第2章 土木工程材料

1、土木工程概论土木工程概论第二章 土木工程材料本章内容本章内容2.1 土木工程的基本性质2.2 传统土木工程材料2.3 近代土木工程材料 2.4 现代土木工程材料2.1土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质定义：定义：任何土木工程建（构）筑物（包括道路任何土木工程建（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、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材料都统定的要求打造成的，土木工程中所使用的各种材料都统称为称为土木工程材料土木工程材料。长期以来人类一直在从事着土木工程材料的各类长期以来人类一直在从事着土木工程材料的各类

2、研究工作，并不断开发新的材料。几乎研究工作，并不断开发新的材料。几乎世界上的各种材世界上的各种材料都可用作土木工程材料料都可用作土木工程材料。 土木工程材料的分类方法：土木工程材料的分类方法： 1 1、一般分为、一般分为金属材料金属材料和和非金属材料非金属材料两大类。两大类。具体见具体见P20P20的表的表1-11-1。 2 2、按功能分类，一般分为结构材料、按功能分类，一般分为结构材料( (承受荷载的基础、承受荷载的基础、柱、柱、) )和功能材料和功能材料( (如起围护作用的材料、起防水作用的材如起围护作用的材料、起防水作用的材料、起装饰作用的材料、起保温隔热作用的材料等料、起装饰作用的材料

3、、起保温隔热作用的材料等) )。 3 3、按、按用途分类用途分类，如建筑结构材料、桥梁结构材料、水，如建筑结构材料、桥梁结构材料、水工结构材料、路面结构材料、建筑墙体材料、建筑装饰材工结构材料、路面结构材料、建筑墙体材料、建筑装饰材料、建筑防水材料、建筑保温材料等。料、建筑防水材料、建筑保温材料等。 关于土木工程材料的基本性质有关于土木工程材料的基本性质有工程材料工程材料课程。课程。因此，本课程主要从以下几个方面来了解工程材料的基本因此，本课程主要从以下几个方面来了解工程材料的基本知识。知识。一、材料的基本物理性质一、材料的基本物理性质(1)(1)材料的密度、表观密度和堆积密度。材料的密度、表

4、观密度和堆积密度。(2)(2)孔隙率和空隙率。孔隙率和空隙率。(3)(3)亲水性和憎水性。亲水性和憎水性。(4)(4)吸湿性和吸水性。吸湿性和吸水性。(5)(5)耐水性。耐水性。(6)(6)抗渗性与抗冻性。抗渗性与抗冻性。(7)(7)导热性、热容量和耐燃性。导热性、热容量和耐燃性。1.1.强度强度 在外力作用下，材料抵抗破坏的能力在外力作用下，材料抵抗破坏的能力称为称为强度强度。据外力作用方式的不同，材料。据外力作用方式的不同，材料的强度有的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度抗压强度、抗拉强度、抗弯强度( (或抗折强度或抗折强度) )及抗剪强度及抗剪强度等形式。等形式。二、材料的基本力学性质二

5、、材料的基本力学性质2.2.弹性与塑性弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性弹性。材料在外力作用下产生变形，当外。材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的性质称为材料的塑性塑性。弹性变形与塑性变。弹性变形与塑性变形的形的区别区别在于，前者为在于，前者为可逆变形可逆变形，后者为，后者为不可逆变不可逆变形。材料的弹性与塑性与材料承形。材料的弹性与塑性与材料承受的荷载大小有关。受的荷载大小有关。3.3.韧性与脆性

6、韧性与脆性 材料受外力作用，当外力达一定值时，材料受外力作用，当外力达一定值时，材料突然发生破坏，且破坏时无明显的塑性材料突然发生破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为变形，这种性质称为脆性脆性。材料在冲击或振。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性韧性。4.4.硬度硬度 硬度硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用力。金属材料等的硬度常用压入法测定压入法测定，如布，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来

7、氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用表示。陶瓷等材料常用刻划法测定刻划法测定。一般情况。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。材料的强度。 三、材料的耐久性与环境三、材料的耐久性与环境协调性协调性1.1.材料的耐久性材料的耐久性 材料在长期使用过程中，能保持其原有性能材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，称为而不变质、不破坏的性质，称为耐久性耐久性。它是一。它是一种复杂的、综合的性质，包括材料的种复杂的、综

8、合的性质，包括材料的抗冻性、耐抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。等。 材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些还要受到环境中各种自然因素的破坏作用，这些破坏作用可分为破坏作用可分为物理作用、化学作用和生物作用物理作用、化学作用和生物作用。要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，要根据材料所处的结构部位和使用环境等因素，综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特综合考虑其耐久性，并根据各种材料的耐久性特点，合理地选用。点，合理地选用。2.2.材料的环境协调性材料的环境协调性 土木工

9、程材料的环境协调问题日益受到重视。土木工程材料的环境协调问题日益受到重视。材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生废物的利用、减少三废的产生、使用中减少对环使用中减少对环境的污染境的污染以及以及废弃时有较高的可回收率废弃时有较高的可回收率。四、材料的组成、结构、构造及其对性能的四、材料的组成、结构、构造及其对性能的影响影响1.1.材料的微观结构及其对材料性质的影响材料的微观结构及其对材料性质的影响 材料的微观结构材料的微观结构是指物相的种类、

10、形是指物相的种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的态、大小及其分布特征。它与材料的强度、强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等等重要性质有重要性质有着密切关系着密切关系。土木工程材料的。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为本上可分为晶体、玻璃体、胶体晶体、玻璃体、胶体三类，不三类，不同结构的材料各具不同特性。材料的化学同结构的材料各具不同特性。材料的化学组成相同，微观结构的区别将导致材料性组成相同，微观结构的区别将导致材料性能的较大差异。能的较大差异。2.2.材料的宏观构造及其对性能的影响材料的

11、宏观构造及其对性能的影响 材料的宏观构造材料的宏观构造是指可用肉眼观察到是指可用肉眼观察到的外部和内部结构。土木工程材料常见的的外部和内部结构。土木工程材料常见的构造形式有构造形式有: :密实构造、多孔构造、纤维密实构造、多孔构造、纤维构造、层状构造、散粒构造和纹理构造构造、层状构造、散粒构造和纹理构造。2.2 传统土木工程材料传统土木工程材料.1自然石自然石1 1）成岩条件）成岩条件岩浆岩、沉积岩、变质岩岩浆岩、沉积岩、变质岩2 2）表观密度）表观密度重岩（花岗岩、砂岩、石灰石）重岩（花岗岩、砂岩、石灰石）轻岩（贝壳石灰岩、凝灰岩）轻岩（贝壳石灰岩、凝灰岩）3 3）加工情况）

12、加工情况料石、毛石料石、毛石分类分类2.2.2 砖砖的分类：标准砖标准砖多孔砖多孔砖（ http:/ ）砌块砌块（ http:/ 1）分类）分类烧结砖烧结砖非烧结砖非烧结砖灰砂砖、灰砂砖、 粉煤灰砖等粉煤灰砖等2.2 传统土木工程材料传统土木工程材料2.2.3瓦瓦（秦砖汉瓦秦砖汉瓦）瓦是屋面材料。瓦是屋面材料。2.2.4 砂砂一般分为：天然砂和人天然砂和人工砂。工砂。由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成，粒径在5 mm以下的岩石颗粒，称为天然砂。人工砂是由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉状物多，一般不用。 砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度。通常有粗砂、中砂、细砂粗砂、

13、中砂、细砂之分。黄砂2.2.5 灰 建筑材料中，凡是自身经过一系列物理、化学作用，或与其他物质（如水等）混合后一起经过一系列物理、化学作用，能由桨体变成坚硬的固体，并能将散粒材料（如砂、石等）或块、片状材料（如砖、石块等）胶结成整体的物质，称为胶凝材料胶凝材料。2.2.5 灰 胶凝材料按其化学组成，可分为有机胶凝材料(如沥青、树脂等)与无机胶凝材料（ inorganic cementing material） (如石灰、水泥等)。 无机胶凝材料又称矿物胶凝材料，它根据硬化条件可分为气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并且只能在空气中保持或发展其强度，如石膏、石灰等；

14、水硬性胶凝材料则不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并发展其强度，如水泥。 无机胶凝材料无机胶凝材料1 1、石灰、石灰1.1.石灰的生产及分类石灰的生产及分类(1)(1)生石灰粉。生石灰粉。石灰在制备过程中，采用石灰石、白云石灰在制备过程中，采用石灰石、白云石、白要、贝壳等原料经锻烧后，即得到块状的生石灰。石、白要、贝壳等原料经锻烧后，即得到块状的生石灰。生石灰粉是由块状生石灰磨细生成。生石灰粉是由块状生石灰磨细生成。(2)(2)消石灰粉。消石灰粉。将生石灰用适量水经消解和干燥而成粉将生石灰用适量水经消解和干燥而成粉末，主要成分为末，主要成分为Ca(OH)2Ca(OH)2，称为消石灰粉

15、。，称为消石灰粉。(3)(3)石灰膏。石灰膏。将块状生石灰用过量水将块状生石灰用过量水( (为生石灰体积为生石灰体积3-43-4倍倍) )消解，或将消石灰粉和水拌和，所得到的一定稠度消解，或将消石灰粉和水拌和，所得到的一定稠度的膏状物，主要成分为的膏状物，主要成分为Ca(0H)2Ca(0H)2和水。和水。2.2.石灰的熟化与硬化石灰的熟化与硬化生石灰生石灰(Ca0)(Ca0)与水反应生成氢氧化钙的过程称为石灰的与水反应生成氢氧化钙的过程称为石灰的熟化。石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化两个过程，熟化。石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化两个过程，后者过程缓慢。后者过程缓慢。3.3.石灰的性质与技术要

16、求石灰的性质与技术要求石灰的主要性质有石灰的主要性质有: :可塑性好可塑性好; ;硬化较慢、强度低硬化较慢、强度低; ;硬化硬化时体积收缩大时体积收缩大; ;耐水性差耐水性差; ;吸湿性强。吸湿性强。4.4.石灰的应用石灰的应用石灰在建筑上的用途很广，主要用于制作石灰乳涂料配石灰在建筑上的用途很广，主要用于制作石灰乳涂料配制混合砂浆、拌制石灰土和石灰三合土生产硅酸盐制品制混合砂浆、拌制石灰土和石灰三合土生产硅酸盐制品等。等。无机胶凝材料无机胶凝材料二、石膏二、石膏1.1.石膏的种类石膏的种类(1)(1)天然二水石膏。天然二水石膏。(2)(2)化工石膏。化工石膏。(3)(3)天然无水石膏。天然无

17、水石膏。(4)(4)建筑石膏建筑石膏( (半水石膏半水石膏) )。(5)(5)高强石膏。高强石膏。2.2.建筑石膏的性质与应用建筑石膏的性质与应用 土木工程中使用最多的石膏品种是土木工程中使用最多的石膏品种是建筑石膏建筑石膏，建，建筑石膏加水后拌制的浆体具有良好的筑石膏加水后拌制的浆体具有良好的可塑性、防火性可塑性、防火性能、隔热性能和吸声性能能、隔热性能和吸声性能，并具有良好的，并具有良好的装饰性和可装饰性和可加工性加工性。建筑石膏的应用很广，除用于室内抹面、粉。建筑石膏的应用很广，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，广泛应用刷外，更主要的用途是制成各种石膏制品，广泛应用

18、于各种装修装饰工程。常见的石膏制品有于各种装修装饰工程。常见的石膏制品有: :纸面石膏纸面石膏板、石膏装饰板、纤维石膏板、石膏空心条板、石膏板、石膏装饰板、纤维石膏板、石膏空心条板、石膏空心砌块和石膏夹心砌块空心砌块和石膏夹心砌块等。石膏还可用来生产各种等。石膏还可用来生产各种浮雕和装饰品，如浮雕饰线、艺术灯圈、角花等。浮雕和装饰品，如浮雕饰线、艺术灯圈、角花等。石膏制品室内装饰2.2.6 木材木材的主要性质：木材的性质包括物理性质和物理性质和力学性质力学性质，如含水率、热胀干缩、密度、强度(抗拉、抗压、抗弯和抗剪等四种强度)，其中抗拉、抗压、抗剪强度又有顺纹和横纹之分。顺纹和横纹强度有很大的

19、差别。影响木材强度木材强度的主要因素：（1）含水率（一般含水率高，强度降低）；（2）温度（温度高，强度降低）；（3）荷载作用时间（持续荷载时间长，强度下降）；（4）木材的缺陷（木节、腐朽、裂纹、翘曲、病虫害等）。2.3 近代土木工程材料2.3.1 钢材一、钢材的分类一、钢材的分类 建筑钢材的产品种类一般分为型材、板材、管材型材、板材、管材和金属制品四类和金属制品四类。2.3.1 2.3.1 钢材钢材1 1、型材、型材 主要有角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车轨道、金角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车轨道、金属门窗、钢板桩型钢属门窗、钢板桩型钢等。槽钢钢管角钢工字钢H型钢2 2、板材、板材主要指钢结构用

20、钢钢结构用钢，建筑结构中主要采用中厚板与中厚板与薄板薄板。3 3、管材、管材主要用于桁架、塔桅桁架、塔桅等钢结构中。4 4、金属制品、金属制品土木工程中主要使用的产品有钢丝、钢丝绳以及预钢丝、钢丝绳以及预应力钢丝及钢绞线应力钢丝及钢绞线。二、土木工程用钢材二、土木工程用钢材土木工程钢材可划分为钢结构用材和钢筋混凝钢结构用材和钢筋混凝土用材两大类土用材两大类。1 1、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普通碳素结构钢和低合金结构钢结构钢和低合金结构钢。主要有Q235(A3钢)、Q345(16Mn钢)2.3.1 2.3.1 钢材钢材型钢制作的钢结构型钢制作的钢结构2 2、

21、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。钢筋等级：一级钢二级钢三级钢四级钢二级钢一级钢钢筋2.3.2 水泥水泥 细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既既能在空气中硬化，又能在水中硬化能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的牢固地胶结在一起的水硬性水硬性胶凝材料。胶凝材料。（1 1）定义）定义水泥按其用途及性能分为三类：通用水泥(通用水泥通用水泥是指用于一般土木建筑工是指用于一般土木建筑工程的硅酸盐系列水泥。程的硅酸盐系列水泥。 GB1752007规定的六大类水泥，即硅

22、酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥 ) ), 专用水泥(专门用途的水泥。如：G级油井水泥，道路硅酸盐水泥 ) ), 特性水泥(某种性能比较突出的水泥。如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥和磷酸盐水泥 ) )。2.3.3 混凝土与砂浆一、混凝土一、混凝土 简写砼（tong)，是当代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人造石材。 1 1、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

23、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混凝土运输车2.2.3 混凝土普通混凝土(1)普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、细骨料（砂）和水拌合，经硬化而成的一种人造石材。(2)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，包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚强的整体。 2、混凝土的种类、混凝土的种类特种混凝土特种混凝土(1) 轻集料混凝土（轻质砼、轻骨料砼）、(2) 纤维增强混凝土（简称FRC） (3) 聚合物混凝土 (4) 道路混凝土（碾压砼

24、） (5) 自密实混凝土 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 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。 混凝土的主要技术性质混凝土的主要技术性质1)1)和易性和易性2)2)强度强度3)3)混凝土的变形混凝土的变形4)4)混凝土耐久性混凝土耐久性二、砂浆二、砂浆 砂浆砂浆是由胶凝材料、细骨料和水等材料按适当比是由胶凝材料、细骨料和水等材料按适当比例配制而成的。砂浆与混凝土的区别在于不含粗骨料，例配制而成的。砂浆与混凝土的区别在于不含粗骨料，可认为砂浆是混凝土的一种特例，也可称为可认为砂浆是混凝土的一种特例，也可称为细骨料混细骨料混凝土凝土。砂浆常用的胶凝材料有水泥、石灰、石膏。砂浆常用的胶凝材料有水泥、石灰、石膏。 按胶凝材料不同砂浆分为按胶凝材料不同砂浆分为水泥砂浆、石灰砂浆和水泥砂浆、石灰砂浆和混合砂浆混合砂浆。混合砂浆有。混合砂浆有水泥石灰砂浆、水泥豁土砂浆水泥石灰砂浆、水泥豁土砂浆和石灰豁土砂浆和石灰豁土砂浆等。等。 按用途分为按用途分为砌筑砂浆、抹面砂浆、装饰砂浆、防砌筑砂浆、抹面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆