土木工程概论—02土木工程材料

1、土木工程概论土木工程概论第第2章章 土木工程材料土木工程材料2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料早期使用的土木工程材料主要有砖、瓦、砂、石、灰、木材等。2.1.1 2.1.1 砖砖优点：优点：制砖原料容易取得，生制砖原料容易取得，生产工艺简单、价格低、体积小，产工艺简单、价格低、体积小，便于组合，且结构的耐久性和便于组合，且结构的耐久性和耐候性好。耐候性好。标准粘土砖标准粘土砖240mm240mm115mm115mm53mm53mm）多孔砖多孔砖炉渣砖炉渣砖粉煤灰砖粉煤灰砖2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.1 2.1.1 砖砖缺点：缺点：粘土砖取土毁田量大、能

2、耗高、自重大、施工生产劳粘土砖取土毁田量大、能耗高、自重大、施工生产劳动强度高、工效低。动强度高、工效低。页岩页岩烧结页岩砖烧结页岩砖2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.2 2.1.2 瓦瓦瓦瓦是屋面材料，种类众多，早期常用的是小青瓦。按成分分为：是屋面材料，种类众多，早期常用的是小青瓦。按成分分为：粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、玻璃钢瓦、聚粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、玻璃钢瓦、聚乙烯瓦、沥青瓦；按形状分为平瓦和波形瓦乙烯瓦、沥青瓦；按形状分为平瓦和波形瓦小青瓦屋面小青瓦屋面小青瓦小青瓦2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.3 2

3、.1.3 石材石材石材石材是最古老的土木工程材料之一，天然石材具有是最古老的土木工程材料之一，天然石材具有如下如下优点：优点：1）很高的抗压强度；）很高的抗压强度；2）良好）良好 的耐磨性和耐久性；的耐磨性和耐久性；3）加工后表面美观富于装饰性；）加工后表面美观富于装饰性；4）资源分布广、蕴藏量丰富、便于就地取材、生）资源分布广、蕴藏量丰富、便于就地取材、生产成本低等。产成本低等。2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.3 2.1.3 石材石材凡尔赛宫（凡尔赛宫（1661-16891661-1689）此外还有：此外还有：长城、长城、比萨斜塔比萨斜塔等著名建筑等著名建筑和遍布全国

4、的和遍布全国的石拱桥石拱桥2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.4 2.1.4 砂石砂石混凝土混凝土组成材料中，组成材料中，石子石子称为粗骨料，称为粗骨料，砂砂称为细骨料。石子除称为细骨料。石子除用作混凝土粗骨料外，也常用于路桥工程和铁道工程的路基道用作混凝土粗骨料外，也常用于路桥工程和铁道工程的路基道渣等。石子分碎石和卵石。渣等。石子分碎石和卵石。碎石碎石（由天然岩石或卵石经破碎、筛（由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得粒径大于分而得粒径大于5mm5mm的岩石颗粒）的岩石颗粒）卵石卵石（岩石经自然条件作用而形成的（岩石经自然条件作用而形成的粒径大于粒径大于5mm5mm的颗粒）的

5、颗粒）2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.4 2.1.4 砂石砂石砂砂是是混凝土混凝土和和砂浆砂浆的主要组成材料之一，一般分天然砂和人工的主要组成材料之一，一般分天然砂和人工砂两类。砂两类。天然砂天然砂（由自然条件作用而形成的粒径在（由自然条件作用而形成的粒径在5mm5mm以下的岩石颗粒）以下的岩石颗粒）按产源分：按产源分：山砂山砂、河砂河砂和和海砂海砂；按粗细程度分：按粗细程度分：粗、中、细砂粗、中、细砂2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.5 2.1.5 灰灰灰灰是指是指石灰石灰和和石膏石膏。1 1、石膏、石膏石膏具有如下特性：石膏具有如下特性： 建筑

6、石膏加水拌制的浆体具有良好的可塑性；建筑石膏加水拌制的浆体具有良好的可塑性； 建筑石膏的凝结速度快，加水几分钟后即可失去流动性，建筑石膏的凝结速度快，加水几分钟后即可失去流动性，30min30min产生强度；产生强度； 凝结硬化时，体积不收缩，且有约凝结硬化时，体积不收缩，且有约1%1%的体积膨胀；的体积膨胀；石膏制品的石膏制品的优点优点：轻质、新颖、美观和价廉等：轻质、新颖、美观和价廉等缺点：缺点：但强度低、耐水性能差但强度低、耐水性能差2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.5 2.1.5 灰灰灰灰是指是指石灰石灰和和石膏石膏。2 2、石灰、石灰石灰是土木工程界较早使用的矿

7、物胶凝材料之一；石灰是土木工程界较早使用的矿物胶凝材料之一；石灰石经高温煅烧后，碳酸钙将分解成为石灰石经高温煅烧后，碳酸钙将分解成为生石灰（氧化钙）；生石灰（氧化钙）；生石灰加水消解成为生石灰加水消解成为消石灰（氢氧化钙）；消石灰（氢氧化钙）；工程界一般使用的是工程界一般使用的是消石灰。消石灰。2.1 2.1 早期土木工程材料早期土木工程材料2.1.6 2.1.6 木材木材木材木材是一种古老的工程材料。是一种古老的工程材料。木材的木材的优点：优点：轻质、高强、易于加工、有较好的弹性和韧轻质、高强、易于加工、有较好的弹性和韧性、能承受冲击和振动作用、导电和导热性能低、木纹美性、能承受冲击和振动作

8、用、导电和导热性能低、木纹美丽装饰性好等丽装饰性好等；木材的木材的缺点：缺点：构造不均匀、各向异性，易吸湿吸水，产生构造不均匀、各向异性，易吸湿吸水，产生较大的湿胀、干缩变形，易燃易腐等；较大的湿胀、干缩变形，易燃易腐等；2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料2.2.1 2.2.1 钢材钢材19世纪初，钢材世纪初，钢材开始用于建造桥梁和房屋。开始用于建造桥梁和房屋。钢材的钢材的优点：优点：强度高、构件截面尺寸小、金属材料具有光强度高、构件截面尺寸小、金属材料具有光泽，外表华美，质地坚实，具有良好的加工性能泽，外表华美，质地坚实，具有良好的加工性能；钢材的钢材的缺点：缺点：易锈蚀、耐火

9、性差等；易锈蚀、耐火性差等；土木工程常用钢材的土木工程常用钢材的种类：种类：钢筋、钢丝、角钢、槽钢工字钢筋、钢丝、角钢、槽钢工字钢、钢板和管材等；钢、钢板和管材等；2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料2.2.2 2.2.2 水泥水泥1 1、定义及分类、定义及分类水泥水泥至今已有至今已有170多年历史，与钢材、木材一起并称为土木工多年历史，与钢材、木材一起并称为土木工程的三大基础材料。程的三大基础材料。水泥：水泥：是粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性浆体，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，可将其他材料胶结成整体，能在空气中和水中凝结硬化，可将

10、其他材料胶结成整体，并形成坚硬石材的材料并形成坚硬石材的材料；水泥的分类缺点：水泥的分类缺点：按用途及性能分：按用途及性能分：通用水泥、专用水泥、特性水泥；通用水泥、专用水泥、特性水泥；按其主要水硬性物质名称分：按其主要水硬性物质名称分：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥，硅酸盐水泥、铝酸盐水泥，氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥等；氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥等；2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料2 2、硅酸盐水泥、硅酸盐水泥 是由是由硅酸盐水泥硅酸盐水泥熟料、熟料、0%-5%石灰石或粒化高炉矿渣、石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。硅酸盐水泥为硅酸

11、盐水泥为干粉状干粉状，加适量水并拌合后便形成可塑性的，加适量水并拌合后便形成可塑性的水水泥浆体。泥浆体。水泥浆体水泥浆体在常温下变稠直至开始失去塑性，称为水泥的在常温下变稠直至开始失去塑性，称为水泥的初凝；初凝；随着塑性的消失，水泥浆开始产生强度，称为水泥的随着塑性的消失，水泥浆开始产生强度，称为水泥的终凝；终凝；水泥浆由初凝水泥浆由初凝终凝过程称为水泥的终凝过程称为水泥的凝结；凝结；水泥浆终凝后，其强度随时间的延长不断增长，并形成坚硬水泥浆终凝后，其强度随时间的延长不断增长，并形成坚硬的水泥石，这一过程称为水泥的硬化。的水泥石，这一过程称为水泥的硬化。2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木

12、工程材料2 2、其他品种水泥、其他品种水泥 （1）快硬硅酸盐）快硬硅酸盐水泥水泥以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料称为标号的水硬性胶凝材料称为快硬硅酸盐快硬硅酸盐水泥水泥。因其硬化速度快，故适用于因其硬化速度快，故适用于紧急抢修工程紧急抢修工程、低温施工工程低温施工工程等。等。但在运输和存储时应注意但在运输和存储时应注意防潮防潮，不能，不能与其他水泥混合使用与其他水泥混合使用，同时因其水化放热量大而迅速，不适合于同时因其水化放热量大而迅速，不适合于大体积混凝土工程。大体积混凝土工程。水泥浆体水泥浆体在

13、常温下变稠直至开始失去塑性，称为水泥的在常温下变稠直至开始失去塑性，称为水泥的初凝；初凝；2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料2 2、其他品种水泥、其他品种水泥 （2）白色硅酸盐）白色硅酸盐水泥水泥由白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材由白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为料，称为白色硅酸盐白色硅酸盐水泥（水泥（白水泥白水泥）。 （3）高铝）高铝水泥水泥是一种快硬、高强、耐热、耐腐蚀的胶凝材料，主要有早期强是一种快硬、高强、耐热、耐腐蚀的胶凝材料，主要有早期强度高、耐高温和耐腐蚀的特点。主要用于度高、耐高温和耐腐蚀的特点。主要用于工期紧急的工

14、程，如工期紧急的工程，如国防、道路和特殊抢修工程，也可用于冬期施工的工程国防、道路和特殊抢修工程，也可用于冬期施工的工程。 （4）膨胀）膨胀水泥水泥由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂磨细制成的的水硬性胶由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂磨细制成的的水硬性胶凝材料称为凝材料称为膨胀膨胀水泥水泥。适用于：适用于：大口径输水管和各种输油、输气管，有抗渗要求工程、大口径输水管和各种输油、输气管，有抗渗要求工程、要求补偿收缩的混凝土工程等。要求补偿收缩的混凝土工程等。2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料2.2.3 2.2.3 混凝土混凝土混凝土混凝土是由是由胶结材料（水泥浆）、骨料（粗集料即

15、碎石或卵石，胶结材料（水泥浆）、骨料（粗集料即碎石或卵石，细集料即砂）和水细集料即砂）和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材（条件下养护而成的人造石材（砼砼-tong）。）。混凝土强度等级：混凝土强度等级：是以混凝土英文名称是以混凝土英文名称Concrete的第一个字母的第一个字母加上其立方体抗压强度标准值来表达，如加上其立方体抗压强度标准值来表达，如C20即表示混凝土立即表示混凝土立方体抗压强度标准值为方体抗压强度标准值为20MPa； 我国一般采用我国一般采用150mm 150mm 150mm的标准立方体的标准立方体试块，也可

16、采用如下的非标准试块：试块，也可采用如下的非标准试块： 100mm 100mm 100mm（换算成标准试块强度时（换算成标准试块强度时 0.95），），200mm 200mm 200mm（换算成标准试块强度（换算成标准试块强度时时 1.05 ）2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料2.2.3 2.2.3 混凝土混凝土1 1、分类、分类按胶凝材料分：按胶凝材料分：水泥混凝土，沥青混凝土、石膏混凝土和聚合水泥混凝土，沥青混凝土、石膏混凝土和聚合物混凝土；物混凝土；按表观密度分：按表观密度分：重混凝土（重混凝土（ 2600kN/m3），普通混凝土），普通混凝土（ =1950 2600kN/

17、m3），轻混凝土（），轻混凝土（ 1950kN/m3）；）；按使用功能分：按使用功能分：结构用混凝土，道路混凝土，水工混凝土，耐结构用混凝土，道路混凝土，水工混凝土，耐热混凝土，耐酸混凝土和防辐射混凝土；热混凝土，耐酸混凝土和防辐射混凝土；按施工工艺不同分：按施工工艺不同分：喷射混凝土，泵送混凝土，振动灌浆混凝喷射混凝土，泵送混凝土，振动灌浆混凝土；土；此外为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，还可将混凝土与其他此外为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，还可将混凝土与其他材料复合，出现了钢筋混凝土，预应力混凝土和各种纤维混凝材料复合，出现了钢筋混凝土，预应力混凝土和各种纤维混凝土等。土等。2.2 2.2

18、近代土木工程材料近代土木工程材料2 2、普通混凝土、普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、细集料（砂）和水拌合，是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、细集料（砂）和水拌合，经硬化而成的一种人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用，经硬化而成的一种人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收缩；水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表并抑制水泥的收缩；水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并填充骨料间隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土面并填充骨料间隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好的工作性能，硬化后浆将骨料胶结在一起，形拌合物具有良好的工作性能，硬化后浆将骨料胶结在一起，

19、形成坚实的整体。成坚实的整体。3、特种混凝土、特种混凝土为满足工程特殊用途，在某些工程中经常使用如下特种水泥混为满足工程特殊用途，在某些工程中经常使用如下特种水泥混凝土：凝土：（1）轻骨料混凝土；（）轻骨料混凝土；（2）纤维混凝土（简称）纤维混凝土（简称FRC）；（）；（3）聚合物混凝土；（聚合物混凝土；（4）道路混凝土（碾压混凝土）；（）道路混凝土（碾压混凝土）；（4）自密）自密实混凝土。实混凝土。2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料4 4、钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土、钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土 是指配置是指配置钢筋钢筋的混凝土。为了克服的混凝土。为了克服混凝土抗拉强度低混凝

20、土抗拉强度低的弱的弱点，在其中合理配置（受拉区）钢筋可充分发挥点，在其中合理配置（受拉区）钢筋可充分发挥混凝土抗压强混凝土抗压强度高度高和和钢筋抗拉强度高钢筋抗拉强度高的各自特点，共同承担荷载并满足工程的各自特点，共同承担荷载并满足工程结构的需要。结构的需要。混凝土和钢筋能共同工作的原因：混凝土和钢筋能共同工作的原因：v 砼结硬后与钢筋牢固地粘结在一起，能相互传递应力砼结硬后与钢筋牢固地粘结在一起，能相互传递应力v 钢筋与砼有相近的线膨胀系数钢筋与砼有相近的线膨胀系数 钢筋：钢筋： c=1.210-5/ 砼：砼： c=1.010-5 1.510-5/ v 砼可以保护钢筋不被锈蚀。砼可以保护钢筋

21、不被锈蚀。2.2 2.2 近代土木工程材料近代土木工程材料4 4、钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土、钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土预应力钢筋混凝土是指：预应力钢筋混凝土是指：（1）构件受力前，构件受力前，在使用中受拉区预先施加预压应力；在使用中受拉区预先施加预压应力；（2）构件受力后，构件受力后，预先施加预压应力首先将全部或部分抵消预先施加预压应力首先将全部或部分抵消使用荷载作用的拉应力，从而延缓构件的开裂；使用荷载作用的拉应力，从而延缓构件的开裂；特别适用于大跨结构特别适用于大跨结构2.3 2.3 现代现代土木工程材料土木工程材料2.3.1 2.3.1 高强度混凝土高强度混凝土高强混凝土：高强混凝

22、土：混凝土强度等级在混凝土强度等级在C60级以上的泥混凝土，目前级以上的泥混凝土，目前实际工程中应用的最高强度等级已达实际工程中应用的最高强度等级已达C200； 高强混凝土是通过掺入超细活性掺合料，使他们在水泥高强混凝土是通过掺入超细活性掺合料，使他们在水泥浆中微细孔隙中水化，减少和填充混凝土中的毛细孔，达到增浆中微细孔隙中水化，减少和填充混凝土中的毛细孔，达到增密和增强的作用。密和增强的作用。优点：优点：强度高强度高缺点：缺点：比较脆，施工难度大比较脆，施工难度大2.3 2.3 现代现代土木工程材料土木工程材料2.3.2 2.3.2 高性能混凝土高性能混凝土高性能混凝土：高性能混凝土：是一种

23、能符合特殊性能综合与均匀性要求的混是一种能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种泥混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常凝土，此种泥混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。主要指标：主要指标：超高的强度、低渗透性、良好的结构性能、优越的超高的强度、低渗透性、良好的结构性能、优越的耐久性、可观的经济效益、环保性。耐久性、可观的经济效益、环保性。2.3 2.3 现代现代土木工程材料土木工程材料2.3.3 2.3.3 纤维混凝土纤维混凝土纤维混凝土：纤维混凝土：是在混凝土中加入合成材料纤维丝或钢纤维，是是在混凝土中加入合成材料纤维丝或钢纤维，是由纤维和水泥基料（水泥石、砂浆或混凝土）