土木工程概论第02章 土木工程材料

1、土木工程概论土木工程概论本 章 内 容 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 胶凝材料胶凝材料 2.3 2.3 砂浆和混凝土砂浆和混凝土 2.4 2.4 钢材钢材 2.5 2.5 木材木材 2.6 2.6 墙体材料墙体材料 2.7 2.7 功能材料简介功能材料简介2.1 2.1 概述概述 概念：概念：土木工程材料（下文简称“工程材料”）是修建道路、桥梁、房 屋、隧道、港口、市政工程等所用材料的统称 分类：分类： 有机材料、无机材料和复合材料 无机材料包括金属材料和非金属材料两大类。金属材料分为有色金属（如铝、铜、合金等）和黑色金属(如钢、铁)两大类。 结构材料、功能材料 新型工程材料特点：

2、新型工程材料特点： 复合 、多功能 、绿色 、节能 、轻质高强 、工业化 2.2 2.2 胶凝材料胶凝材料概念：概念：凡是能够在一系列物理、化学作用下，从浆状体变成坚固的石状体，并能胶结其他工程材料而具有一定机械强度的物质，称为胶凝材料。一、石灰一、石灰 石灰：石灰：主要成分为碳酸钙的石灰石在适当温度下煅烧，所得以氧化钙为主要成分的材料即石灰。 生石灰的“熟化”：土木工程中使用石灰时，通常将生石灰加水，使其消解成消石灰，这个过程称为生石灰的“消化”（又称“熟化”）。生石灰加水后生成消石灰细粒并放出大量热量，且熟化后体积可增大12.5倍。 特点：可塑性较好； 硬化速度慢、强度低； 保水性好，耐水

3、性差； 硬化时体积收缩大。 用途：配制石灰砂浆或混合砂浆，作为砌筑材料。 二、石膏二、石膏概念：概念：石膏的主要成分是硫酸钙。 特点特点：建筑石膏中含有许多自由水蒸发后留下的孔隙，故其表面密度小、绝热性好、吸声性强，但这也使其具有强度较低、吸水率较大、抗渗性和抗冻性差等缺点。 用途用途：建筑石膏除可用作室内抹灰、粉刷、水泥原料中的缓凝剂和激发剂外，更多则是用于制造各种石膏制品，如各类石膏板和石膏砌体等。 石膏板石膏板 石膏板是以建筑石膏为主要原料经制浆、浇筑、凝固、烘干等工 序制成的一种轻质板材。 纸面石膏板：纸面石膏板：纸面石膏板是在建筑石膏中掺入纤维材料和外加剂构 成芯材，两面用纸作护面而

4、成的一种轻质板材。 空心石膏条板：空心石膏条板：以建筑石膏为主要原料加入适量纤维材料，经拌和 成料浆、浇注成型、抽芯、干燥等工艺制成的轻质板材。 装饰石膏板：装饰石膏板：在建筑石膏中掺入适量纤维增强材料等，与水搅拌成 均匀的浆体，经浇筑、干燥而成的装饰板材。在浇筑时采用不同 的模具，可以获得不同花纹图案的正方形板材。 三、水泥三、水泥 硅酸盐水泥硅酸盐水泥l 概念：概念：凡由硅酸盐水泥熟料，05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，称为硅酸盐水泥。 l 初凝、终凝、凝结和硬化：初凝、终凝、凝结和硬化：水泥浆体在常温下会逐渐变稠直到开始失去塑性，但尚不具有强度的现象称为水泥的

5、初凝；随着塑性的消失，水泥浆体开始产生强度，此时称为水泥的终凝；水泥浆体由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结。水泥浆体终凝后，强度会随着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。 普通硅酸盐水泥：普通硅酸盐水泥： 由硅酸盐水泥熟料、6%20%混合材料、适量石膏磨细而制成的水硬性胶凝材料。其矿物组成成分和基本性能与硅酸盐水泥接近，是土木工程中应用最广泛的水泥品种。 其它品种水泥：其它品种水泥： 有特殊需要的水泥，如道路硅酸盐水泥、中低热水泥、快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥与彩色硅酸盐水泥等。四、沥青及其它胶凝材料四、沥青及其它胶凝材料 沥青：沥青： 沥青为憎水性材料，是由一些极

6、其复杂的高分子碳氢化合物 及其非金属衍生物所组成的暗褐色有机混合物。 l 分类：分类：天然沥青、石油沥青和焦油沥青三大类 l 用途：用途：道路工程、防水、防腐 橡胶：橡胶： 橡胶是一种在室温下具有较高弹性的高分子化合物。 l 特性：特性：优异的弹性变形能力，良好的抗拉强度、耐疲劳强度 、不透水性、不透气性、耐酸碱性和电绝缘性等。 l 用途：用途：防水材料、密封材料l 分类：分类：天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶 合成树脂：合成树脂： 合成树脂是由低分子原料单体（如乙烯、丙烯、氯乙烯等） 通过聚合反应结合成大分子而生成的高分子材料，是组成塑 料、涂料和胶粘剂的主要材料。 2.3 2.3 砂浆和混凝土

7、砂浆和混凝土一、砂浆一、砂浆 概念：概念： 砂浆是由一定比例的胶凝材料、细骨料、掺合料和水拌合而 成的土木工程材料 。l 分类：分类：砂浆按照砂浆中胶凝材料的不同分为水泥砂浆、石灰 砂浆、沥青砂浆、石膏砂浆和混合砂浆等。 砂浆按照用途则可分为砌筑砂浆、抹面砂浆、装饰砂 浆和特种功能砂浆等 砌筑砂浆：砌筑砂浆：用于砌筑砖、石、砌体的砂浆，或拼接、安装板 材成为墙体的砂浆，称为砌筑砂浆。 l 作用：作用：砌筑砂浆起着粘结块体材料、填充块材间的缝隙和传 递荷载的作用。 l 砂浆的和易性：砂浆的和易性：包含流动性和保水性两方面含义。l 砂浆强度划分：砂浆强度划分：M20、M15、M10、M7.5、M5

8、、M2.5等六个等级 抹面砂浆：抹面砂浆：抹面砂浆是指涂抹在建筑物或土木工程基底材料 表面的砂浆，具有保护基层和美观的作用。 l 一般抹面砂浆：一般抹面砂浆： 功能：抹平构件表面，保护结构主体免遭各种侵害，提高结 构的耐久性，延长使用寿命，改善结构的外观。 常用抹面砂浆：石灰砂浆、水泥砂浆、水泥混合砂浆、麻刀 石灰浆或纸筋石灰浆等。 l 装饰砂浆：装饰砂浆：涂抹在建筑物内外墙表面，具有美观装饰效果的 抹面砂浆称为装饰砂浆。 装饰砂浆所用水泥主要有：普通硅酸盐水泥、白色水泥、彩 色水泥等。白色水泥可配制白色或彩色砂浆。 l 防水砂浆：防水砂浆：用于防水层的砂浆叫做防水砂浆。防水砂浆可以 用普通水

9、泥砂浆来制作，也可以在水泥砂浆中掺入防水剂以 提高砂浆的抗渗能力。l 其它特种砂浆：其它特种砂浆：绝热砂浆、吸声砂浆、聚合物砂浆、耐酸砂 浆等二、混凝土二、混凝土 概念：概念： 混凝土是由胶凝材料、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。 l 优点：优点： (1) 可根据需要配制各种不同性质的混凝土。 (2) 可用不同型式的模板浇筑成需要的形状和尺寸。 (3) 和钢筋具有良好的粘结力，可保证二者共同工作。 (4) 硬化后抗压强度高、耐久性好。 (5) 生产工艺简单，价格低廉。 l 缺点：缺点：抗拉强度低、自重大 l 分类：分类：按混凝土所用胶凝材料种类的不同分

10、为水泥混凝土 （又叫普通混凝土）、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混 凝土等。 l普通混凝土强度普通混凝土强度 ： C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50 、C55、C60、C65、C70、C75、C80共十四个等级 。l 混凝土外加剂混凝土外加剂包括：包括：改善混凝土流变性的外加剂 、调节混凝土 凝结时间、硬化性能的外加剂 、改善混凝土耐久性的外加 剂 、改善混凝土其它性能的外加剂 二、新型水泥基材料二、新型水泥基材料 高性能混凝土：高性能混凝土：通常认为强度等级大于C50的混凝土称为高强混凝土。高强混凝土具有很高的抗压强度，可以大幅度提高土木工程受压构件的承载能力，同

11、时减少用钢量，其抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性等方面都优于普通混凝土。轻质混凝土：轻质混凝土：表观密度小于1950kg/m3的混凝土为轻质混凝土，与普通混凝土相比，轻质混凝土具有表观密度小、保温性好、抗震与抗裂能力强等优点。轻质混凝土变形较大、成本较高的缺点也很明显。 纤维增强混凝土：纤维增强混凝土：以普通混凝土为基材，掺入各种有机、无机或金属的短切纤维而制成的水泥基复合材料。纤维能有效阻止了普通混凝土在荷载作用下内部的微小裂缝的发展，提高了混凝土的抗拉性能、韧性、抗裂性能以及抗疲劳性等诸多性能。 聚合物混凝土：聚合物混凝土：由有机聚合物、无机聚合物材料和集料结合而制成的一种新型混凝土，结合了有机聚

12、合物和无机聚合物的优点，提高了混凝土的抗渗性、抗冻性和耐磨性等性能，但是由于其造价较高且工艺复杂，目前应用并不广泛 。 2.4 2.4 钢材钢材一、钢材的分类一、钢材的分类 钢材中所用钢材主要有低碳钢和低合金刚。 包括型材和线材两种外观形式。二、钢材的力学性能二、钢材的力学性能 钢材的力学性能主要包括抗拉性能、冷弯性能、冲击韧性、 耐疲劳性、硬度等 。l 抗拉性能的主要技术指标：抗拉性能的主要技术指标： 伸长率、屈服强度、抗拉强度 l钢材的冷弯性能：钢材的冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材 的工艺性能指标。l冲击韧性：冲击韧性：反映了钢材抵抗冲击荷载的能力。 三、钢材的加工三、

13、钢材的加工l钢材的冷加工：钢材的冷加工：钢材使用前，在常温下进行加工，其性能会发生 一些变化，这种加工过程称为冷加工。 冷加工可以提高钢材屈服强度，节约钢材，但冷加工往往使 钢材的塑性、韧性及弹性模量降低。 土木工程中常用冷加工形式有冷拉、冷拔和冷轧。 l钢筋热处理：钢筋热处理：按照一定方式对钢材进行加热、保温、冷却，从 而改变钢的晶体组织、微观结构或消除由于冷加工在材料内 部产生的内应力，改变钢材力学性能。 常用热处理方式包括：淬火、回火、退火、正火等。 概念：概念： 木材具有轻质高强、弹性和韧性好、耐冲击、导热性低、装 饰性强等优点，是土木工程的常用材料。 l 分类：分类：木材加工后的材种

14、可分为原木、原条、板方材、 木质人造板材。l 用途：用途：在工程中常用作承重构件，也可用于加工家具；制作 较小尺寸构件和室内装饰。 2.5 2.5 木材木材2.6 2.6 墙体材料墙体材料一、砖一、砖 概念：概念： 砖是房屋建筑中的主要墙体材料，其外形多为长方体，一般长度不超过365mm，宽度不超过240mm，高度不超过115mm。 l 分类：分类：按照生产工艺不同可分为烧结砖和非烧结砖。 烧结砖是以粘土、页岩、煤矸石、粉煤灰为主要原料，经过焙烧而成的长方体块体。非烧结砖不需要焙烧，一般是以硅质材料（如粉砂、粉煤灰）和钙质材料（如石灰、石膏）为主要原料，加入少量水泥或石灰作固结剂，再加入微量外

15、加剂和适量水混合搅拌压制成型，经自然养护或蒸养一定时间即成的块体材料。 二、砌块二、砌块 概念：概念： 砌块为采用各类混凝土、工业废料和地方性材料加工而成尺 寸较大的块状制品。 l 特点：特点：砌块制作工艺较为简单，块体尺寸较大，施工方便，劳动效率较高，可以充分利用地方资源和工业废渣。l 分类：分类：按砌块的制作材料分为混凝土小型砌块、轻骨料混凝土砌块、加气混凝土砌块、复合砌块等。 普通混凝土小型空心砌块：普通混凝土小型空心砌块：由水泥、砂、最大粒径10mm的石子或石屑配置而成的塑性混凝土，在金属模内振动成型，脱模养护而成的墙用承重空心块材。生产材料来源广、工艺简单、效率高、无需焙烧或蒸压养护

16、，在施工方面具有适应性强、自重较轻、组合灵活、施工较粘土砖简便、快速等优点。轻骨料混凝土小型空心砌块：轻骨料混凝土小型空心砌块：由轻骨料混凝土制作的小型空心块材。常用的轻骨料材料有浮石、火山渣、煤矸石、煤渣、陶粒、膨胀珍珠岩等。 加气混凝土砌块加气混凝土砌块 ：以钙质材料（水泥或石灰）和硅质材料（砂或粉煤灰等）为基本原料，以铝粉为发气剂，经过蒸压养护等工艺制成的一种多孔轻质新型墙体材料。该材料具有轻质、保温、耐火、抗震、足够的强度和良好的可加工性能等优点。装饰混凝土砌块装饰混凝土砌块 ：是带有装饰面的混凝土砌块。该砌块适合砌筑清水墙，砌筑时省时、省工，并能产生新颖的装饰效果。 三、轻质墙板三、

17、轻质墙板 概念：概念： 是工厂或施工现场预制的大板、条板或薄板，板高至少达到一个楼层，直接现装或组装，成为一面墙体的板式材料。l 特点：特点：采用墙板可改善墙体功能，减轻自重，减少工程现场湿作业，加快墙体施工速度。 l 分类：分类：按照墙板的形式可分为薄板、条板、轻型复合板等。每种墙板根据制作材料的不同又有不同分类，如：薄板有纤维水泥板、石膏板、水泥木屑板等。 一、防水材料一、防水材料 概念：概念：防水材料是保证土木工程防止雨水、地下水及其他水分渗透的重要功能材料。聚合物改性沥青防水卷材聚合物改性沥青防水卷材 ：以合成高分子聚合物改性沥青为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体，粉状、粒状、片状或薄膜

18、状材料为覆盖材料制成的可卷曲片状防水材料。它克服了传统沥青防水卷材温度稳定性差、延伸率小的不足，具有高温不流淌、低温不脆裂、拉伸强度高、延伸率较大等优点。 2.7 2.7 功能材料简介功能材料简介合成高分子防水卷材合成高分子防水卷材 ：防水材料是保证土木工程防止雨水、地下水及其他水分渗透的重要功能材料。聚合物改性沥青防水卷材聚合物改性沥青防水卷材 ：以合成橡胶、合成树脂或它们两者的共混体为基料，加入适量的化学助剂和填充料等，经混炼、压延或挤出等工序而制成的可卷曲的片状防水材料。 防水涂料防水涂料：以高分子合成材料为主体，在常温下为无定型液态状，涂布后能够在结构物表面形成无接缝的完整防水膜的材料

19、。防水涂料适合于各种复杂、不规则部位的防水，可以采用冷施工，从而大大改善了劳动条件，施工方便、快捷。 二、二、 保温隔热材料保温隔热材料 概念：概念：保温隔热材料也称为绝热材料，主要用于建筑工程的墙壁、屋面保温、热力管道保温、制冷工程隔热等。 建筑保温隔热材料按材质可分为：建筑保温隔热材料按材质可分为：无机保温隔热材料和有机保温隔热材料两大类。 三、声学材料三、声学材料 概念：概念： 具有吸声特性的材料和结构称为吸声材料或结构。 l吸声系数是表征材料和结构吸声能力的主要指标。吸声系数是表征材料和结构吸声能力的主要指标。主要吸声材料的种类见表2.1。 l 分类：分类：吸声材料按照吸声机理分为多孔性吸声材料、共振吸声结构以及空间吸声体、帘幕吸声体等。 四、装饰材料四、装饰材料 陶瓷：陶瓷：陶瓷是以粘土、长石、石英为基本原料，经配料、成型、干燥、烧结而成的较密实产品。 l 分类：分类：根据陶瓷材料的原料和烧结密实程度不同，可将陶瓷分为陶质、炻质和瓷质三种性能不同的人造石材。 常用的建筑陶