第六章土木工程材料

第六章土木工程材料土木工程材料的一般性質(zhì)

（1)物理性質(zhì)表示材料物理狀態(tài)特征及與各種物理過程有關(guān)的性質(zhì)。如與質(zhì)量有關(guān)的基本物理參數(shù)：如密度、表現(xiàn)密度、孔隙率、空隙率等；與水有關(guān)的若干性質(zhì)：親水性、憎水性、吸水性、吸濕性、抗?jié)B性、抗凍性；與熱有關(guān)的性質(zhì)：熱導(dǎo)率、熱容、熱阻等。（2)力學性質(zhì)指材料在應(yīng)力作用下，有關(guān)抵抗破壞和變形的能力的性質(zhì)。包括強度、比強度、彈性、塑性、韌性及脆性。（3)化學性質(zhì)指材料發(fā)生化學變化的能力及抵抗化學腐蝕的穩(wěn)定性。（4)耐久性指材料在使用過程中能長久保持其原有性質(zhì)的能力。（1)物理性質(zhì)表示材料物理狀態(tài)特征及與各種物理過程有關(guān)的性質(zhì)。如與質(zhì)量有關(guān)的基本物理參數(shù)：如密度、表現(xiàn)密度、孔隙率、空隙率等；與水有關(guān)的若干性質(zhì)：親水性、憎水性、吸水性、吸濕性、抗?jié)B性、抗凍性；與熱有關(guān)的性質(zhì)：熱導(dǎo)率、熱容、熱阻等。第一節(jié)土木工程材料的一般性質(zhì)（2)力學性質(zhì)指材料在應(yīng)力作用下，有關(guān)抵抗破壞和變形的能力的性質(zhì)。包括強度、比強度、彈性、塑性、韌性及脆性。（3)化學性質(zhì)指材料發(fā)生化學變化的能力及抵抗化學腐蝕的穩(wěn)定性。（4)耐久性指材料在使用過程中能長久保持其原有性質(zhì)的能力。一、材料的物理性質(zhì)（一）與質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)1.密度密度是指材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。重金屬材料的密度為7.50～9.00g/cm3，硅鋁酸鹽的密度多在1.80～3.30g/cm3之間，有機高分子材料的密度往往小于2.50g/cm3。

土木工程材料中除少數(shù)材料（鋼材、玻璃等）接近絕對密實外，絕大多數(shù)材料內(nèi)部都包含有一些孔隙。在自然狀態(tài)下含孔塊體材料的體積V0是由固體物質(zhì)的體積（即絕對密度狀態(tài)下材料的體積）V和孔隙體積Vk兩部分組成的（如圖5-1所示）。圖5-1材料組成示意圖1-孔隙；2-固體物質(zhì)2.表觀密度表觀密度指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。表觀密度的大小除取決于密度外，還與材料孔隙率及孔隙的含水程度有關(guān)。材料孔隙越多，表觀密度越小；當孔隙中含有水分時，其質(zhì)量和體積均有所變化。因此在測定表觀密度時，須注明含水情況，沒有特別標明時常指氣干狀態(tài)下的表觀密度，在進行材料對比試驗時，則以絕對干燥狀態(tài)下測得的表觀密度值（干表觀密度）為準。工程上可以利用表觀密度推算材料用量，計算構(gòu)件自重，確定材料的堆放空間。3.堆積密度堆積密度是指散粒狀或粉狀材料，在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。材料的堆積密度取決于材料的表觀密度以及測定時材料裝填方式和疏密程度。工程中通常采用松散堆積密度，確定顆粒狀材料的堆放空間。

4.孔隙率孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙體積占材料總體積的百分率。材料的許多工程性質(zhì)如強度、吸水性、抗?jié)B性、抗凍性、導(dǎo)熱性、吸聲性等都與材料的孔隙有關(guān)。這些性質(zhì)不僅取決于孔隙率的大小，還與孔隙的大小、形狀、分布、連通與否等構(gòu)造特征密切相關(guān)。5.密實度密實度是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)所充實的程度，也就是固體物質(zhì)的體積占總體積的比例。密實度、孔隙率是從不同角度反映材料的致密程度，一般工程上常用孔隙率反映材料的致密程度。6.空隙率空隙率是指散粒或粉狀材料顆粒之間的空隙體積占其自然堆積體積的百分率?？障堵实拇笮?，反映了散?；蚍蹱畈牧系念w粒之間相互填充的緊密程度?？障堵试谂渲苹炷習r可作為控制混凝土粗、細骨料配料以及計算混凝土含砂率的依據(jù)。（二）與水有關(guān)的性質(zhì)材料能夠被水潤濕的性質(zhì)，稱為材料的親水性。材料不能夠被水潤濕的性質(zhì)，稱為材料的憎水性。所謂潤濕就是水被材料表面吸附的過程，它和材料本身的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)材料被水潤濕的程度，可將材料分為親水性材料與憎水性材料兩大類。材料的親水性與憎水性可用潤濕角來說明，如圖5-2所示。a)b)a)材料的親水；b)材料的憎水性2.吸水性材料在浸水狀態(tài)下吸收水分的能力稱為吸水性。水分的吸入給材料帶來一系列不良的影響，往往使材料的許多性質(zhì)發(fā)生改變：體積膨脹，保溫性能下降，強度降低，抗凍性變差等。3.吸濕性材料在潮濕的空氣中吸收水分的性質(zhì)，稱為吸濕性。吸濕性的大小與自身的特性（親水性、孔隙率和孔隙特征）和周圍環(huán)境條件有關(guān)，氣溫越低，相對濕度越大，材料的吸濕性就越大。4.耐水性材料長期在飽和水作用下而不破壞，強度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。材料的耐水性用軟化系數(shù)表示。軟化系數(shù)一般在0～1間波動，其值越小，說明材料吸水飽和強度降低越多，材料耐水性越差。軟化系數(shù)大于0.80的材料，通?？梢哉J為是耐水材料。5.抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性（不透水性）。材料的抗?jié)B性好壞有以下兩種不同表示方法。

6.抗凍性材料在吸水飽和狀態(tài)下經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用（凍融循環(huán)）而不破壞，同時也不顯著降低強度的性質(zhì)，稱為抗凍性?？箖鲂缘拇笮∮每箖龅燃壉硎?。材料的抗凍等級越高，其抗凍性越好，材料可以經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)越多。（三）與熱有關(guān)的性質(zhì)1.導(dǎo)熱性材料傳導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性的大小用熱導(dǎo)率表示。熱導(dǎo)率在數(shù)值上等于厚度為lm的材料，當其相對兩側(cè)表面溫度差為1K時，經(jīng)單位面積（1m2）單位時間所通過的熱量。材料熱導(dǎo)率越小，材料的隔熱性能越好。

2.熱容量材料加熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質(zhì)稱為熱容量。熱容量的大小用比熱容來表示。比熱容在數(shù)值上等于1g材料，溫度升高或降低1K時所吸收或放出的能量。材料的熱導(dǎo)率和比熱容是設(shè)計建筑物圍護結(jié)構(gòu)、進行熱工計算時的重要參數(shù)，選用熱導(dǎo)率小、比熱容大的材料可以節(jié)約能耗并長時間地保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。二、材料的力學性質(zhì)（一）強度材料抵抗因應(yīng)力作用而引起破壞的能力稱為強度。應(yīng)力是由于外力或其他因素（如限制收縮、不均勻受熱等）作用而產(chǎn)生的。材料的強度通常以材料在應(yīng)力作用下失去承載能力時的極限應(yīng)力來表示，數(shù)值上等于材料受力破壞時單位受力面積上所承受的力。

針對不同種類的材料具有抵抗不同形式的力的作用特點，將材料按其相應(yīng)極限強度的大小，劃分為若干不同的強度等級。對于水泥、石材、磚、混凝土、砂漿等在建筑物中主要用于承壓部位的材料以其抗壓強度來劃分強度等級。而建筑鋼材在建筑物中主要用于承受拉力載荷，所以以其屈服強度作為劃分強度等級的依據(jù)。（二）彈性與塑性材料在極限應(yīng)力作用下會被破壞而失去使用功能，在非極限應(yīng)力作用下則會發(fā)生某種變形。彈性與塑性反映了材料在非極限應(yīng)力作用下兩種不同特征的變形。

彈性是指材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。這種當外力取消后瞬間即可完全消失的變形，為彈性變形。明顯具有彈性變形特征的材料稱為彈性材料。塑性是指材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，當外力取消后，仍保持變形后的形狀尺寸，且不產(chǎn)生裂紋的性質(zhì)。這種不隨外力撤消而消失的變形，為塑性變形，或永久變形，明顯具有塑性變形特征的材料稱為塑性材料。（三）脆性和韌性脆性是指材料在外力作用下直到破壞前無明顯塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質(zhì)。具有這種破壞特征的材料稱為脆性材料。脆性材料的特點是抗壓強度遠大于其抗拉強度，受力作用時塑性變形小，而且破壞時無任何征兆，有突發(fā)性，主要適合于承受壓力靜載荷。土木工程材料中大部分無機非金屬材料均為脆性材料，如天然巖石、陶瓷、玻璃、磚、生鐵、普通混凝土等。

韌性是指材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大能量，產(chǎn)生一定的變形，而不致破壞的性能，又叫沖擊韌度。具有這種性質(zhì)的材料稱為韌性材料。韌性材料的特點是塑性變形大，受力時產(chǎn)生的抗拉強度接近或高于抗壓強度，破壞前有明顯征兆，主要適合于承受拉力或動載荷。木材、建筑鋼材、瀝青混凝土等屬于韌性材料。用做路面、橋梁、吊車梁等需要承受沖擊荷載和有抗震要求的結(jié)構(gòu)用材料均應(yīng)具有較高的韌性。三、材料的耐久性耐久性是指材料在使用過程中抵抗各種自然因素及其他有害物質(zhì)長期作用，能長久保持其原有性質(zhì)的能力。在設(shè)計建筑物選用材料時，必須考慮材料的耐久性問題，因為只有采用了耐久性良好的材料，才能保證建筑物的耐久性。提高材料的耐久性，對節(jié)約材料、保證建筑物長期正常使用、減少維修費用、延長建筑物使用壽命等，均具有十分重要的意義。第二節(jié)常用工程材料一、膠凝材料1.石膏石膏是以硫酸鈣CaSO4為主要成分的氣硬性膠凝材料，以天然的二水石膏礦石或含有二水石膏的化學副產(chǎn)品和廢渣為原料。主要品種有：建筑石膏、高強石膏、粉刷石膏、高溫煅燒石膏等。

2.石灰石灰是將石灰石（主要成分為碳酸鈣CaC03）在900～1100℃溫度下鍛燒，生成氧化鈣（Ca0)為主要成分的氣硬性膠凝材料，又稱生石灰。石灰硬化后強度不高，耐水性差，所以石灰不宜在潮濕環(huán)境中使用，也不宜單獨使用。3.水泥水泥是一種粉末狀材料，加適當水調(diào)制后，經(jīng)一系列物理、化學作用，由最初的可塑性漿體變成堅硬的石狀體。具有較高的強度，并且能將散狀、塊狀材料粘結(jié)成整體。水泥漿體不僅能在空氣中凝結(jié)硬化，而且能更好地在水中凝結(jié)硬化，并保持發(fā)展其強度，因而水泥是典型的水硬性膠凝材料。（1)水泥的分類水泥的品種繁多，按其礦物組成，水泥可分為硅酸鹽系列、鋁酸鹽系列、硫鋁酸鹽系列、鐵鋁酸鹽系列、氟鋁酸鹽系列等。按其用途和特性又可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥。通用水泥是指目前建筑工程中常用的七大水泥即硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥和石灰石硅酸鹽水泥；專用水泥是指有專門用途的水泥，如砌筑水泥、道路水泥等；而特性水泥是指有比較特殊性能的水泥，如硅酸鹽膨脹水泥、快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸硅酸鹽水泥等。（2)通用水泥1)硅酸鹽水泥2)普通硅酸鹽水泥3)礦渣硅酸鹽水泥4)火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥5)粉煤灰硅酸鹽水泥6)復(fù)合硅酸鹽水泥7)石灰石硅酸鹽水泥（3)其他水泥1)快硬硅酸鹽水泥2)快凝快硬硅酸鹽水泥3)白色硅酸鹽水泥4)高鋁水泥5)膨脹水泥二、混凝土1.普通混凝土

(1)組成材料1)水泥2)細骨料（砂）3)粗骨料4)水5)外加劑（2)主要技術(shù)性質(zhì)1)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的混凝土性能。和易性是一項綜合技術(shù)指標，包括流動性、粘聚性和保水性三個主要方面。2)混凝土強度混凝土強度是混凝土硬化后的主要力學性能，反映混凝土抵抗荷載的量化能力?；炷翉姸劝箟骸⒖估?、抗剪、抗彎、抗折及握裹強度。其中以抗壓強度最大，抗拉強度最小。3）混凝土的變形包括非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形。非荷載作用下的變形有化學收縮、干濕變形及溫度變形等。水泥用量過多，在混凝土的內(nèi)部易產(chǎn)生化學收縮而引起微細裂縫。4)混凝土耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。具體而言，混凝土的耐久性包括混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗蝕性及抗碳化能力等。

2.其他混凝土（1)纖維增強混凝土（簡稱FRC)（2)聚合物混凝土（3)碾壓混凝土（4)防火混凝土（5)防輻射混凝土三、建筑砂漿

建筑砂漿是由膠凝材料、細骨料和水，有時也加入適量摻合料和外加劑，混合而成的土木工程材料，又稱為無骨料的混凝土。在建筑施工過程中，主要用作砌筑、抹灰、灌縫和粘貼飾面的材料。建筑砂漿按用途分為砌筑砂漿、普通抹面砂漿、裝飾砂漿、防水砂漿以及防輻射砂漿、絕熱砂漿、吸聲砂漿等。按所用膠凝材料可分為水泥砂漿、石灰砂漿、混合砂漿、聚合物砂漿等。四、墻體材料

1.砌墻磚（1)燒結(jié)磚（2)非燒結(jié)磚2.砌塊（1)蒸壓加氣混凝土砌塊（2)普通混凝土小型空心砌塊（3)石膏砌塊3.墻用板材（1)石膏板材（2)水泥類墻用板材

1)GRC輕質(zhì)多孔墻板

2)纖維增強水泥平板五、建筑鋼材1.混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材（1)熱軋鋼筋（2)冷軋帶肋鋼筋（3)冷拉低碳鋼筋和冷拔低碳鋼絲（4)熱處理鋼筋（5)預(yù)應(yīng)力鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線2.鋼結(jié)構(gòu)鋼材（1)鋼板（2)鋼管（3)型鋼六、瀝青、瀝青制品與其他防水材料

1.瀝青、瀝青制品瀝青材料是由一些極其復(fù)雜的高分子的碳氫化合物和這些碳氫化合物的非金屬（氧、硫、氮）的衍生物所組成的混合物。瀝青可分為地瀝青（包括天然地瀝青和石油地瀝青）和焦油瀝青（包括煤瀝青、木瀝青、頁巖瀝青等）。以上這些類型的瀝青在土木工程中最常用的主要是石油瀝青和煤瀝青兩類，其次是天然瀝青。2.防水材料隨著我國新型建筑防水材料的迅速發(fā)展，各類防水材料品種日益增多。用于屋面、地下工程及其他工程的防水材料，除常用的瀝青類防水材料外，已向高聚合物改性瀝青、橡膠、合成高分子防水材料方向發(fā)展，并在工程應(yīng)用中取得較好的防水效果。七、木材木材是一種古老的工程材料。由于具有一些獨特的優(yōu)點，如輕質(zhì)高強；易于加工（如鋸、刨、鉆等）；有高強的彈性和韌性；能承受沖擊和振動作用；導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能低；木紋美麗；裝飾性好等。所以在出現(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。但木材也有缺點，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。不過，這些缺點經(jīng)過加工和處理后，可得到很大程度的改善。八、其它材料1.玻璃和陶瓷制品玻璃已廣泛地應(yīng)用于建筑物，它不僅有采光和防護的功能，而且是良好的吸聲、隔熱及裝飾材料。除建筑行業(yè)外，玻璃還應(yīng)用于輕工、交通、醫(yī)藥、化工、電子、航天等領(lǐng)域。常用玻璃材料的品種可分為：平板玻璃、裝飾玻璃、安全玻璃、防輻射玻璃和玻璃磚。2.塑料和塑料制品塑料是以有機高分子化合物為基本材料。加入各種改性添加劑后，在一定的溫度和壓力下塑制而成的材料。塑料具有以下一些性質(zhì)：表觀密度小、導(dǎo)熱性差、