土 木 工 程 总 论1

土木工程总论(材料篇),湖南大学土木工程学院黄政宇教授,材料与土木工程,土木工程的定义,土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。（中国大百科全书：土木工程卷）Inmodernusage,civilengineeringisabroadfieldofengineeringthatdealswiththeplanning,construction,andmaintenanceoffixedstructures,orpublicworks,astheyrelatedtoearth,water,orcivilizationandtheirprocesses.Mostcivilengineeringtodaydealswithroads,structures,watersupply,sewer,floodcontrolandtraffic.,土木工程的基本属性,综合性是一门范围广阔的综合性学科社会性它伴随着人类社会的发展而发展起来实践性是具有很强实践性的学科统一性是技术、经济和艺术的统一结果,土木工程材料的作用,土木工程材料是土木工程的物质基础，对土木工程的发展起关键作用，土木工程的三次飞跃发展均是源于土木工程材料的进步：砖瓦的出现钢材的大量应用混凝土的兴起,土木工程材料是土木工程师知识结构的一个方面(3M)：Mechanics(力学）Materials（材料）Management（管理）,Sub-disciplinesofcivilengineering(土木工程的分支学科）,Generalcivilengineering(一般土木工程)Structuralengineering(结构工程)Geotechnicalengineering(岩土工程)Transportationengineering(运输工程)Environmentalengineering(环境工程)Hydraulicengineering(水利工程)Constructionengineering(施工技术)Materialscience(材料科学)Surveying(测量学),材料的进步与土木工程的发展,古代天然材料的利用,原始人群时期的“巢处”与“穴居”利用天然条件洞穴、悬崖下、树丛等栖身。天然材料的利用和简单加工木材、竹材、天然石材、天然石灰和石膏的利用，版筑技术出现,烧土制品的出现,以天然粘土类物质为原料，经高温烤烧制造而成的无机非金属材料为烧土制品。粘土砖、粘土瓦烧制石灰烧制陶瓷（琉璃瓦等）玻璃,近代土木工程材料的发展,钢铁登上土木工程材料的舞台1871年，英国在北海的Tay湾采用铸铁作为桥墩材料建造铁路桥。1890年在相邻的Forth湾首次采用钢材建成了Forth湾大桥。随后，各种结构形式的大跨、高耸结构相继涌现。,波特兰水泥的发明1824年，英国人JosephAspdin发明波特兰水泥，混凝土成为新的结构材料；随后，钢筋混凝土成为结构材料的主角，使人类的建设活动范围和规模得到大幅度的发展。波特兰水泥的发明是近代土木工程材料史上新的里程碑,现代土木工程材料与多姿多彩的建筑,采用钢材、混凝土建造各种大型结构物如美国的西尔斯大厦（443m）、日本的明石海峡大桥（1991m）为钢结构，加拿大的CN电视塔（553m）、马来西亚的佩重纳斯大厦（452m）为钢筋混凝土结构。,各种新型土木工程材料使建筑物形式更加丰富,合成高分子材料建筑塑料、FRP、涂料、胶粘剂、膜材料等新型金属材料铝合金、不锈钢、彩钢板、钛合金等人造板材胶合板、胶合木、木屑板等新型玻璃热反射玻璃、吸热玻璃、夹丝玻璃等,土木工程材料概况,土木工程材料的特点：种类繁多组成不同性能各异价格悬珠用量巨大,土木工程材料的分类,根据材料来源：天然材料人造材料根据使用功能：结构材料功能材料根据组成物质的种类及化学成分：无机材料有机材料复合材料,无机材料,金属材料黑色金属有色金属非金属材料天然石材烧土和熔融制品胶凝材料混凝土,有机材料,植物材料木材竹材沥青材料沥青改性沥青,合成高分子材料建筑塑料合成橡胶合成纤维胶粘剂涂料,复合材料,无机非金属材料与有机材料复合玻璃纤维增强塑料碳纤维增强塑料聚合物水泥混凝土沥青混合料等金属材料与无机非金属材料复合钢纤维增强混凝土等金属材料与有机材料复合轻质金属夹芯板等,土木工程材料简介,金属材料金属键结合的材料，具有高抗压和高抗拉强度，韧性和延性好，具有金属光泽，但化学性质活泼，价格较高。黑色金属钢、铁、不锈钢等有色金属铝、铜、钛及其合金等,无机非金属材料由无机化合物构成的材料成为无机材料，主要是硅酸盐材料。其结合键是共价键或离子键，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，韧性和延性较差，化学性质稳定，在地球的存在量最大，价格低廉。,天然石材天然石材是天然岩石经加工或自然风化而成。天然岩石是优良的土木工程材料，具有良好的物理力学性质。按地质成因天然岩石有岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。土木工程常用的天然石材有砂石材料及石材制品等,烧土和熔融制品凡以粘土类矿物等为基本原料，经配料、制坯、干燥、焙烧而制得的成品，统称为烧土制品。而以石英砂、纯碱、石灰石和长石等主要原料以及一些辅助性材料在高温下熔融、成型、急冷而形成的无定形非晶态硅酸盐物质，统称为熔融制品。土木工程常用的烧土和熔融制品有砖、瓦、玻璃、建筑陶瓷等,无机胶凝材料在土木工程中，凡是经过一系列物理、化学变化，能将其他固体物料胶结成整体并具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料；由无机材料组成的称为无机胶凝材料。按其硬化条件的不同，分为水硬性胶凝材料和非水硬性胶凝材料。土木工程常用的无机胶凝材料有各种水泥、石灰、石膏、水玻璃等,混凝土混凝土是由胶凝材料和粗、细骨（集）料按适当比例配合、拌制成拌合物，经成型硬化而成的人造石材。混凝土具有原材料丰富、可塑性好、抗压强度高、耐久性好、性能易于调整和可用钢筋增强等一系列的优良性能；因此，是一种主要的土木工程材料，是目前用量最大的人造材料。,有机高分子材料高分子材料是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂所构成的材料。高分子化合物又称高聚物或聚合物，其分子量很大，一般为104106。按来源高分子材料分为天然高分子材料和合成高分子材料。,木材木材是天然高分子材料，由树木加工而成，按树种木材分为针叶树类和阔叶树类两大类。具有轻质高强、耐冲击、弹性和韧性好，导热性低，纹理美观、装饰性好等特点。但存在各向异性，性能受含水率和天然疵病的影响较大，易燃、易虫蛀等缺点。木材易于加工，通过加工处理，可以克服或减轻各向异性、含水率和天然疵病等对性能的不良影响。,沥青沥青是高分子碳氢化合物及其非金属（氧、氮、硫等）衍生物组成的极其复杂的混合物，在常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或液体的有机胶凝材料。具有良好的粘性、塑性、耐腐蚀性和憎水性。,改性石油沥青改性石油沥青是指掺加高分子聚合物（橡胶、树脂、磨细的橡胶粉）或其他填料等改性剂，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青的性能得以改善而制成的沥青。土木工程常用的有氧化改性沥青、矿物填充料改性沥青和聚合物改性沥青。,合成高分子材料合成高分子材料是指其基本组成物质为人工合成高分子化合物的各种材料。合成高分子化合物的分子往往由许多相同的、简单的结构单元，通过共价键重复连接而成。合成高分子材料主要包括合成树脂、合成橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂等。,复合材料由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质以不同方式组合，而得到一种具有复合效果的多相固体材料成为复合材料。由连续相的基体材料（树脂基、金属基、陶瓷基）和分散相的增强材料（各种纤维、织物、粉末和颗粒物）所组成。,纤维增强塑料纤维增强塑料是以树脂为基体材料，添加纤维作为增强材料的复合材料。常用的纤维材料有玻璃纤维、碳纤维、合成纤维等，目前用得最多的是玻璃纤维和碳纤维。常用的合成树脂有酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等，用量最大的为不饱和聚酯树脂。,纤维增强混凝土以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属纤维、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料称为纤维增强混凝土。以钢纤维为增强材料的为钢纤维混凝土。,土木工程材料与工程结构,工程结构的类别,按工程结构所用的主要结构材料，土木工程结构分为：砌体结构混凝土结构钢结构木结构膜结构,土木工程材料特性与建筑物的风格,天然石材天然石材具有很高的抗压强度、优良的耐久性，外观朴实，性能稳定，由天然石材建造的建筑物有以下特点和风格：具有永久性，构成社会资本石材建筑物的同一性石材建筑的艺术性（简洁、有力、凝重、质朴）现代人对石材建筑物的依恋,各种天然石材的建筑,各种天然石材的建筑,各种天然石材的建筑,粘土砖、瓦由粘土烧制的块状材料，有青砖和红砖，粘土砖的特点与建筑风格如下：性质稳定、具有信赖感块体小、重量轻、易于施工外形规则，井然有序具有承重、保温兼美观功能消耗大量粘土、占用农田,木材木材属于天然材料，性能稳定，外观朴实，深受人们喜爱，木材具有以下特点：属暖性材料,给人以亲近感是轻而强的材料耐久性良好加工性能良好装饰性能好,钢材钢是含碳较低的铁合金，钢材的性能及钢结构物的风格如下：具有高的抗拉和抗压强度比强度较高韧性好、抗冲击能力强外表轻巧、华美,具有光泽容易腐蚀耐火性差,混凝土混凝土是由胶凝材料和骨料制成的人造石材；技术上有以下性能特点：原材料来源丰富，造价低廉可塑性好，可浇筑任意形状和尺寸抗压强度高，最高可达800MPa与钢材的粘结力强耐久性和耐火性能好生产能耗低,采用混凝土建造的建筑物的外观特性：雄厚、坚实、稳重有力的外观笨重、脆硬、缺乏形体美粗糙、碱性，触觉性能不良色彩灰暗、视觉性能不良,玻璃玻璃是碱金属硅酸盐和碱土硅酸盐的固溶体，其主要性能特点是透明性好，坚硬、强度高，化学稳定性好，隔热保温性较好；可深加工成具有各种特殊性能的品种。玻璃用于建筑物有以下特点：具有轻快感、机能美具有现代化气息可增加豪华感，给人大空间感,土木工程材料与高层建筑,高层建筑结构高层建筑的结构材料钢结构（S结构）钢筋混凝土结构（RC结构）钢-钢筋混凝土组合结构（SRC结构）外墙结构形式和材料铝合金幕墙玻璃幕墙混凝土幕墙,土木工程材料与桥梁结构,天然材料木桥,石桥,金属材料,混凝土、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土,钢管混凝土,土木工程材料与道路结构,路面材料与道路结构变化古代的道路及其材料将原地的土、砂或石就地压实、修整而成。其中，古罗马时期，主要采用天然石料、砾石、砂、石灰、火山灰等修筑的罗马道路最著名。,罗马道路的构成,近代道路的发展法国、英国、俄国将罗马道路进行改良，以卵石、碎石为主体材料，加入少量胶凝材料铺筑路面。也有采用砖块、木块代替石块铺筑路面。1833年英国开始采用煤沥青和碎石铺筑路面。现代高速公路的发展采用石油沥青和硅酸盐水泥铺筑沥青路面和水泥混凝土路面。,路面材料与道路性能沥青路面沥青混凝土路面的性能特点:路面变形性能好，可不设缝路面连续性和平整度好，行车舒适路面柔韧性好，噪声低维修方便，可再生路面温度稳定性较低，有老化现象,沥青及沥青混凝土的改性沥青的改性聚合物改性沥青（树脂、橡胶）混合沥青矿物粉改性沥青沥青混凝土的改性改性沥青混凝土沥青玛蹄脂碎石纤维沥青混合料,水泥混凝土路面强度高、刚度大、整体性好水稳定性和温度稳定性好耐久性好，可用2040年有接缝、行车舒适性较差开放交通较迟、修复困难,水泥混凝土路面面层的种类普通混凝土钢筋混凝土连续配筋混凝土钢纤维混凝土混凝土预制块,新型路面材料与结构透水性路面材料低噪音、柔性路面材料含纸浆的高粘附性路面半柔性沥青混凝土路面,路面材料与城市景观天然石块路面天然碎石或卵石水泥混凝土路面烧土制品类路面材料木砖路面材料合成树脂彩色铺装弹性路面,室内装饰材料与室内环境,现代人对居住环境的要求安全性：承重、抗震、防火、防水等防御性：抵御风、雨、雪、雹，防盗、防侵入私密性：隔音性、密闭性、保护性耐久性：抗老化、抗风化、抗蛀蚀等,健康性空气清鲜、光线充足、温湿度适宜舒适性宽敞、舒适、富有情趣方便性布局合理、使用方便美观性外表美观、色彩宜人、格调高雅,室内环境评价要素视觉环境包括物理上的视觉环境和心理上的视觉环境物理上的视觉环境包括室内的明暗程度、炫目程度、采光或光照质量、表面色彩、质地和花纹及建筑设备的美观等心理上的视觉环境包括窗的面积、顶棚高度、窗外景观，室内的宽敞程度、整体的色彩、格调等,湿热环境室内湿热环境包括物理上的和心理上的温热环境物理上的湿热环境包括温度(20240C)、湿度（R.H20%40%)、气流(流速0.15m/s)等心理上的湿热环境包括光线的充足程度，灯光的总色调和表面的色调等暖色系（淡