亂毛石也可用作毛石混凝土的骨料。 料石料石是由人工或機(jī)械開采出的較規(guī)則的六面體石塊，再略經(jīng)鑿琢而成。料石外形規(guī)則，截面的寬度、高度不小于200 mm，長(zhǎng)度不宜大于厚度的4倍。 料石根據(jù)加工程度分別用于建筑物的外部裝飾、勒腳、臺(tái)階、砌體、石拱等。 石子石子，在混凝土組成材料

7、中稱為粗骨料，此外在路橋工程、鐵道工程的路基道渣等也被常用。石子分碎石碎石和卵石卵石。 碎石碎石：由天然巖石或卵石經(jīng)破碎、篩分而得到的粒徑大于5mm的巖石顆粒，也稱為碎卵石。 卵石卵石：是巖石由于自然條件作用而形成的，粒徑大于5mm的巖石顆粒。 2.2.5 2.2.5 灰灰 凡能在物理、化學(xué)作用下，從漿體變成堅(jiān)固的石狀體，并能膠結(jié)其他物料而具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)，統(tǒng)稱為膠膠凝材料凝材料。 膠凝材料分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。石膏、石灰、水泥屬于無(wú)機(jī)膠凝材料，俗稱為“灰灰”。瀝青和各種樹脂屬于有機(jī)膠凝材料。 土木工程中使用最多的是建筑石膏建筑石膏，建筑石膏具有良好的可塑性、防火性能、隔熱性能和吸音性能

8、，而且具有良好的裝飾性和可加工性。 建筑石膏建筑石膏的應(yīng)用很廣，除用于室內(nèi)抹面、粉刷外，更主要的用途是制成各種石膏制品。 石灰石灰是在土木工程中使用較早的礦物膠凝材料之一，其原料石灰石分布很廣，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，因而應(yīng)用廣泛。 將熟化好的石灰膏加水?dāng)嚢柘♂專蔀槭胰?，是一種廉價(jià)易得的涂料。石灰砂漿是將石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途可分為砌筑砂漿和抹面砂漿。2.4 2.4 木材木材 木材是一種古老的工程材料，由于具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在出現(xiàn)眾多新型土木工程材料的今天，木材仍在工程中占有重要地位，特別在裝飾領(lǐng)域。 木材具有很多優(yōu)點(diǎn)，如輕質(zhì)高強(qiáng)；易于加工（如鋸、刨、鉆等）；有較高的彈性和韌性

9、；能承受沖擊和振動(dòng)作用；導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能低；木紋美麗；裝飾性好等。 木材也有缺點(diǎn)，如構(gòu)造不均勻，各向異性；易吸濕、吸水，因而產(chǎn)生較大的濕脹、干縮變形；易燃、易腐等。 木材的性質(zhì)木材的性質(zhì)包括物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)、如含水率；熱脹干縮；密度；強(qiáng)度（抗拉、抗壓、抗彎和抗剪等四種強(qiáng)度），其中抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度又有順紋和橫紋之分。順紋和橫紋強(qiáng)度有很大的差別。 影響木材強(qiáng)度的主要因素為含水率含水率（一般含水率高，強(qiáng)度降低），溫度溫度（溫度高，強(qiáng)度降低），荷載作用時(shí)間荷載作用時(shí)間（持續(xù)荷載時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度下降）及木材的缺陷木材的缺陷（木節(jié)、腐朽、裂紋、翹曲、病蟲害等）。2.3 2.3 鋼材鋼材 土木工程中應(yīng)用量最

10、大的金屬材料是鋼材，它廣泛應(yīng)用于鐵路、橋梁、建筑工程等各種結(jié)構(gòu)工程中，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。 鋼材是在嚴(yán)格的技術(shù)控制條件下生產(chǎn)的，品質(zhì)均勻致密，抗拉、抗壓、抗彎、抗剪切強(qiáng)度都很高。常溫下能承受較大的沖擊和振動(dòng)荷載，有一定的塑性和很好的韌性。 鋼材具有良好的加工性能，可以鑄造、鍛壓、焊接、鉚接和切割，便于裝配。還可以通過(guò)熱處理方法，在很大范圍內(nèi)改變或控制鋼材的性能。 建筑鋼材的產(chǎn)品種類一般分為型材、板材、管材和金屬制品四類。鋼結(jié)構(gòu)用鋼材鋼結(jié)構(gòu)用鋼材我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)用鋼材的鋼類主要有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。主要有Q235(A3鋼)、Q315(16Mn鋼)輕鋼廠房土木工程用鋼土木工程用鋼

11、土木工程鋼材可劃分為鋼結(jié)構(gòu)用材鋼結(jié)構(gòu)用材和鋼筋混凝土用材鋼筋混凝土用材兩大類“Q460”鋼材鋼材 是一種低合金高強(qiáng)度鋼，“Q”代表鋼材的強(qiáng)度，“460”代表460MPa?！癚460”就是鋼材受力強(qiáng)度達(dá)到460MPa時(shí)才會(huì)發(fā)生塑性變形， “鳥巢”使用的“Q460”厚達(dá)110毫米。 鳥巢用鋼量達(dá)8萬(wàn)噸，每平方米大約要用400到400多公斤的鋼材。奧運(yùn)奧運(yùn)“鳥巢鳥巢”用鋼簡(jiǎn)介用鋼簡(jiǎn)介奧運(yùn)鳥巢鋼筋混凝土用鋼材鋼筋混凝土用鋼材 主要指鋼筋。鋼筋。鋼筋與混凝土組成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，雖然自重大，但節(jié)省鋼材。由于混凝土的保護(hù)作用，克服了鋼材易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用高的缺點(diǎn)。鋼筋等級(jí)：一級(jí)鋼二級(jí)鋼三級(jí)鋼四級(jí)鋼二級(jí)鋼一級(jí)

12、鋼2.5 2.5 水泥水泥 水泥是粉狀的水硬性膠凝材料，即加水拌合成塑性漿體，能在空氣中和水中凝結(jié)硬化，可將其它材料膠結(jié)成整，并形成堅(jiān)硬石材的材料。 水泥不但大量應(yīng)用于土木工程，還廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防體建設(shè)等工程。硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB17592）規(guī)定，凡由硅酸鹽水泥熟料、05石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥（波特蘭水泥）。 硅酸鹽系水泥為干粉狀物，加適量的水并拌合后便形成可塑性的水泥漿體，水泥漿體在常溫下會(huì)逐漸變稠直到開始失去塑性，這一現(xiàn)象稱為水泥的初凝；隨著塑性的消失，水泥漿開始產(chǎn)生強(qiáng)度，此時(shí)稱為水泥的終凝；水泥漿由初凝到終凝的過(guò)

13、程稱為水泥的凝結(jié)。水泥漿終凝后，其強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增長(zhǎng)，并形成堅(jiān)硬的水泥石，這一過(guò)程稱為水泥的硬化。水泥的貯存、運(yùn)輸和保管水泥的貯存、運(yùn)輸和保管分類貯存：不同品種、不同標(biāo)號(hào)的水泥應(yīng)分別存放，不可混雜。防潮防水：水泥受潮后即產(chǎn)生水化作用，凝結(jié)成塊，影響水泥的正常使用。所以運(yùn)輸和貯存時(shí)應(yīng)保持干燥。對(duì)袋裝水泥，地面墊板要高出地面30cm，四周離墻30cm，堆放高度一般不超過(guò)10袋。存放散裝水泥時(shí)，地面要抹水泥砂漿。貯存期不宜過(guò)長(zhǎng)：貯存期過(guò)長(zhǎng)，由于空氣中的水汽、二氧化碳作用而降低水泥強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，貯存三個(gè)月后的強(qiáng)度約降低1020。所以，水泥存放期一般不應(yīng)超過(guò)三個(gè)月。2.6 2.6 混凝土混凝

14、土 混凝土也稱砼，是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一。它是由膠凝材料，骨料和水按一定比例配制，經(jīng)攪拌振搗成型，在一定條件下養(yǎng)護(hù)而成的人造石材。 混凝土原料豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，因而使用量越來(lái)越大；同時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度高抗壓強(qiáng)度高，耐久性好，強(qiáng)度等級(jí)范圍寬，不僅在各種土木工程中廣泛使用，就是造船業(yè)，機(jī)械工業(yè)，海洋的開發(fā)，地?zé)峁こ痰?，混凝土也是重要的材料?；炷恋姆N類混凝土的種類：按膠凝材料分類水泥混凝土 瀝青混凝土 石膏混凝土 聚合物混凝土 按使用功能分類結(jié)構(gòu)用混凝土 道路混凝土 水工混凝土 耐熱混凝土 耐酸混凝土 防輻射混凝土 按表觀密度按施工工藝重混凝土 普通混凝土 輕混凝土 噴射混凝土

15、泵送混凝土 振動(dòng)灌漿混凝土 為了克服混凝土抗拉強(qiáng)度低的缺陷，人們還將水泥混凝土與其他材料復(fù)合，出現(xiàn)了鋼筋混凝土，預(yù)應(yīng)力混凝土，各種纖維增強(qiáng)混凝土及聚合物浸漬混凝土等。 隨著混凝土的發(fā)展和工程的需要，還出現(xiàn)了膨脹混凝土，加氣混凝土，纖維混凝土等各種特殊功能的混凝土。泵送混凝土，商品混凝土以及新的施工工藝給混凝土施工帶來(lái)方便。 普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、細(xì)骨料（砂）和水拌合，經(jīng)硬化而成的一種人造石材。 砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收縮； 水泥和水形成水泥漿，包裹在粗細(xì)骨料表面并填充骨料間的空隙。水泥漿體在硬化前起潤(rùn)滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后將骨料膠結(jié)

16、在一起，形成堅(jiān)硬的整體。 混凝土的性質(zhì)性質(zhì)包括混凝土拌合物的和易性、混凝土強(qiáng)度、變形及耐久性等。和易性和易性又稱工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工條件下，便于各種施工工序的操作，以保證獲得均勻密實(shí)的混凝土的性能。和易性是一項(xiàng)綜合技術(shù)指標(biāo)，包括流動(dòng)性（稠度）、粘聚性和保水性三個(gè)主要方面。強(qiáng)度強(qiáng)度是混凝土硬化后的主要力學(xué)性能，反映混凝土抵抗荷載的量化能力。混凝土強(qiáng)度包括抗壓、抗拉、抗剪、抗彎、抗折及握裹強(qiáng)度。 混凝土的變形變形包括非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形。 混凝土耐久性耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力。 2.7 2.7 土木工程材料的未來(lái)土木工程材料的未來(lái) 未來(lái)的土木工程必將在各種苛刻的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)多功能化，甚至智能化，滿足安全、舒適、美觀、耐久的要求，土木工程材料將面臨可持續(xù)發(fā)展和人類文明進(jìn)步的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：（1）在原材料方面要最大限度的節(jié)約有限資源，充分利用再生資源及工農(nóng)業(yè)廢料；（2）在生產(chǎn)工藝方面要大力引進(jìn)現(xiàn)代技術(shù)，改造或淘汰