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土木工程材料 土木水利工程概论 2013年02月 1 前言2 传统土木工程材料3 近代土木工程材料4 现代土木工程材料 主要内容 1 科学 技术 工程2 工程设计原则满足功能要求 结构安全可靠 成本经济合理 造型美观悦目 3 土木水利工程发展历史及特点古代 旧石器时代 17世纪中叶近代 17世纪中叶 二战前1650年前后 1939年 300年左右现代 二战后 至今1945年 近70年 绪论内容回顾 一 前言 土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料或建筑材料 土木工程材料直接影响建筑物或构筑物的性能 功能 寿命和经济成本 从而影响人类生活空间的安全性 方便性 舒适性 土木工程材料的作用主要应从三方面认识 1 材料对保证工程质量的作用 2 材料对工程造价的影响 3 材料对工程技术进步的促进 按化学成分分类 1 无机材料金属材料 黑色金属材料 钢 铁有色金属材料 铝 铜 合金非金属材料 天然石材 大理石 花岗石无机胶凝材料 石灰 石膏砂浆 混凝土 水泥 砂浆 混凝土陶瓷和玻璃 砖 瓦 卫生陶瓷 玻璃 土木工程材料的分类 2 有机材料木材 沥青 塑料 涂料 油漆 3 复合材料金属与非金属复合 钢筋混凝土 钢纤维混凝土有机与无机复合 玻璃钢 沥青混凝土 聚合物混凝土 按用途分类结构材料 砖 石材 砌块 钢材 混凝土防水材料 沥青 塑料 橡胶 金属 聚乙烯胶泥饰面材料 墙面砖 石材 彩钢板 彩色混凝土吸音材料 多孔石膏板 塑料吸音板 膨胀珍珠岩绝热材料 塑料 橡胶 泡沫混凝土 石器 铁器时代 石材 大砖 石灰砂浆 石膏金字塔 2000 3000BC 万里长城 200BC 19世纪 水泥 1824 钢材 1859 钢筋混凝土 1867 20世纪 预应力混凝土 高分子材料21世纪 轻质 高强 节能 高性能绿色建材 建筑材料的发展 随生产力发展而发展 胡夫金字塔 2000 3000BC 高146 59m 底部232m 232m 用230多万块 每块重2 5T的岩石砌成 万里长城 200BC 条石 大砖 石灰砂浆 早期使用土木工程材料主要有 砖 瓦 石 砂 灰 木材等 至今仍在土木工程材料中占有主要地位 二 传统土木工程材料 砖是一种常用的砌筑材料 砖瓦的生产和使用在我国历史悠久 有 秦砖汉瓦 之称 按所用材料 粘土砖 页岩砖 煤矸石砖等 依生产形状 实心砖 多孔砖 空心砖等 制砖的原料容易取得 生产工艺比较简单 价格低 体积小 便于组合 所以至今仍然广泛的用于墙体 基础 柱等砌体建筑中 1砖 按生产工艺 烧结砖 非烧结砖 烧结砖是经焙烧而制成的砖 常结合主要原料命名 如烧结页岩砖 烧结煤矸石砖等 烧结普通砖的外形为直角六面体 公称尺寸是240mm 115mm 53mm 非烧结砖是通过非烧结工艺制成的 如碳化砖 蒸养砖等 非烧结砖 烧结砖 1911年建造的清华学堂 感觉柔和 更容易使人接近 按所用材料 粘土瓦 水泥瓦 石棉水泥瓦 钢丝网水泥瓦 玻璃钢瓦等 依生产形状 平瓦 波形瓦 2瓦 3石 天然石材天然石材是最古老的土木工程材料之一 石材具有耐水性好 抗压强度高 1m2面积的石材上面能承受5000t重的压力 经加工后表面美观富于装饰性 资源分布广 蕴藏量丰富 便于就地取材 生产成本低等优点 欧洲最大的皇宫 法国凡尔赛宫 1661年 1689年建造 占地面积达100多万平方米 其中建筑面积为11万平方米 宫殿中建筑物的墙体以及外部的地面全部使用石材建成 石的种类 毛石 采石场由爆破直接获得的形状不规则的石块 料石 人工或机械开采出较规则的六面体石块 略经凿琢 饰面石材 用于建筑物内外墙面 柱面 地面 栏杆 台阶等处装修用的石材 大理石和花岗岩两大类 石子 碎石和卵石 天然岩石经破碎 筛分而得到的粒径 5mm的岩石颗粒 称为碎石 岩石由于自然条件作用而形成的粒径 5mm的颗粒 称为卵石 石子除用作混凝土粗骨料外 也常用作路桥工程 铁道工程的路基道碴等 天然砂 由自然条件作用 主要是岩石风化 而形成的 粒径在5mm以下的岩石颗粒 称为天然砂 人工砂 机制砂 指经除土处理 由机械破碎 筛分制成的粒径小于4 75mm的岩石颗粒 天然砂可分为河砂 海砂和山砂河砂和海砂表面圆滑 但海砂含盐分较多 对混凝土和砂浆有一定影响 河砂较为洁净 故应用较广 山砂表面粗糙 颗粒多棱角 含泥量较高 有机杂质含量也较多 故质量较差 4砂 粗砂 平均粒径为0 5mm以上 中砂 平均粒径为0 5 0 35mm 细砂 平均粒径为0 35 0 25mm 5灰 石灰和石膏 1 石灰石灰石 主要成分为碳酸钙 CaCO3 生石灰 又称为建筑石灰 以石灰石为原料经过煅烧而成的 其主要成分为氧化钙 CaO 熟石灰 生石灰加水进行水化 使之消解为熟石灰 氢氧化钙 Ca OH 2 称为熟化过程 石灰在土木建筑工程中的应用 1 配制水泥石灰混合砂浆 石灰砂浆等 2 拌制灰土或三合土 3 生产硅酸盐制品 2 石膏石膏是以水合硫酸钙 CaSO4 2H2O 为主要成分的矿物 根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为 1 无水石膏 aSO4 2 天然石膏 aSO4 2H2O 3 建筑石膏 aSO4 1 2H2O 建筑石膏将天然石膏 生石膏 加热至107 170 的温度条件下煅烧脱水成为半水石膏 熟石膏 然后把半水石膏磨细而制成的白色粉末 建筑石膏特点 1 凝结速度快 早期强度高 2 硬化初期不出现收缩和干燥裂缝 略有膨胀且不开裂 3 具有抗火性 4 耐水性差 建筑石膏的主要用途 室内粉刷涂料 石膏板 装饰制品 石膏雕塑等 木材是一种古老的工程材料 由于具有一些独特的优点 当今木材仍然在工程中占主要地位 木材在大气环境下性能稳定 不易变质 许多木造建筑物可使用上千年 作落在杭州钱塘江湖畔的六合塔 至今已有1000多年的历史了 杭州六合塔 6木材 木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多 所以工程上均充分利用它们的顺纹强度 常用木材顺纹的抗拉强度 各种松木大概90到110MPa左右 白桦100MPa 硬木大概在120MPa到150MPa 木材的主要用途 木结构建筑 建筑室内装修与装饰 木地板 各种人造板材等 近代使用土木工程材料主要有 钢材 水泥 混凝土等 在现代土木工程材料中仍占有主要地位 三 近代土木工程材料 1钢材 优点 材质均匀 性能可靠 强度高 具有一定塑性和韧性 具有承受冲击和振动荷载的能力 可焊接 锚接或螺栓连接 便于装配 缺点 容易锈蚀 维修费用高 中央电视台新大楼 按化学成分分类 碳素钢 低碳钢 含碳量0 6 普通碳素钢 硫 0 055 磷 0 045 优质碳素钢 硫 0 040 磷 0 040 高级优质碳素钢 硫 0 035 磷 0 030 合金钢 低合金钢 合金元素10 土木工程用的钢材是指用于钢结构的各种型材 钢板 管材 和用于钢筋混凝土中的各种钢筋 钢丝等 各种型钢 2水泥 水泥是粉状的水硬性胶凝材料 即加水拌和成塑性浆体 能在空气中和水中凝结硬化 可将其他材料胶结成整体 并形成坚硬石材的材料 按其用途及性能 普通水泥 如硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥等 专用水泥 如快硬硅酸盐水泥 膨胀水泥等 按其主要成分 硅酸盐类水泥 铝酸盐类水泥 硫铝酸盐类水泥 磷酸盐类水泥等 专用水泥 1 快硬硅酸盐水泥凝结硬化快 故适用于紧急抢修工程 低温施工工程和高标号混凝土预制件等 2 白色硅酸盐水泥 简称白水泥 白水泥强度高 色泽洁白 可配制彩色砂浆和涂料 白色或彩色混凝土 水磨石等 用于建筑物的内外装修 快硬水泥 3 高铝水泥高铝水泥是一种早期强度高 耐高温和耐腐蚀的胶凝材料 主要用于工期紧急的工程 如国防 道路和特殊抢修工程等 也可用于冬季施工的工程 4 膨胀水泥由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂共同磨细制成的水硬性胶凝材料 混凝土是指以胶凝材料 胶结料 集料 骨料 水及其他材料为原料 按适当比例配制而成的混合物 再经硬化形成的复合材料 根据所用胶凝材料的不同 常用的混凝土有 水泥混凝土 沥青混凝土 石膏混凝土和聚合物混凝土等 高性能水泥混凝土 HPC 绿色高性能混凝土 GHPC 是未来混凝土的主要发展方向 3混凝土 混凝土强度等级 根据GB50010 2010 混凝土结构设计规范 规定的混凝土强度等级 立方体抗压强度标准值 有C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80共14个等级 立方体抗压强度标准值系指按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件 在28d龄期用标准试验方法测得的具有95 保证率的抗压强度 混凝土强度等级为C30的混凝土 就是说该混凝土按标准进行强度值检测时 其结果大于等于30MPa的概率为95 混凝土的优点 混凝土组成材料来源广泛 新拌混凝土有良好可塑性 较高的抗压强度 且与钢筋具有良好的共同工作性 良好的耐久性 可抵抗大多数环境破坏作用 维修费用低 混凝土存在的缺点 抗拉强度小 一般只有其抗压强度的1 10 1 15 很多情况下 必须配制钢筋才能使用 自重大 不利于提高有效承载能力 结硬前需要较长时间的养护 延长施工期 20世纪出现的高分子材料 新型金属材料和各种复合材料 使土木工程的功能和外观发生了根本的变革 四 现代土木工程材料 4 1沥青及制品 沥青 一种憎水性的有机胶凝材料 构造致密 与石料 砖 混凝土及砂浆等能牢固的黏结在一起 沥青制品具有良好的隔潮 防水 抗渗 耐腐蚀等性能 在地下防潮 防水和屋面防水等建筑工程中及铺路等工程中得到广泛的应用 建筑工程中主要用的是石油沥青和煤沥青 防水卷材 防水密封材料 防水材料是建筑业及其它有关行业所需要的重要功能材料 是建筑材料工业的一个重要组成部分 4 2防水密封材料 4 3玻璃 玻璃是以石英砂 纯碱 石灰石和长石等为原料 在1550 1600 高温下烧至熔融 成型 急冷而形成的一种无定形非晶态硅酸盐物质 玻璃已广泛地应用于建筑物 有采光和防护功能 且是良好的吸声 隔热及装饰材料 具有透明性的玻璃用于饰面 使建筑物具有现代气息 香港中银大厦玻璃幕墙 4 4人造板材 采用小木块 碎木屑 刨花等木质材料为基材 使用胶凝材料 胶粘剂或夹层材料加工而成的各种人造板材 模仿天然木材的纹理和走向 可达到以假乱真的程度 常用的人造板材 胶合板 纤维板 木丝板和木屑板 用作建筑物的地板 内隔墙板 护壁板 门面板以及各种家具等 大大改善了天然木材尺寸的有限 材质不均 提高了木材的利用率和功能 4 5塑料及制品 塑料 以合成或天然高分子有机化合物为主要原料 在一定条件下塑化成型 且在常温常压下能保持产品形状不变的材料 塑料的特点 1 密度小 2 比强度高 3 耐腐蚀性好 4 装饰性好 5 耐磨性好 6 电绝缘性好 7 抗震 消声 隔音性能好 8 易老化塑料的组成主要有 合成树脂 填充料 增塑剂 固化剂 着色剂 稳定剂等 塑料的应用塑料在工业与民用建筑中可生产塑料管材 板材 门窗 壁纸 绝缘材料 装饰材料 防水材料及保温材料等 制作基础工程中的塑料排水板 塑料土工布或加筋网等 在其它工程中可制作管道 容器 粘结材料或防水材料等 有时可以制作结构材料 UPVC排水管材 装饰材料 4 6绝热材料 将主要作为保温 隔热使用的材料通称为绝热材料 无机绝热材料石棉及其制品 石棉是一种天然矿物纤维 具有耐火 耐热 耐酸碱 绝热 防腐 隔音及绝缘等特性 矿棉及其制品 矿棉一般包括矿渣棉和岩石棉 矿渣棉所用原料有高炉硬矿渣 铜矿渣等 并加一些调节原料 钙质和硅质原料 玻璃棉及其制品 玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成纤维状材料 膨胀珍珠岩及其制品 膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩 黑耀岩或松脂岩为原料 经煅烧体积急剧膨胀 约20倍 而得蜂窝状白色或灰白色松散颗料 有机绝热材料软木板 软木板是用栓皮 栎树皮或黄菠萝树皮为原料 经破碎后与皮胶溶液拌和 再加压成型 在80 的干燥室中干燥一昼夜而制成 蜂窝板 蜂窝板是由两块较薄的面板 牢固地粘结在一层较厚的蜂窝状芯材两面而制成的板材 亦称蜂窝夹层结构 植物纤维复合板 系以植物纤维为主要材料加入胶结料和填料而制成 4 7吸声隔声材料 建筑工程中常用吸声材料有 石膏砂浆 掺有水泥 玻璃纤维 石棉纤维 水泥膨胀珍珠岩板 玻璃棉 泡沫塑料 软木板 木丝板 穿孔纤维板 工业毛毡 地毯等 木质吸音孔板 冲孔钢板 冲孔镀锌板 钢丝网水泥类夹芯复合板材以两片钢丝网将泡沫塑料 聚氨醋 聚苯乙烯 脉醛树脂等 轻质岩棉或玻璃棉等芯材夹在中间 两片钢丝网间以斜穿过芯材的钢丝相互连接 形成稳定的三维彬架结构 用水泥砂浆在两侧抹面 或进行其他饰面装饰 4 8新型复合材料 彩钢夹芯板材以硬质泡沫塑料或结构岩棉为芯材 在两侧粘上彩色压型镀锌钢板 其中外露的彩色钢板表面涂以高级彩色塑料涂层 使其具有良好的耐候性和抗腐蚀能力 4 9智能材料 智能材料能通过自身的感知进行信息处理 发出指令并执行和完成动作 从而实现结构的自检测 自诊断 自监控 自校正 自修复和自适应等多种功能 光导纤维构成的光缆 压电陶瓷元件 智能感知材料 光导纤维 压电陶瓷 压电高分子材料等 智能驱动材料 形