第3章-土木工程材料

1、土木工程概論,主編：劉宗仁,第3章 土木工程材料,作者：王洪樞,3.1 概述 建筑材料是指建筑工程中使用的各種材料及制品。 按基本成分分類,3.2 建筑材料物理性質(zhì)的基本狀態(tài)參數(shù) 3.2.1 材料的密度、表觀密度、堆積密度 1.密度 是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 2.表觀密度 是指材料在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。,3.堆積密度 是指粉狀或粒狀材料，在自然堆積狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量。 3.2.2 密實(shí)度與孔隙率 1.密實(shí)度 是指材料體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)的程度。 2.孔隙率 是指材料在自然狀態(tài)下的體積內(nèi)，孔隙體積所占的比例。,3.2.3 填充率與空隙率 1.填充率 是指散粒材料在堆

2、積體積中顆粒體積所占的比例。 2.空隙率 是指散粒材料在堆積體積中顆粒之間的孔隙體積所占的比例。,3.3 材料的力學(xué)性質(zhì) 材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料在外力作用下所引起形狀和體積方面變化的性質(zhì)。包括材料的變形和破壞性質(zhì)。 3.3.1 強(qiáng)度 材料在外力（荷載）作用下，抵抗破壞的能力稱為材料的強(qiáng)度 。 根據(jù)外力作用的方式不同，材料的強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。,3.3.2 彈性和塑性 材料的彈性是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，完全恢復(fù)為原來形狀的性質(zhì)。這種可完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形。 材料的塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形。當(dāng)外力取消后，材料仍保持變形后的形狀和尺寸

3、，且不產(chǎn)生裂縫或發(fā)生斷裂的性質(zhì)。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。,3.3.3 脆性與韌性 材料的脆性是指材料受到的外力達(dá)到一定程度且無明顯的變形而突然破壞的性質(zhì)。 材料的韌性是指材料在沖擊荷載作用下能夠吸收較大的能量，產(chǎn)生一定的變形而不發(fā)生破壞的性質(zhì)。韌性又稱沖擊韌性。,3.3.4 硬度和耐磨性1硬度 材料的硬度是材料表面能抵抗其他較硬物體壓入或刻劃的能力。 2耐磨性 材料的耐磨性是指材料表面抵抗磨損的能力。,3.4 材料與水有關(guān)的性質(zhì) 3.4.1 親水性與憎水性 材料與水接觸時(shí)，根據(jù)水與不同材料表面接觸時(shí)浸潤狀態(tài)的差別，把材料分為親水材料和憎水材料，如下圖所示 。,（）親水性材料；（）憎水性

4、材料,3.4.2 吸水性與吸濕性 1吸水性 材料在水中吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。吸水性的大小用吸水率表示。 2吸濕性 材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。吸濕性的大小用含水率表示。,3.4.3 耐水性 材料長期在水的作用下，抵抗水破壞作用的能力，稱為材料的耐水性。 3.4.4 抗?jié)B性 材料在壓力水作用下，抵抗水滲透的性能,稱為抗?jié)B性。 抗?jié)B性可用滲透系數(shù) Ks 表示。 材料的抗?jié)B性也可用抗?jié)B等級(jí)來表示,3.4.5 抗凍性 抗凍性是指材料在飽和水狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性能。 材料的抗凍性用抗凍等級(jí)表示。,3.5 材料的其他性質(zhì) 3.5.1 導(dǎo)熱性 材料傳

5、導(dǎo)熱量的能力稱為導(dǎo)熱性 3.5.2 耐久性 材料的耐久性是指材料在使用過程中，受到環(huán)境的多種因素作用而保持其原有性能不變的性質(zhì)。,3.6 氣硬性膠凝材料 膠凝材料又稱膠結(jié)材料，凡是在物理、化學(xué)作用下，能從漿體變成堅(jiān)固的石狀體，并能將散粒狀或塊狀材料粘結(jié)成整體，而且具有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料 根據(jù)膠凝材料的化學(xué)組成，可分為無機(jī)膠凝材料和有機(jī)膠凝材料兩大類。無機(jī)膠凝材料根據(jù)硬化條件不同，又分為氣硬性膠凝材料和水硬性膠凝材料兩類。 氣硬性膠凝材料只能在空氣中硬化，且保持和發(fā)展強(qiáng)度。水硬性膠凝材料即可在空氣中硬化也可在水中硬化，并保持和發(fā)展其強(qiáng)度。,3.6.1石灰 1.石灰的生產(chǎn)及分類 天

6、然巖石又叫石灰石，主要成分是碳酸鈣，將石灰石在9001100下煅燒，排除分解出的二氧化碳后，所得以氧化鈣為主要成分的產(chǎn)品為生石灰。 將煅燒生成的塊狀生石灰經(jīng)過不同加工，可得石灰的另外三種產(chǎn)品 ：生石灰粉 、消石灰粉 、石灰膏。,2.石灰的熟化 生石灰加水生成氫氧化鈣的過程稱為生石灰熟化或消解。 3.石灰的硬化 塊狀生石灰用過量水熟化，或?qū)⑾曳酆退韬?，得到一定稠度的石灰膏，石灰膏?huì)在空氣中逐漸凝結(jié)硬化。其過程包括兩個(gè)階段過程： （1）干燥結(jié)晶過程 （2）碳化過程,4.石灰的性質(zhì) （1）可塑性好 （2）強(qiáng)度不高 （3）硬化慢且體積收縮大 （4）耐水性差 （5）生石灰吸濕性強(qiáng),5.石灰的用途

7、（1）制石灰乳涂料 （2）配置砂漿 （3）拌制灰土和三合土 （4）生產(chǎn)硅酸鹽制品,3.6.2石膏 常用的石膏膠凝材料有：建筑石膏、高強(qiáng)石膏、無水石膏等。 1、石膏的生產(chǎn)和品種 石膏是由天然二水石膏礦石經(jīng)過低溫煅燒、脫水、磨細(xì)制成的。 2、建筑石膏的凝結(jié)硬化 建筑石膏與適量的水拌合，形成漿體，漿體很快失去塑性并產(chǎn)生強(qiáng)度，發(fā)展成為堅(jiān)硬的固體。這種現(xiàn)象稱凝固硬化。,3、建筑石膏的性質(zhì) （1）硬化后體積微膨脹 （2）硬化后孔隙率較大,表面密度和強(qiáng)度較低 （3）隔熱、吸聲性能好 （4）防火性能好 （5）耐水性和抗凍性差 建筑石膏制 品吸濕、吸水性大 4.石膏的用途,3.6.3水玻璃 水玻璃俗稱泡花堿,是

8、一種能溶于水的硅酸鹽膠體,建筑工程中常用的是鈉水玻璃水溶液、鉀水玻璃水溶液。 1.水玻璃的生產(chǎn) 水玻璃的生產(chǎn)是將以純堿為主要成分的原料加石英砂磨細(xì),按一定比例配合,在玻璃熔爐內(nèi)加熱到13001400溶融生成硅酸鈉,冷卻后成為固態(tài)水玻璃.,2.水玻璃的硬化 水玻璃在空氣中吸收二氧化碳,形成無定形硅酸,并逐漸干燥而硬化 3.水玻璃的性質(zhì) （1）粘結(jié)力強(qiáng) （2）耐酸性好 （3）耐熱性好 （4）耐堿性和耐水性差 4.水玻璃的用途,3.7水泥 混凝土 砂漿 3.7.1 水泥 水泥是一種粉末狀物質(zhì)，與適量的水混合后，經(jīng)過物理、化學(xué)作用由漿體變成堅(jiān)硬的石狀物，并能將散粒狀材料膠結(jié)成整體，水泥是水硬性膠凝材料

9、。,1.常用水泥 常用的有以下五大品種：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。,（1）水泥的品種及定義 硅酸鹽水泥。凡是由硅酸鹽水泥熟料，05%石灰石或?；郀t礦渣，適量石膏磨細(xì)制成的膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥（波特蘭水泥），硅酸鹽水泥分兩種類型，不摻加混合材料的稱型硅酸鹽水泥，其代號(hào)為P。在硅酸鹽水泥熟料中摻加不超過水泥質(zhì)量5%的石灰石或?；郀t礦渣混合材料的稱型硅酸鹽水泥，其代號(hào)為P。,普通硅酸鹽水泥。凡是由硅酸鹽水泥熟料，6%15%的混合材料，適量石膏磨細(xì)制成的膠凝材料，稱為普通硅酸鹽水泥（簡稱普通水泥），代號(hào)PO。 礦渣硅酸鹽水泥。凡是由硅酸鹽

10、水泥熟料和?；郀t礦渣，適量石膏磨細(xì)制成的膠凝材料，稱為礦渣硅酸鹽水泥（簡稱礦渣水泥），代號(hào)PS。,火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。凡是由硅酸鹽水泥熟料和火山灰質(zhì)混合材料、適量石膏磨細(xì)制成的膠凝材料稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥（簡稱火山灰水泥），代號(hào)PP 。 粉煤灰硅酸鹽水泥。凡是由硅酸鹽水泥熟料和粉煤灰、適量石膏磨細(xì)制成的膠凝材料稱為粉煤灰硅酸鹽水泥（簡稱粉煤灰水泥），代號(hào)PF 。,（2）水泥的生產(chǎn)及水泥熟料礦物組成 水泥的生產(chǎn) 水泥的生產(chǎn)工藝過程概括起來為二磨一燒。 水泥熟料的礦物組成主要有硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣 。,（3）水泥的凝結(jié)硬化 水泥加水拌合后即成為可塑的水泥漿，然后水泥漿逐漸變

11、稠而失去塑性，但尚不具有強(qiáng)度，這一過程稱為水泥的“凝結(jié)”。此后，強(qiáng)度逐漸提高，并變成堅(jiān)硬的石狀物體水泥石。稱為水泥的“硬化”。 （4）影響水泥凝結(jié)硬化的因素,（5）水泥技術(shù)性能 細(xì)度 凝結(jié)時(shí)間 體積安定性 強(qiáng)度及強(qiáng)度等級(jí) 堿含量 水化熱 （6）五種常用水泥的特性及用途 （7）水泥的存放,2.其他品種水泥 （1）白色和彩色硅酸鹽水泥 （2）快硬水泥 快硬硅酸鹽水泥 鋁酸鹽水泥 快硬硫鋁酸鹽水泥 （3）膨脹水泥及自應(yīng)力水泥,3.7.2 混凝土 混凝土是由膠凝材料，水和粗、細(xì)骨料按適當(dāng)比例配合，拌制成拌合物，經(jīng)一定時(shí)間硬化而成的人造石材。 混凝土的優(yōu)點(diǎn)： 組成材料中的砂、石等材料取材方便； 在凝結(jié)硬

12、化前具有良好的塑性，可澆制成各種形狀和大小的結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件； 硬化后具有較高的抗壓強(qiáng)度與耐久性 ； 混凝土與鋼筋之間有牢固的粘結(jié)力，能制成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。,-,混凝土材料的缺點(diǎn) ： 抗拉強(qiáng)度低； 受拉時(shí)變性能力??； 容易開裂； 自重大 1.普通混凝土的組成材料 （1）混凝土中各組成材料的作用,（2）混凝土組成材料的技術(shù)要求 1）水泥 水泥品種的選擇 水泥強(qiáng)度等級(jí)的選擇 2）骨料 細(xì)骨料 粗骨料 3）混凝土拌合水和養(yǎng)護(hù)用水 4）混凝土外加劑,2.普通混凝土的主要技術(shù)指標(biāo) （1）混凝土拌合物的和易性 和易性的概念：混凝土拌合物的和易性是一項(xiàng)綜合性能，包括流動(dòng)性、粘聚性、保水性三方面 。 坍落度

13、試驗(yàn)：,影響和易性的因素 水泥漿的數(shù)量； 水泥漿的稠度； 砂率； 外加劑。,（2）混凝土的強(qiáng)度 混凝土的抗壓強(qiáng)度：按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，混凝土制作成邊長150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下溫度（203），相對(duì)濕度95%以上養(yǎng)護(hù)到28d齡期，測(cè)得的抗壓強(qiáng)度值為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，簡稱立方體抗壓強(qiáng)度。 混凝土的強(qiáng)度等級(jí)：混凝土立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度是指按標(biāo)準(zhǔn)方法制作和養(yǎng)護(hù)的邊長為150mm的立方體試件，在28d齡期，用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法測(cè)得的抗壓強(qiáng)度。,影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素 水泥強(qiáng)度和水灰比 骨料的質(zhì)量 養(yǎng)護(hù)條件 齡期,（3）混凝土的耐久性 混凝土的耐久性是指抵抗環(huán)境介質(zhì)作用并長期保持其良好的使用

14、性能和外觀完整性的能力 。 主要包括抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、碳化、堿骨料反應(yīng)等性能。,3特種混凝土 （1）輕骨料混凝土 （2）多孔混凝土 （3）防水混凝土 （4）耐熱混凝土 （5）纖維混凝土 （6）泵送混凝土 （7）裝飾混凝土,3.7.2 砂漿 砂漿是由膠凝材料、細(xì)骨料、摻和料和水按適當(dāng)比例配合，拌制并經(jīng)硬化而成的土木工程材料。 按所用的膠凝材料，砂漿可分為水泥砂漿、混合砂漿、石灰砂漿、聚合物砂漿等。 1砂漿的組成材料 （1）膠凝材料 （2）細(xì)骨料 （3）砂漿拌合水,2.砂漿的技術(shù)要求 （1）和易性 （2）強(qiáng)度 3常用砂漿 （1）砌筑砂漿 （2）抹面砂漿 （3）防水砂漿 （4）裝飾砂漿,4特種砂漿

15、 （1）隔熱砂漿 （2）吸音砂漿 （3）耐酸砂漿 （4）防輻射砂漿 （5）膨脹砂漿 （6）自流平砂漿,3.8建筑鋼材 3.8.1鋼材的冶煉 1.煉鐵 2.煉鋼 3.鋼材的澆注和脫氧 3.8.2 鋼材的加工 1.熱加工 2.冷加工 3.熱處理,3.8.3 鋼材的主要性能 鋼材有兩種完全不同的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。 1.鋼材在單向一次拉伸下的工作性能,2.冷彎性能,3.沖擊韌性,4.鋼材的焊接性能,3.8.4 建筑用鋼的種類 1.鋼材的種類 （1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 （2）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 （3）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 （4）其他建筑用鋼 2.鋼材的規(guī)格 （1）鋼板 （2）熱軋型鋼 （3）冷彎薄壁型鋼,

16、a）角鋼 b）工字鋼 c）槽鋼 d）H型鋼 e）T型鋼 f）鋼管 g）冷彎薄壁 h）壓型鋼板,3.9 木材 3.9.1 木材的物理力學(xué)性質(zhì) 1.木材的含水率 2.木材的體積密度 3.木材的強(qiáng)度 （1）抗壓強(qiáng)度 （2）抗拉強(qiáng)度 （3）剪切和切斷強(qiáng)度 （4）抗彎強(qiáng)度 4. 木材的缺陷,3.9.2木材及其制品的應(yīng)用 1.膠合板 2.硬質(zhì)纖維板 3.刨花板,3.9.3 木材的防腐與防火 1.木材的腐朽與防腐 （1）木材的腐朽 （2）木材防腐措施 2. 木材的防火 （1）浸漬 （2）添加阻燃劑 （3）覆蓋,3.10 瀝青 瀝青按產(chǎn)源可分為地瀝青（天然地瀝青和石油地瀝青）和焦油瀝青（煤瀝青、木瀝青和頁巖沒青）兩大類。 3.10.1 瀝青材料 （1）石油瀝青的基本組成與結(jié)構(gòu) 石油瀝青的組分：油分；樹脂（瀝青脂膠）地瀝青質(zhì)（瀝青質(zhì)）。 （2）石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu),（3）石油瀝青的主要性質(zhì) 1）防水性 2）粘滯性 3）塑性 4）延性 5）溫度敏感性 6）大氣穩(wěn)定性 （4）石油瀝青的技術(shù)要求 1）石油瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 2）石油瀝青的應(yīng)用,2.改性石油瀝青 （1）礦物填料改性瀝青 （2）樹脂改性瀝青