第02章 土木工程材料.

1、土木工程概論土木工程概論本 章 內(nèi) 容 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 膠凝材料膠凝材料 2.3 2.3 砂漿和混凝土砂漿和混凝土 2.4 2.4 鋼材鋼材 2.5 2.5 木材木材 2.6 2.6 墻體材料墻體材料 2.7 2.7 功能材料簡(jiǎn)介功能材料簡(jiǎn)介2.1 2.1 概述概述 概念：概念：土木工程材料（下文簡(jiǎn)稱“工程材料”）是修建道路、橋梁、房 屋、隧道、港口、市政工程等所用材料的統(tǒng)稱 分類：分類： 有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料和復(fù)合材料 無(wú)機(jī)材料包括金屬材料和非金屬材料兩大類。金屬材料分為有色金屬（如鋁、銅、合金等）和黑色金屬(如鋼、鐵)兩大類。 結(jié)構(gòu)材料、功能材料 新型工程材料特點(diǎn)：

2、新型工程材料特點(diǎn)： 復(fù)合 、多功能 、綠色 、節(jié)能 、輕質(zhì)高強(qiáng) 、工業(yè)化 2.2 2.2 膠凝材料膠凝材料概念：概念：凡是能夠在一系列物理、化學(xué)作用下，從漿狀體變成堅(jiān)固的石狀體，并能膠結(jié)其他工程材料而具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)，稱為膠凝材料。一、石灰一、石灰 石灰：石灰：主要成分為碳酸鈣的石灰石在適當(dāng)溫度下煅燒，所得以氧化鈣為主要成分的材料即石灰。 生石灰的“熟化”：土木工程中使用石灰時(shí)，通常將生石灰加水，使其消解成消石灰，這個(gè)過(guò)程稱為生石灰的“消化”（又稱“熟化”）。生石灰加水后生成消石灰細(xì)粒并放出大量熱量，且熟化后體積可增大12.5倍。 特點(diǎn)：可塑性較好； 硬化速度慢、強(qiáng)度低； 保水性好，耐水

3、性差； 硬化時(shí)體積收縮大。 用途：配制石灰砂漿或混合砂漿，作為砌筑材料。 二、石膏二、石膏概念：概念：石膏的主要成分是硫酸鈣。 特點(diǎn)特點(diǎn)：建筑石膏中含有許多自由水蒸發(fā)后留下的孔隙，故其表面密度小、絕熱性好、吸聲性強(qiáng)，但這也使其具有強(qiáng)度較低、吸水率較大、抗?jié)B性和抗凍性差等缺點(diǎn)。 用途用途：建筑石膏除可用作室內(nèi)抹灰、粉刷、水泥原料中的緩凝劑和激發(fā)劑外，更多則是用于制造各種石膏制品，如各類石膏板和石膏砌體等。 石膏板石膏板 石膏板是以建筑石膏為主要原料經(jīng)制漿、澆筑、凝固、烘干等工 序制成的一種輕質(zhì)板材。 紙面石膏板：紙面石膏板：紙面石膏板是在建筑石膏中摻入纖維材料和外加劑構(gòu) 成芯材，兩面用紙作護(hù)面而

4、成的一種輕質(zhì)板材。 空心石膏條板：空心石膏條板：以建筑石膏為主要原料加入適量纖維材料，經(jīng)拌和 成料漿、澆注成型、抽芯、干燥等工藝制成的輕質(zhì)板材。 裝飾石膏板：裝飾石膏板：在建筑石膏中摻入適量纖維增強(qiáng)材料等，與水?dāng)嚢璩?均勻的漿體，經(jīng)澆筑、干燥而成的裝飾板材。在澆筑時(shí)采用不同 的模具，可以獲得不同花紋圖案的正方形板材。 三、水泥三、水泥 硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥l(xiāng) 概念：概念：凡由硅酸鹽水泥熟料，05石灰石或?；郀t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。 l 初凝、終凝、凝結(jié)和硬化：初凝、終凝、凝結(jié)和硬化：水泥漿體在常溫下會(huì)逐漸變稠直到開始失去塑性，但尚不具有強(qiáng)度的現(xiàn)象稱為水泥的

5、初凝；隨著塑性的消失，水泥漿體開始產(chǎn)生強(qiáng)度，此時(shí)稱為水泥的終凝；水泥漿體由初凝到終凝的過(guò)程稱為水泥的凝結(jié)。水泥漿體終凝后，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。 普通硅酸鹽水泥：普通硅酸鹽水泥： 由硅酸鹽水泥熟料、6%20%混合材料、適量石膏磨細(xì)而制成的水硬性膠凝材料。其礦物組成成分和基本性能與硅酸鹽水泥接近，是土木工程中應(yīng)用最廣泛的水泥品種。 其它品種水泥：其它品種水泥： 有特殊需要的水泥，如道路硅酸鹽水泥、中低熱水泥、快硬硅酸鹽水泥、白色硅酸鹽水泥與彩色硅酸鹽水泥等。四、瀝青及其它膠凝材料四、瀝青及其它膠凝材料 瀝青：瀝青： 瀝青為憎水性材料，是由一些極

6、其復(fù)雜的高分子碳?xì)浠衔?及其非金屬衍生物所組成的暗褐色有機(jī)混合物。 l 分類：分類：天然瀝青、石油瀝青和焦油瀝青三大類 l 用途：用途：道路工程、防水、防腐 橡膠：橡膠： 橡膠是一種在室溫下具有較高彈性的高分子化合物。 l 特性：特性：優(yōu)異的彈性變形能力，良好的抗拉強(qiáng)度、耐疲勞強(qiáng)度 、不透水性、不透氣性、耐酸堿性和電絕緣性等。 l 用途：用途：防水材料、密封材料l 分類：分類：天然橡膠、合成橡膠和再生橡膠 合成樹脂：合成樹脂： 合成樹脂是由低分子原料單體（如乙烯、丙烯、氯乙烯等） 通過(guò)聚合反應(yīng)結(jié)合成大分子而生成的高分子材料，是組成塑 料、涂料和膠粘劑的主要材料。 2.3 2.3 砂漿和混凝土

7、砂漿和混凝土一、砂漿一、砂漿 概念：概念： 砂漿是由一定比例的膠凝材料、細(xì)骨料、摻合料和水拌合而 成的土木工程材料 。l 分類：分類：砂漿按照砂漿中膠凝材料的不同分為水泥砂漿、石灰 砂漿、瀝青砂漿、石膏砂漿和混合砂漿等。 砂漿按照用途則可分為砌筑砂漿、抹面砂漿、裝飾砂 漿和特種功能砂漿等 砌筑砂漿：砌筑砂漿：用于砌筑磚、石、砌體的砂漿，或拼接、安裝板 材成為墻體的砂漿，稱為砌筑砂漿。 l 作用：作用：砌筑砂漿起著粘結(jié)塊體材料、填充塊材間的縫隙和傳 遞荷載的作用。 l 砂漿的和易性：砂漿的和易性：包含流動(dòng)性和保水性兩方面含義。l 砂漿強(qiáng)度劃分：砂漿強(qiáng)度劃分：M20、M15、M10、M7.5、M5

8、、M2.5等六個(gè)等級(jí) 抹面砂漿：抹面砂漿：抹面砂漿是指涂抹在建筑物或土木工程基底材料 表面的砂漿，具有保護(hù)基層和美觀的作用。 l 一般抹面砂漿：一般抹面砂漿： 功能：抹平構(gòu)件表面，保護(hù)結(jié)構(gòu)主體免遭各種侵害，提高結(jié) 構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)使用壽命，改善結(jié)構(gòu)的外觀。 常用抹面砂漿：石灰砂漿、水泥砂漿、水泥混合砂漿、麻刀 石灰漿或紙筋石灰漿等。 l 裝飾砂漿：裝飾砂漿：涂抹在建筑物內(nèi)外墻表面，具有美觀裝飾效果的 抹面砂漿稱為裝飾砂漿。 裝飾砂漿所用水泥主要有：普通硅酸鹽水泥、白色水泥、彩 色水泥等。白色水泥可配制白色或彩色砂漿。 l 防水砂漿：防水砂漿：用于防水層的砂漿叫做防水砂漿。防水砂漿可以 用普通水

9、泥砂漿來(lái)制作，也可以在水泥砂漿中摻入防水劑以 提高砂漿的抗?jié)B能力。l 其它特種砂漿：其它特種砂漿：絕熱砂漿、吸聲砂漿、聚合物砂漿、耐酸砂 漿等二、混凝土二、混凝土 概念：概念： 混凝土是由膠凝材料、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。 l 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1) 可根據(jù)需要配制各種不同性質(zhì)的混凝土。 (2) 可用不同型式的模板澆筑成需要的形狀和尺寸。 (3) 和鋼筋具有良好的粘結(jié)力，可保證二者共同工作。 (4) 硬化后抗壓強(qiáng)度高、耐久性好。 (5) 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 l 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度低、自重大 l 分類：分類：按混凝土所用膠凝材料種類的不同分

10、為水泥混凝土 （又叫普通混凝土）、瀝青混凝土、石膏混凝土及聚合物混 凝土等。 l普通混凝土強(qiáng)度普通混凝土強(qiáng)度 ： C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50 、C55、C60、C65、C70、C75、C80共十四個(gè)等級(jí) 。l 混凝土外加劑混凝土外加劑包括：包括：改善混凝土流變性的外加劑 、調(diào)節(jié)混凝土 凝結(jié)時(shí)間、硬化性能的外加劑 、改善混凝土耐久性的外加 劑 、改善混凝土其它性能的外加劑 二、新型水泥基材料二、新型水泥基材料 高性能混凝土：高性能混凝土：通常認(rèn)為強(qiáng)度等級(jí)大于C50的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土。高強(qiáng)混凝土具有很高的抗壓強(qiáng)度，可以大幅度提高土木工程受壓構(gòu)件的承載能力，同

11、時(shí)減少用鋼量，其抗?jié)B性、抗凍性、耐腐蝕性等方面都優(yōu)于普通混凝土。輕質(zhì)混凝土：輕質(zhì)混凝土：表觀密度小于1950kg/m3的混凝土為輕質(zhì)混凝土，與普通混凝土相比，輕質(zhì)混凝土具有表觀密度小、保溫性好、抗震與抗裂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。輕質(zhì)混凝土變形較大、成本較高的缺點(diǎn)也很明顯。 纖維增強(qiáng)混凝土：纖維增強(qiáng)混凝土：以普通混凝土為基材，摻入各種有機(jī)、無(wú)機(jī)或金屬的短切纖維而制成的水泥基復(fù)合材料。纖維能有效阻止了普通混凝土在荷載作用下內(nèi)部的微小裂縫的發(fā)展，提高了混凝土的抗拉性能、韌性、抗裂性能以及抗疲勞性等諸多性能。 聚合物混凝土：聚合物混凝土：由有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)聚合物材料和集料結(jié)合而制成的一種新型混凝土，結(jié)合了有機(jī)聚

12、合物和無(wú)機(jī)聚合物的優(yōu)點(diǎn)，提高了混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和耐磨性等性能，但是由于其造價(jià)較高且工藝復(fù)雜，目前應(yīng)用并不廣泛 。 2.4 2.4 鋼材鋼材一、鋼材的分類一、鋼材的分類 鋼材中所用鋼材主要有低碳鋼和低合金剛。 包括型材和線材兩種外觀形式。二、鋼材的力學(xué)性能二、鋼材的力學(xué)性能 鋼材的力學(xué)性能主要包括抗拉性能、冷彎性能、沖擊韌性、 耐疲勞性、硬度等 。l 抗拉性能的主要技術(shù)指標(biāo)：抗拉性能的主要技術(shù)指標(biāo)： 伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度 l鋼材的冷彎性能：鋼材的冷彎性能：指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是鋼材 的工藝性能指標(biāo)。l沖擊韌性：沖擊韌性：反映了鋼材抵抗沖擊荷載的能力。 三、鋼材的加工三、

13、鋼材的加工l鋼材的冷加工：鋼材的冷加工：鋼材使用前，在常溫下進(jìn)行加工，其性能會(huì)發(fā)生 一些變化，這種加工過(guò)程稱為冷加工。 冷加工可以提高鋼材屈服強(qiáng)度，節(jié)約鋼材，但冷加工往往使 鋼材的塑性、韌性及彈性模量降低。 土木工程中常用冷加工形式有冷拉、冷拔和冷軋。 l鋼筋熱處理：鋼筋熱處理：按照一定方式對(duì)鋼材進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，從 而改變鋼的晶體組織、微觀結(jié)構(gòu)或消除由于冷加工在材料內(nèi) 部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，改變鋼材力學(xué)性能。 常用熱處理方式包括：淬火、回火、退火、正火等。 概念：概念： 木材具有輕質(zhì)高強(qiáng)、彈性和韌性好、耐沖擊、導(dǎo)熱性低、裝 飾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是土木工程的常用材料。 l 分類：分類：木材加工后的材種

14、可分為原木、原條、板方材、 木質(zhì)人造板材。l 用途：用途：在工程中常用作承重構(gòu)件，也可用于加工家具；制作 較小尺寸構(gòu)件和室內(nèi)裝飾。 2.5 2.5 木材木材2.6 2.6 墻體材料墻體材料一、磚一、磚 概念：概念： 磚是房屋建筑中的主要墻體材料，其外形多為長(zhǎng)方體，一般長(zhǎng)度不超過(guò)365mm，寬度不超過(guò)240mm，高度不超過(guò)115mm。 l 分類：分類：按照生產(chǎn)工藝不同可分為燒結(jié)磚和非燒結(jié)磚。 燒結(jié)磚是以粘土、頁(yè)巖、煤矸石、粉煤灰為主要原料，經(jīng)過(guò)焙燒而成的長(zhǎng)方體塊體。非燒結(jié)磚不需要焙燒，一般是以硅質(zhì)材料（如粉砂、粉煤灰）和鈣質(zhì)材料（如石灰、石膏）為主要原料，加入少量水泥或石灰作固結(jié)劑，再加入微量外

15、加劑和適量水混合攪拌壓制成型，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)或蒸養(yǎng)一定時(shí)間即成的塊體材料。 二、砌塊二、砌塊 概念：概念： 砌塊為采用各類混凝土、工業(yè)廢料和地方性材料加工而成尺 寸較大的塊狀制品。 l 特點(diǎn)：特點(diǎn)：砌塊制作工藝較為簡(jiǎn)單，塊體尺寸較大，施工方便，勞動(dòng)效率較高，可以充分利用地方資源和工業(yè)廢渣。l 分類：分類：按砌塊的制作材料分為混凝土小型砌塊、輕骨料混凝土砌塊、加氣混凝土砌塊、復(fù)合砌塊等。 普通混凝土小型空心砌塊：普通混凝土小型空心砌塊：由水泥、砂、最大粒徑10mm的石子或石屑配置而成的塑性混凝土，在金屬模內(nèi)振動(dòng)成型，脫模養(yǎng)護(hù)而成的墻用承重空心塊材。生產(chǎn)材料來(lái)源廣、工藝簡(jiǎn)單、效率高、無(wú)需焙燒或蒸壓養(yǎng)護(hù)

16、，在施工方面具有適應(yīng)性強(qiáng)、自重較輕、組合靈活、施工較粘土磚簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)。輕骨料混凝土小型空心砌塊：輕骨料混凝土小型空心砌塊：由輕骨料混凝土制作的小型空心塊材。常用的輕骨料材料有浮石、火山渣、煤矸石、煤渣、陶粒、膨脹珍珠巖等。 加氣混凝土砌塊加氣混凝土砌塊 ：以鈣質(zhì)材料（水泥或石灰）和硅質(zhì)材料（砂或粉煤灰等）為基本原料，以鋁粉為發(fā)氣劑，經(jīng)過(guò)蒸壓養(yǎng)護(hù)等工藝制成的一種多孔輕質(zhì)新型墻體材料。該材料具有輕質(zhì)、保溫、耐火、抗震、足夠的強(qiáng)度和良好的可加工性能等優(yōu)點(diǎn)。裝飾混凝土砌塊裝飾混凝土砌塊 ：是帶有裝飾面的混凝土砌塊。該砌塊適合砌筑清水墻，砌筑時(shí)省時(shí)、省工，并能產(chǎn)生新穎的裝飾效果。 三、輕質(zhì)墻板三、

17、輕質(zhì)墻板 概念：概念： 是工廠或施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的大板、條板或薄板，板高至少達(dá)到一個(gè)樓層，直接現(xiàn)裝或組裝，成為一面墻體的板式材料。l 特點(diǎn)：特點(diǎn)：采用墻板可改善墻體功能，減輕自重，減少工程現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，加快墻體施工速度。 l 分類：分類：按照墻板的形式可分為薄板、條板、輕型復(fù)合板等。每種墻板根據(jù)制作材料的不同又有不同分類，如：薄板有纖維水泥板、石膏板、水泥木屑板等。 一、防水材料一、防水材料 概念：概念：防水材料是保證土木工程防止雨水、地下水及其他水分滲透的重要功能材料。聚合物改性瀝青防水卷材聚合物改性瀝青防水卷材 ：以合成高分子聚合物改性瀝青為涂蓋層，纖維織物或纖維氈為胎體，粉狀、粒狀、片狀或薄膜

18、狀材料為覆蓋材料制成的可卷曲片狀防水材料。它克服了傳統(tǒng)瀝青防水卷材溫度穩(wěn)定性差、延伸率小的不足，具有高溫不流淌、低溫不脆裂、拉伸強(qiáng)度高、延伸率較大等優(yōu)點(diǎn)。 2.7 2.7 功能材料簡(jiǎn)介功能材料簡(jiǎn)介合成高分子防水卷材合成高分子防水卷材 ：防水材料是保證土木工程防止雨水、地下水及其他水分滲透的重要功能材料。聚合物改性瀝青防水卷材聚合物改性瀝青防水卷材 ：以合成橡膠、合成樹脂或它們兩者的共混體為基料，加入適量的化學(xué)助劑和填充料等，經(jīng)混煉、壓延或擠出等工序而制成的可卷曲的片狀防水材料。 防水涂料防水涂料：以高分子合成材料為主體，在常溫下為無(wú)定型液態(tài)狀，涂布后能夠在結(jié)構(gòu)物表面形成無(wú)接縫的完整防水膜的材料

19、。防水涂料適合于各種復(fù)雜、不規(guī)則部位的防水，可以采用冷施工，從而大大改善了勞動(dòng)條件，施工方便、快捷。 二、二、 保溫隔熱材料保溫隔熱材料 概念：概念：保溫隔熱材料也稱為絕熱材料，主要用于建筑工程的墻壁、屋面保溫、熱力管道保溫、制冷工程隔熱等。 建筑保溫隔熱材料按材質(zhì)可分為：建筑保溫隔熱材料按材質(zhì)可分為：無(wú)機(jī)保溫隔熱材料和有機(jī)保溫隔熱材料兩大類。 三、聲學(xué)材料三、聲學(xué)材料 概念：概念： 具有吸聲特性的材料和結(jié)構(gòu)稱為吸聲材料或結(jié)構(gòu)。 l吸聲系數(shù)是表征材料和結(jié)構(gòu)吸聲能力的主要指標(biāo)。吸聲系數(shù)是表征材料和結(jié)構(gòu)吸聲能力的主要指標(biāo)。主要吸聲材料的種類見表2.1。 l 分類：分類：吸聲材料按照吸聲機(jī)理分為多孔性吸聲材料、共振吸聲結(jié)構(gòu)以及空間吸聲體、簾幕吸聲體等。 四、裝飾材料四、裝飾材料 陶瓷：陶瓷：陶瓷是以粘土、長(zhǎng)石、石英為基本原料，經(jīng)配料、成型、干燥、燒結(jié)而成的較密實(shí)產(chǎn)品。 l 分類：分類：根據(jù)陶瓷材料的原料和燒結(jié)密實(shí)程度不同，可將陶瓷分為陶質(zhì)、炻質(zhì)和瓷質(zhì)三種性能不同的人造石材。 常用的建筑陶