土木工程概论 第9章 土木工程材料(2016)

1、土木工程材料土木工程材料第九章第九章 土木工程材料土木工程材料 主要内容 1 概述 2 古代土木工程时期的原始材料 3 近代土木工程中的人造材料 4 现代土木工程中的高性能材料 5 未来土木工程中的新材料 概述概述概述概述 任何土木工程建（构）筑物（包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等）都是用材料按一定的要求打造成的，土木工程中所使用的各种土木工程中所使用的各种材料都统称为土木工程材料。材料都统称为土木工程材料。 长期以来人类一直在从事着土木工程材料的各类研究工作，并不断开发新的材料。几乎世界上的各种材料都可用作土木工程材料。 砖、瓦和石灰砖、瓦和石灰的出现被认为是建筑结构的第一次飞跃；混

2、凝土混凝土的大量应用是建筑结构的第二次飞跃；钢材钢材的大规模应用是建筑结构的第三次飞跃。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料1 1、木材、木材品种：品种： 针叶树材：杉木及各种松木、云杉和冷杉等，一般树干高大，纹理通直，易加工，易干燥，开裂和变形较小，适于作结构用材。 阔叶树材：栎木、水曲柳、香樟、檫木及各种桦木、楠木和杨木等，质地坚硬、纹理色泽美观，适于作装修用材。类型：类型：圆材、方材、条材、板材等。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料影响木材强度的主要因素：影响木材强度的主要因素：木材是有机各向异性材料，

3、木材的顺纹抗拉和抗压强度均较高，但横纹抗拉和抗压强度较低。一般含水率高，强度降低。温度高，强度降低。持续荷载时间长，强度下降。木材的缺陷，如木节、腐朽、裂纹、翘曲、病虫害等。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料 应用特点：应用特点：结构自重小、制作容易，架设简便，工期快，造价便宜；但易燃、易腐朽，结构变形较大等。 木材在结构工程主要用于构架和屋顶，如梁、柱、板、斗拱等；在建筑工程中还常用作混凝土模板及木桩等，在装饰工程中用作木地板、护壁板和加工成型材等。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料2 2、石材、石材 类

4、型：类型：毛石、料石、饰面石材、色石渣 。 毛石：形状不规划的石块，可用于砌筑基础、堤坝、挡土墙等，或毛石混凝土的骨料。 料石：一般由致密均匀的砂岩、花岗岩等加工的较规则的六面体石块，主要应用于建筑物的基础、勒脚、墙体部位及用作镶面材料。 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称为饰面石材。 色石渣：作为骨料主要用于人造大理石、水磨石、水刷石、干粘石、斩假石等建筑物面层的装饰工程。 古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料石材的力学性能石材的力学性能： 优点：密度大、坚硬、抗压性较好的特点，一般能够承受诸多外力的破坏，如重力、震动、风力、温度变化、磨损

5、、荷重等，所以大量地应用于建筑的基础和柱子等受力构件和部位。 缺点：由于石材是脆性材料，不具备作为梁结构所需的抗弯性能，因而在解决空间跨度方面的能力较为有限，石材仅可做跨度不大的梁。石材的应用特点：石材的应用特点： 具有良好的装饰性能，可适用公共场所及室外的装饰。 具有优良的加工性能：锯、切、磨光、钻孔、雕刻等。 耐磨性能好，热膨胀系数小，不易变形，受温度影响极微。 弹性模量大，刚性好，内阻尼系数大，能防震，减震等等，诸多的优良性能。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料3 3、石灰和石膏、石灰和石膏 土木工程中用胶凝材料将散粒材料或块状材料粘结为一个整体。石灰和石膏是一种石灰和

6、石膏是一种无机胶凝无机胶凝材料。材料。 石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。石灰石的主要成分是碳酸钙，将石灰石煅烧，碳酸钙将分解成为生石灰（氧化钙），加水后形成熟石灰（氢氧化钙）。 石灰应用范围很广，由于其原料分布广，生产工艺简单，成本低廉，在土木工程中应用广泛，可制石灰乳和砂浆；石灰稳定土；硅酸盐制品。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料 建筑石膏，型半水石膏又称熟石膏。 在建筑石膏制品内部有大量的毛细孔隙，导热系数小，吸声性较好，防火性好，属于轻质保温材料；具有较强的吸湿性能，所以对室内的空气湿度有一定的调节作用。 建筑石膏是土木工程中使用最多的石膏品种，应用很广

7、，除用于室内抹面、粉刷外，更主要的用途是制成各种石膏制品，其表面光滑、细腻、尺寸精确、形体饱满、装饰性好。 古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料4 4、瓦（屋面材料）、瓦（屋面材料） 瓦：一般指粘土瓦，以粘土（包括页岩、煤矸石等粉料）为主要原料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而制成。 粘土瓦的生产工艺与粘土砖相似，但对粘土的质量要求较高，如含杂质少，塑性高，泥料均化程度高等。中国目前生产的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料5 5、砖（砌筑材料）、砖（砌筑材料） 砖是一种常用的砌筑材料。制砖的原料容易取得，生产工艺比较简单，价格低、体积

8、小便于组合，粘土砖还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点。所以至今仍然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中。 但是由于生产传统粘土砖毁田取土量大、能耗高、砖自重大，施工生产中劳动强度高、工效低，因此有逐步改革并用新型材料取代的必要。有的城市已禁止在建筑物中使用粘土砖。国内外都在研制非烧结砖。加入少量水泥或石灰作固结剂及微量外加剂和适量水混合搅拌压制成型，自然养护或蒸养一定时间即成。古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料分类：分类： 按生产工艺：按生产工艺：烧结砖和非烧结砖。 按所用原材料：按所用原材料：粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等。 按有无孔洞：按有无孔洞：空心

9、砖、多孔砖和实心砖。 标准实心砖标准实心砖古代土木工程时期的原始材料古代土木工程时期的原始材料砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程的大宗材料。根据粗细程度不同又粗细程度不同又有粗砂、中砂、细砂之分。有粗砂、中砂、细砂之分。 6、砂砂由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成，粒径在5mm以下的岩石颗粒。由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉状物多，一般不用。人工砂：人工砂：天然砂天然砂：近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料水泥水泥 分类：分类：水泥按其用途及性能按其用途及性能分为三类：通用水泥, 专用水泥, 特性水泥。 水泥按

10、其主要水硬性物质名称按其主要水硬性物质名称分为：硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，氟铝酸盐水泥，磷酸盐水泥，以火山灰或水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥。 特性：特性：水泥是粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性浆体，能在空气中和水中凝结硬化，可将其它材料胶结成整体，并形成坚硬石材的材料 。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料不同水泥的性能和应用不同水泥的性能和应用硅酸盐系水泥的性能比较表近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料硅酸盐系水泥的选用硅酸盐系水泥的选用近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料 沥青、沥青制品与其他防水材料沥青、沥青制品与其他防

11、水材料 沥青、沥青制品：沥青、沥青制品：应用于道路工程、防水材料（房屋建筑）、防腐材料。 防水材料：防水材料：沥青类、高聚合物改性沥青、橡胶、合成高分子。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料 玻璃、陶瓷制品玻璃、陶瓷制品 玻璃：玻璃：具有采光和防护功能，是良好的吸声、隔热及装饰材料。又分为平板玻璃、装饰玻璃、安全玻璃、玻璃砖、玻璃纤维。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料 陶瓷：陶瓷：由适当成分的粘土经成型及烧结而成的较密实材料，主要品种有：陶瓷锦砖（马赛克）、陶瓷墙地砖、陶瓷釉面砖、卫生陶瓷。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料混凝土混凝土 简写砼，是当代

12、最主要的土木工程材料之一。混凝土是由胶结材料，骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。 发展历史发展历史 1824年Aspdin发明了波特兰水泥（硅酸盐水泥），以水泥作为胶凝材料的混凝土开始问世。 1850年钢筋混凝土问世。 1928年预应力混凝土问世。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料类型：类型：水泥混凝土、轻混凝土、沥青混凝土等。强度：强度：混凝土的强度等级一般为：C20C40应用：应用：混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。近代土木工程中的人造材料近

13、代土木工程中的人造材料土木工程用钢材土木工程用钢材 土木工程钢材可划分为钢结构用材钢结构用材和钢筋混凝土用材钢筋混凝土用材两大类。评价：评价： 材质均匀、强度高、塑性好、便于加工安装；缺点是耐火性差，易于锈蚀，维护费用较高。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料钢结构用钢材钢结构用钢材我国钢结构用钢材的钢类主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢。主要有Q235(A3钢)、Q315(16Mn钢)。 碳素结构钢：一般结构钢及工程用热轧板、管、带、型、棒材。 低合金结构钢：普通低合金结构钢一般是在普通碳素钢的基础上，少量添加若干合金元素而成，在诸如大跨度桥梁、大型柱网构架、电视塔、大型厅馆中成

14、为主体结构材料。近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料槽钢槽钢钢管钢管钢管钢管工字钢工字钢近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料钢筋混凝土用钢材钢筋混凝土用钢材 钢筋混凝土用的钢材主要指钢筋，钢筋是土木工程中使用最多的钢材品种之一。 钢筋混凝土是指配置钢筋的混凝土。 预应力混凝土一般指预应力钢筋混凝土。 近代土木工程中的人造材料近代土木工程中的人造材料线材（钢筋、钢丝等）在工程中的应用现代土木工程中的高性能材料现代土木工程中的高性能材料现代土木工程中的高性能材料现代土木工程中的高性能材料高性能结构钢高性能结构钢 高性能结构钢主要是通过调整和控制钢冶炼过程中的化学组分和通过对钢材进行控温控轧技术来生产的。 高性能结构钢在强度、低温耐冲击性、耐疲劳性、断裂韧性、可焊性以及耐腐蚀性等方面，都比普通结构钢有不同程度的改善。高性能复合材料高性能复合材料 高性能复合材料通常所指玻璃纤维增强塑料（俗称“玻璃钢”）。高强高性能混凝土高强高性能混凝土 高强高性能混凝土有：高强混凝土、纤维增强混凝土（防开裂）、聚合物混凝土