土木工程概論 第9章 土木工程材料(2016)

1、土木工程材料土木工程材料第九章第九章 土木工程材料土木工程材料 主要內(nèi)容 1 概述 2 古代土木工程時(shí)期的原始材料 3 近代土木工程中的人造材料 4 現(xiàn)代土木工程中的高性能材料 5 未來土木工程中的新材料 概述概述概述概述 任何土木工程建（構(gòu)）筑物（包括道路、橋梁、港口、碼頭、礦井、隧道等）都是用材料按一定的要求打造成的，土木工程中所使用的各種土木工程中所使用的各種材料都統(tǒng)稱為土木工程材料。材料都統(tǒng)稱為土木工程材料。 長(zhǎng)期以來人類一直在從事著土木工程材料的各類研究工作，并不斷開發(fā)新的材料。幾乎世界上的各種材料都可用作土木工程材料。 磚、瓦和石灰磚、瓦和石灰的出現(xiàn)被認(rèn)為是建筑結(jié)構(gòu)的第一次飛躍；混

2、凝土混凝土的大量應(yīng)用是建筑結(jié)構(gòu)的第二次飛躍；鋼材鋼材的大規(guī)模應(yīng)用是建筑結(jié)構(gòu)的第三次飛躍。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料1 1、木材、木材品種：品種： 針葉樹材：杉木及各種松木、云杉和冷杉等，一般樹干高大，紋理通直，易加工，易干燥，開裂和變形較小，適于作結(jié)構(gòu)用材。 闊葉樹材：櫟木、水曲柳、香樟、檫木及各種樺木、楠木和楊木等，質(zhì)地堅(jiān)硬、紋理色澤美觀，適于作裝修用材。類型：類型：圓材、方材、條材、板材等。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料影響木材強(qiáng)度的主要因素：影響木材強(qiáng)度的主要因素：木材是有機(jī)各向異性材料，

3、木材的順紋抗拉和抗壓強(qiáng)度均較高，但橫紋抗拉和抗壓強(qiáng)度較低。一般含水率高，強(qiáng)度降低。溫度高，強(qiáng)度降低。持續(xù)荷載時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度下降。木材的缺陷，如木節(jié)、腐朽、裂紋、翹曲、病蟲害等。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料 應(yīng)用特點(diǎn)：應(yīng)用特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)自重小、制作容易，架設(shè)簡(jiǎn)便，工期快，造價(jià)便宜；但易燃、易腐朽，結(jié)構(gòu)變形較大等。 木材在結(jié)構(gòu)工程主要用于構(gòu)架和屋頂，如梁、柱、板、斗拱等；在建筑工程中還常用作混凝土模板及木樁等，在裝飾工程中用作木地板、護(hù)壁板和加工成型材等。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料2 2、石材、石材 類

4、型：類型：毛石、料石、飾面石材、色石渣 。 毛石：形狀不規(guī)劃的石塊，可用于砌筑基礎(chǔ)、堤壩、擋土墻等，或毛石混凝土的骨料。 料石：一般由致密均勻的砂巖、花崗巖等加工的較規(guī)則的六面體石塊，主要應(yīng)用于建筑物的基礎(chǔ)、勒腳、墻體部位及用作鑲面材料。 飾面石材：用于建筑物內(nèi)外墻面、柱面、地面、欄桿、臺(tái)階等處裝修用的石材稱為飾面石材。 色石渣：作為骨料主要用于人造大理石、水磨石、水刷石、干粘石、斬假石等建筑物面層的裝飾工程。 古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料石材的力學(xué)性能石材的力學(xué)性能： 優(yōu)點(diǎn)：密度大、堅(jiān)硬、抗壓性較好的特點(diǎn)，一般能夠承受諸多外力的破壞，如重力、震動(dòng)、風(fēng)力、溫度變化、磨損

5、、荷重等，所以大量地應(yīng)用于建筑的基礎(chǔ)和柱子等受力構(gòu)件和部位。 缺點(diǎn)：由于石材是脆性材料，不具備作為梁結(jié)構(gòu)所需的抗彎性能，因而在解決空間跨度方面的能力較為有限，石材僅可做跨度不大的梁。石材的應(yīng)用特點(diǎn)：石材的應(yīng)用特點(diǎn)： 具有良好的裝飾性能，可適用公共場(chǎng)所及室外的裝飾。 具有優(yōu)良的加工性能：鋸、切、磨光、鉆孔、雕刻等。 耐磨性能好，熱膨脹系數(shù)小，不易變形，受溫度影響極微。 彈性模量大，剛性好，內(nèi)阻尼系數(shù)大，能防震，減震等等，諸多的優(yōu)良性能。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料3 3、石灰和石膏、石灰和石膏 土木工程中用膠凝材料將散粒材料或塊狀材料粘結(jié)為一個(gè)整體。石灰和石膏是一種石灰和

6、石膏是一種無機(jī)膠凝無機(jī)膠凝材料。材料。 石灰是在土木工程中使用較早的礦物膠凝材料之一。石灰石的主要成分是碳酸鈣，將石灰石煅燒，碳酸鈣將分解成為生石灰（氧化鈣），加水后形成熟石灰（氫氧化鈣）。 石灰應(yīng)用范圍很廣，由于其原料分布廣，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，在土木工程中應(yīng)用廣泛，可制石灰乳和砂漿；石灰穩(wěn)定土；硅酸鹽制品。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料 建筑石膏，型半水石膏又稱熟石膏。 在建筑石膏制品內(nèi)部有大量的毛細(xì)孔隙，導(dǎo)熱系數(shù)小，吸聲性較好，防火性好，屬于輕質(zhì)保溫材料；具有較強(qiáng)的吸濕性能，所以對(duì)室內(nèi)的空氣濕度有一定的調(diào)節(jié)作用。 建筑石膏是土木工程中使用最多的石膏品種，應(yīng)用很廣

7、，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，其表面光滑、細(xì)膩、尺寸精確、形體飽滿、裝飾性好。 古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料4 4、瓦（屋面材料）、瓦（屋面材料） 瓦：一般指粘土瓦，以粘土（包括頁巖、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。 粘土瓦的生產(chǎn)工藝與粘土磚相似，但對(duì)粘土的質(zhì)量要求較高，如含雜質(zhì)少，塑性高，泥料均化程度高等。中國(guó)目前生產(chǎn)的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料5 5、磚（砌筑材料）、磚（砌筑材料） 磚是一種常用的砌筑材料。制磚的原料容易取得，生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低、體積

8、小便于組合，粘土磚還有防火、隔熱、隔聲、吸潮等優(yōu)點(diǎn)。所以至今仍然廣泛地用于墻體、基礎(chǔ)、柱等砌筑工程中。 但是由于生產(chǎn)傳統(tǒng)粘土磚毀田取土量大、能耗高、磚自重大，施工生產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度高、工效低，因此有逐步改革并用新型材料取代的必要。有的城市已禁止在建筑物中使用粘土磚。國(guó)內(nèi)外都在研制非燒結(jié)磚。加入少量水泥或石灰作固結(jié)劑及微量外加劑和適量水混合攪拌壓制成型，自然養(yǎng)護(hù)或蒸養(yǎng)一定時(shí)間即成。古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料分類：分類： 按生產(chǎn)工藝：按生產(chǎn)工藝：燒結(jié)磚和非燒結(jié)磚。 按所用原材料：按所用原材料：粘土磚、頁巖磚、煤矸石磚、粉煤灰磚、爐渣磚和灰砂磚等。 按有無孔洞：按有無孔洞：空心

9、磚、多孔磚和實(shí)心磚。 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心磚標(biāo)準(zhǔn)實(shí)心磚古代土木工程時(shí)期的原始材料古代土木工程時(shí)期的原始材料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。根據(jù)粗細(xì)程度不同又粗細(xì)程度不同又有粗砂、中砂、細(xì)砂之分。有粗砂、中砂、細(xì)砂之分。 6、砂砂由自然條件作用（主要是巖石風(fēng)化）而形成，粒徑在5mm以下的巖石顆粒。由巖石軋碎而成，由于成本高、片狀及粉狀物多，一般不用。人工砂：人工砂：天然砂天然砂：近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料水泥水泥 分類：分類：水泥按其用途及性能按其用途及性能分為三類：通用水泥, 專用水泥, 特性水泥。 水泥按

10、其主要水硬性物質(zhì)名稱按其主要水硬性物質(zhì)名稱分為：硅酸鹽水泥，鋁酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥，氟鋁酸鹽水泥，磷酸鹽水泥，以火山灰或水硬性材料以及其他活性材料為主要組分的水泥。 特性：特性：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)成整體，并形成堅(jiān)硬石材的材料 。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料不同水泥的性能和應(yīng)用不同水泥的性能和應(yīng)用硅酸鹽系水泥的性能比較表近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料硅酸鹽系水泥的選用硅酸鹽系水泥的選用近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料 瀝青、瀝青制品與其他防水材料瀝青、瀝青制品與其他防

11、水材料 瀝青、瀝青制品：瀝青、瀝青制品：應(yīng)用于道路工程、防水材料（房屋建筑）、防腐材料。 防水材料：防水材料：瀝青類、高聚合物改性瀝青、橡膠、合成高分子。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料 玻璃、陶瓷制品玻璃、陶瓷制品 玻璃：玻璃：具有采光和防護(hù)功能，是良好的吸聲、隔熱及裝飾材料。又分為平板玻璃、裝飾玻璃、安全玻璃、玻璃磚、玻璃纖維。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料 陶瓷：陶瓷：由適當(dāng)成分的粘土經(jīng)成型及燒結(jié)而成的較密實(shí)材料，主要品種有：陶瓷錦磚（馬賽克）、陶瓷墻地磚、陶瓷釉面磚、衛(wèi)生陶瓷。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料混凝土混凝土 簡(jiǎn)寫砼，是當(dāng)代

12、最主要的土木工程材料之一。混凝土是由膠結(jié)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。 發(fā)展歷史發(fā)展歷史 1824年Aspdin發(fā)明了波特蘭水泥（硅酸鹽水泥），以水泥作為膠凝材料的混凝土開始問世。 1850年鋼筋混凝土問世。 1928年預(yù)應(yīng)力混凝土問世。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料類型：類型：水泥混凝土、輕混凝土、瀝青混凝土等。強(qiáng)度：強(qiáng)度：混凝土的強(qiáng)度等級(jí)一般為：C20C40應(yīng)用：應(yīng)用：混凝土具有原料豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因而使其用量越來越大。同時(shí)混凝土還具有抗壓強(qiáng)度高，耐久性好，強(qiáng)度等級(jí)范圍寬等特點(diǎn)。近代土木工程中的人造材料近

13、代土木工程中的人造材料土木工程用鋼材土木工程用鋼材 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。評(píng)價(jià)：評(píng)價(jià)： 材質(zhì)均勻、強(qiáng)度高、塑性好、便于加工安裝；缺點(diǎn)是耐火性差，易于銹蝕，維護(hù)費(fèi)用較高。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料鋼結(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)。 碳素結(jié)構(gòu)鋼：一般結(jié)構(gòu)鋼及工程用熱軋板、管、帶、型、棒材。 低合金結(jié)構(gòu)鋼：普通低合金結(jié)構(gòu)鋼一般是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，少量添加若干合金元素而成，在諸如大跨度橋梁、大型柱網(wǎng)構(gòu)架、電視塔、大型廳館中成

14、為主體結(jié)構(gòu)材料。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料槽鋼槽鋼鋼管鋼管鋼管鋼管工字鋼工字鋼近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料鋼筋混凝土用鋼材鋼筋混凝土用鋼材 鋼筋混凝土用的鋼材主要指鋼筋，鋼筋是土木工程中使用最多的鋼材品種之一。 鋼筋混凝土是指配置鋼筋的混凝土。 預(yù)應(yīng)力混凝土一般指預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。 近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料線材（鋼筋、鋼絲等）在工程中的應(yīng)用現(xiàn)代土木工程中的高性能材料現(xiàn)代土木工程中的高性能材料現(xiàn)代土木工程中的高性能材料現(xiàn)代土木工程中的高性能材料高性能結(jié)構(gòu)鋼高性能結(jié)構(gòu)鋼 高性能結(jié)構(gòu)鋼主要是通過調(diào)整和控制鋼冶煉過程中的化學(xué)組分和通過對(duì)鋼材進(jìn)行控溫控軋技術(shù)來生產(chǎn)的。 高性能結(jié)構(gòu)鋼在強(qiáng)度、低溫耐沖擊性、耐疲勞性、斷裂韌性、可焊性以及耐腐蝕性等方面，都比普通結(jié)構(gòu)鋼有不同程度的改善。高性能復(fù)合材料高性能復(fù)合材料 高性能復(fù)合材料通常所指玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱“玻璃鋼”）。高強(qiáng)高性能混凝土高強(qiáng)高性能混凝土 高強(qiáng)高性能混凝土有：高強(qiáng)混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土（防開裂）、聚合物混凝土