土木工程概论 第2章 工程材料

第 2章工程材料2-1 自然石、砖、瓦v砖是用黏土烧制而成，有红砖和青砖。青砖 在 土窑 中烧制，在窑中经浇水浸闷制成；红砖 在 旋窑 中大批生产，不需浇水浸闷。标准砖的规格： 240mm*115mm*53mm除了标准砖以外，还有灰砂砖和烟灰砖等，统称为硅酸盐砖。除了实心砖以外，还有空心砖（容易烧透，符合 “轻质高强 ”的发展方向），承重空心砖的空洞都是竖向的，其空洞率一般在 25%30%,一般尺寸有： 240*115*90,240*180*115和190*190*90v 我国砖和空心砖的强度一般为1020MPa，空洞率为 25%左右；美国空心砖的强度在 17140MPa, 最高可达230MPa；前捷克空心砖强度达 160200MPa,空洞率达 40%以上；国外非承重空心砖空洞率可达 60%70%。v石材或砖用砂浆砌筑成的构件称为 砌体 。砌体可分为毛石砌体和砖砌体。当将砖侧砌时构成 空斗墙 ，空斗墙可以承重，但在抗震区应慎重。v无论哪一种砌体，砌筑时都应错缝搭接，即最多 5条以上竖缝不应再同一垂直截面内。v山区某些简易建筑，优势可以不用砂浆砌筑干砌墙。v国内还生产带凹槽和凸榫的异性混凝土空心砌块，以增强沿通缝的抗剪强度。v（图 2-4）2-2 凝胶材料和砂浆v 凝胶材料 主要是指和水成浆以后能硬化成坚实整体的矿物质粉状材料。如石灰、烧石膏和水泥等粉状材料。v 砂浆 是石灰、烧石膏或水泥等凝胶材料掺砂或矿渣的细骨料加水拌和而成的用以浇注砌体。有时也掺入细石屑。v 用石灰做胶凝材料的叫石灰砂浆，其余类推。用水泥砂浆时，掺入一定的石灰膏或粘土浆可以增强砂浆的和易性，保证砌体质量，较纯水泥砂浆反而提高了砌体强度，这种砂浆称为 混合砂浆 。v用砂作细骨料的砂浆，其密度大于 15KN/立方米，称 重砂浆 ；用矿渣作细骨料的砂浆，其密度小于 15KN/立方米，称 轻砂浆。国外采用掺聚合物拌和的砂浆，叫 高粘结砂浆。v干拌砂浆 是将水泥、砂、各种外加剂混合均匀后，在工地现场只需加水即可使用的一种新型环保建材。2-3 混凝土和混凝土砌块v混凝土 是用水泥、砂（细骨料）和碎石（粗骨料，有时用砾石），按照一定的比例配合，加水拌和成型后硬结而成。v水泥和砂、石的比例（按重量）称为 配合比 。v水和水泥的比例（按重量）为 水灰比 。水灰比大，和易性好，便于施工，但做成的混凝土强度低，耐久性较差。水灰比小，和易性差，但可通过砂石良好级配来改善，或加减水剂来解决。v轻骨料混凝土 系指自重不大于 18千克每立方米的混凝土。我国的轻骨料混凝土有粉煤灰陶粒、黏土陶粒、页岩陶粒、膨胀矿渣珠、浮石及火山渣等，其中浮石混凝土单位自重 914千克每立方米；煤矸石混凝土为全轻混凝土。v加气混凝土和泡沫混凝土 是在砂浆中分别加入发气剂和泡沫剂制成的，自重 56.5千克每立方米，用作保温隔热材料构件。v大体积混凝土 应采用低热水泥（矿渣水泥）防止产生温度裂缝。v膨胀水泥结硬后，体积不仅不收缩，反而膨胀，长用于后浇带中，保证后浇混凝土不出现因收缩而引起的裂缝。对于有 酸碱戒指作用时，应采用耐酸混凝土或耐碱混凝土。对承受高温的建筑物应采用耐热混凝土。vC50以上混凝土为高强混凝土， C100以上混凝土为超高强混凝土。v高强混凝土一般为高性能混凝土，但高性能混凝土不一定是高强的。v 活性粉末混凝土迁都可以达到 200300MPa采用干热（ 400C）时，抗压强度达到 800MPa它之所以能达到这一高水平强度是因为：1.去除粗骨料，改进了配合料的均匀性；2.仔细选择各种粉状物的粒径，尺寸在 0.1微米到 1毫米之间，改善了颗粒材料的堆积密度；3.在凝结前和凝结期间对混凝土加压消除混凝土中的空气和大部分水化反应产生的化学收缩；4.凝结后通过热处理，改变了生成水化物的性质；5.由于材料脆性，加入钢纤维以后，改善材料的延性2-4钢筋、钢筋混凝土和预应力混凝土v一 钢筋钢筋为加强混凝土的钢条按化学成分分为： 碳素钢和低合金钢 （热轧）按截面形式分为： 光面钢筋和变形钢筋近年来我国多采用月牙形变形钢筋，而光圆钢筋在使用时须在端头做成半圆形弯钩，避免受力时滑动。热轧钢筋的直径一般为 632mm，（小直径1012mm以下）做成圆盘供应，大直径一般为12m，因此结构构件中常有接头存在。v钢筋接头形式有：搭接、焊接、机械连接在抗震设计中不允许出现搭接的情况为了提高钢筋强度节省钢筋用量，将钢筋在冷的状态拉至屈服限度使其伸长4%5%.这种钢筋称为冷拉钢筋。冷加工钢筋虽然提高了强度，但加工后钢筋变脆（延伸率降低）。因为冷拔钢筋脆性过大，所以不能单根使用，只能用在钢筋网中。在预应力钢筋中，多采用 高强钢丝和钢绞线当型钢作为钢筋时，则为 劲性钢筋v国内外都采用乱向的钢纤维掺入混凝土中提高混凝土的抗裂性和韧性等；塑料纤维或玻璃纤维乱向掺入混凝土还能增强其抗腐蚀性。二 钢筋混凝土钢筋混凝土构件大致可分为：受压构件（柱）受弯构件（梁、板）受拉构件（桁架下弦）混凝土构件截面：受压区、中和轴、受拉区因为混凝土的受拉强度只有受压强1/101/20，所以钢筋混凝土构件大都是带裂缝工作的，混凝土受压，钢筋受拉协同工作。v钢筋混凝土构件中的钢筋按其受力特点分为：受力钢筋、分布钢筋、箍筋受力钢筋 承担构件承受的拉力或压力分布钢筋 1 ）与受力钢筋扎接，固定其位置2）将荷载更均匀的传给受力钢筋，这正实现荷载均匀分布； 3）阻止温度收缩趋势箍筋 主要承担剪力在混凝土梁中根据受力要求或是构造要求还需要配置弯起钢筋、架立钢筋、鸭筋、吊筋三 预应力钢筋混凝土v19世纪中叶钢筋混凝土的发明和钢材在工程结构中的应用实现了工程建设的第一次飞跃v20世纪后预应力混凝土的世纪应用则实现了第二次飞跃 。v预应力混凝土是 1928年开始获得成功的，所谓的 “预应力混凝土 ”是利用与先建立的压应力以抵消荷载作用下产生的拉应力而制成的 。施加预应力的方法有以下几种：v先张法 张拉钢筋 固定 浇筑混凝土 切断钢筋v后张法 浇筑混凝土（带有预留孔） -穿钢筋 张拉钢筋 混凝土灌孔 -锚固v电热发 与先张法和后张法基本相同，只是张拉时用电热代替千斤顶。v其他施加方法 1.对于水管 2.扁千斤顶3.自应力水泥的自张法先张法生产工艺简单、工序少、效率高、质量以保证，且锚具减少等使得成本低些。后张法不需台座，适宜现场施工，但需要锚具，成本较高。对于大型构件运输困难时采用后张法。2-5 钢v用于工程结构中的钢材除了钢板以外还有型钢：角钢（等边和不等边）、槽钢、工字钢，有时还用 H形钢。通常的 H形钢都是由钢板焊接组成的，另外，为节约钢材有些国家还设计了孔腹梁（蜂窝梁），从而使得梁高较原来型钢价高，从而大大增加了梁的强度和刚度，可节约钢材25%50%，节省运输和油漆费用15%35%，而且美观，便于管道和电线的安装。v钢结构的连接方法有 ：焊接、栓接、铆接v现在，国内外都在利用钢管建造空间网架结构，这种结构使用与大跨度中。另外，工程中海常用压型钢板作为屋面板。近年来轻钢结构虽然材料费用较高，但其运输及重量减轻导致基础费用降低，而且工期可以缩短 1/2,综合效益较好。v劲性钢筋混凝土也是未来很有前途的一个分支。v耐候钢和一大批合金钢的出现，使得钢结构的耐候、防锈、防火性增强，也使得轻钢结构在世界范围内得到推广。2-6 其他材料1. 木材v木料分为：圆料和方料。虽然木材为可再生资源且有利于环保，但由于我过的森林资源匮乏，因此，木结构的应用受到很大限制。2. 装饰材料v玻璃材料v芝麻白 “365”石材v家庭装饰材料：节能建材、饰面与铺地材料、灵活隔断材料、环境舒适类系列和新型装饰比例材料3. 化学材料v 1）五大合成树脂：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、 ABS树脂v 玻璃钢管v 钢骨塑料复合管v 新型 HDPE硅芯管4. 防水材料5. 特种水泥6. 新材料纳米技术 喷涂聚氨酯 新过滤膜 液体木材新吸声材料 高效阻燃材料 抗菌墙面漆2-7 材料试验与结构试验一 材料试验v 抗压和抗拉强度试验一般在压力试验机和万能试验机上进行；v 对钢筋受拉试验时要粘贴丝式应变片或箔式应变片测量应变，弹性模量依据 确定，钢筋一般不进行抗压强度试验，认为其拉压强度相等。v 对于混凝土抗压强度一般有两种：立方体抗压强度和棱柱体抗压强度，其试件的标准尺寸不同。混凝土抗拉强度由直接受拉和劈裂受拉两种实验确定，但一般用第二种。二 结构试验这里的结构试验包括构件试验和结构试验，构件试验是指受弯剪拉压等基本构件的试验；结构试验中一般可以按缩小一定比例后的试件进行，但存在尺寸效应会对结果由一定影响。2-8 展望 一 墙体材料v淘汰落后工艺、装备