道路建筑材料

道路建筑材料主

编：翟晓静

赵毅

副主编：

贾红霞主

审：李中秋

马彦芹高职高专道路桥梁工程技术专业“十二五”规划教材道路建筑材料第七章

建筑钢材教学要点：1.建筑钢材的分类；1.建筑钢材的力学性质和工艺性质；2.钢材规格和品种以及在实际工程中的合理选用；3.钢材防止锈蚀的主要方法。道路建筑材料7-1钢材的分类

7-1-1概述钢材是含碳量一般在0.04%-2.1%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。建筑钢材包括用于钢结构的各种型钢（如工字钢、角钢、H型钢等）、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构的中的各种钢筋、钢丝等。道路建筑材料钢材是重要的建筑工程材料之一，与非金属材料相比，具有强度高，塑性、韧性好，材质均匀、各向同性，组织致密性好，便于工厂生产和机械化施工等优点。钢材的主要缺点是易锈蚀，维护费用大，耐火性差，造价高。钢材的冶炼方法可根据炼钢设备的不同，分为氧气转炉、平炉和电炉三种。不同的冶炼方法对钢的质量有着不同的影响。道路建筑材料1.氧气转炉炼钢以熔融的铁水为原料，由炉顶向转炉内吹入高压氧气，使铁水中的碳和硫等杂质经热氧化除去，得到较纯净的钢水。转炉炼钢周期短，生产效率高，杂质清除较充分，钢的质量较好。氧气转炉炼钢为现代炼钢的主要方法。2.平炉炼钢平炉炼钢是利用拱形炉顶的反射原理，以固态或液态生铁、适量铁矿石和废钢作原料，用煤气或重油为燃料进行冶炼，它是利用废钢铁和铁矿石中的氧使杂质氧化。平炉冶炼时间长，有足够的时间调整和控制其成分，去除杂质更为彻底，故炼得的钢质量高。但由于设备一次投资大，燃料热效率较低，冶炼时间较长，故其成本较高。道路建筑材料3.电炉炼钢电炉炼钢系用电加热进行高温冶炼的炼钢法，其原料主要是废钢及生铁。电炉熔炼温度高，而且温度可以自由调节，清除杂质相对较容易，因此电炉钢的质量最好，但相对成本也最高。道路建筑材料7-1-2钢材的分类钢的分类方法很多，较常用的有下列几种分类方法。1.按化学成分的不同分类（1）碳素钢

由冶炼直接得到的铁碳合金，常包含硅、锰、磷等杂质。按含碳量分为：①低碳钢：含碳量≤0.25%；②中碳钢：含碳量在0.25%～0.6%之间；③高碳钢：含碳量≥0.6%。道路建筑材料（2）合金钢为了改善钢的机械性能、工艺性能或物理、化学性能，在冶炼时特意往钢中加入一些合金元素，这种钢就称为合金钢。经常加入的合金元素有锰、硅、钒、铌、钛、铬、镍、钼、钨等。合金钢按合金元素含量可分为：①低合金钢：合金元素总含量小于5%；②中合金钢：合金元素总含量在5%～10%之间；③高合金钢：合金元素总含量大于10%。道路建筑材料2.按用途分类（1）结构钢：制造各种工程的构件（如桥梁、船舶、建筑等）和机械零件。建筑钢材一般为碳素结构钢和低合金结构钢。（2）工具钢：制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高，一般属于高碳钢。（3）特殊钢：具有各种特殊物理化学性能的钢材，例如：不锈钢、磁性钢等，这类钢材一般属于合金钢。道路建筑材料3.按冶炼时脱氧程度分类（1）沸腾钢：代号为F，是脱氧不充分的钢，在浇铸及钢液冷却时，有大量的一氧化碳气体逸出，钢液呈沸腾状。（2）镇静钢：代号为Z，脱氧充分，钢水较纯净，浇铸钢锭时，钢水平静，镇静钢材质致密均匀，质量高于沸腾钢。（3）半镇静钢：代号为b，脱氧程度及钢水质量介于上述两者之间。（4）特殊镇静钢：代号为TZ，比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，质量最好，适用于特别重要的结构工程。道路建筑材料4.按质量分类根据碳素钢质量的高低，即主要根据钢中所含有害杂质硫（S）、磷（P）的含量来分，通常分三类：（1）普通碳素钢：S、P的含量分别≤0.055%和≤0.045%（2）优质碳素钢：S、P的含量均应≤0.035%（3）高级优质碳素钢：S、P的含量均应≤0.025%（4）特级优质碳素钢：S、P的含量分别≤0.015%和≤0.025%5.钢材按成形方法分类：(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。道路建筑材料7-2建筑钢材的技术性质

钢结构用钢和钢筋混凝土用钢筋的基本技术性质主要包括力学性质（屈服强度、抗拉强度、塑性、冲击韧性、硬度、疲劳强度等）和工艺性能（冷弯、热处理、冷加工及时效、焊接等）两个方面。本课程就与材料性能有关的内容加以简述。道路建筑材料7-2-1钢材的力学性质强度拉伸性能是钢材重要的性能。一般由单向拉伸试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材的重要技术指标。根据拉伸试验得到的应力应变曲线，钢材可以分为有明显屈服点的软钢（图7-1）和无明显屈服点的硬钢（图7-2）。

钢材的内部组织状态、成分偏析及其他各种缺陷是决定其耐疲劳性能的主要因素。同时，由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的，故钢材的截面变化、表面质量及内应力大小等可能造成应力集中的各种因素，都与其疲劳极限有关。一般钢材抗拉强度高，其疲劳极限也较高。道路建筑材料7-2-2钢材的工艺性质1.冷弯性能冷弯性能是钢材在常温条件下承受规定弯曲程度的弯曲变形的能力，它是钢材的重要工艺性能之一。2.热处理性能按照一定的规则，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，可使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。道路建筑材料钢材的热处理通常有以下几种基本方法。（1）淬火（2）回火（3）退火（4）正火（5）化学热处理3.钢材的冷加工强化与时效处理（1）钢材冷加工强化与时效处理的概念道路建筑材料将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工，以期达到提高钢材强度和节约钢材的目的。钢筋冷拉是在常温下将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。（2）钢材冷加工和时效在工程中的应用与效果建筑工程中对大量使用的钢筋，往往是冷加工和时效同时采用。道路建筑材料4.焊接性能工程中各种钢结构、钢筋及预埋件等需用焊接加工。钢材在焊接过程中，局部高温加热，焊后急冷，这样极易造成局部变形和硬脆倾向。因此，要求钢材具有良好的焊接性。钢材的焊接主要采用以下两种基本方法：电弧焊和接触对焊。道路建筑材料7-2-3影响钢材力学性能的主要因素1.化学成分的影响（1）含碳量的影响（2）锰的影响（3）硅的影响（4）其它合金元素的影响（5）硫的影响（6）磷的影响（7）氧的影响（8）氮的影响道路建筑材料2．冶金缺陷的影响常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等，都会使钢材性能变差。3．钢材硬化冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。4．温度影响钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。5．应力集中（图7-7）应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。6．反复荷载作用

钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。道路建筑材料7-3工程中常用钢材的标准及选用要求

7-3-1混凝土结构所用钢筋钢筋按照按照加工方法不同分为热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋、冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）、冷拔低碳钢丝、消除应力钢丝、钢绞线等。道路建筑材料一、热轧钢筋钢筋混凝土用热轧钢筋分为《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》和《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》。热轧光圆钢筋强度等级为HPB235、HPB300；热轧带肋钢筋的强度等级分为HRB335、HRB400、HRB500，其中前两者采用普通质量低合金钢轧制，后者采用优质合金钢轧制。各级钢筋的力学性能与冷弯性能要求及性能检验方法应符合国家标准《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB/T1499.1—2008）、《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB/T1499.2—2007）的要求。道路建筑材料1.热轧光圆钢筋热轧光圆钢筋指横截面通常为圆形并且表面光滑的钢筋。2.热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋指横截面通常为圆形并且表面有两条纵肋和沿长度方向均匀分布有横肋的钢筋。钢筋调直宜采用机械方法，也可采用冷拉方法。道路建筑材料二、钢筋混凝土用余热处理钢筋RRB系列余热处理钢筋（如RRB400钢筋）由轧制钢筋经高温淬水，余热处理后提高强度。其延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工性能要求不高的构件中，如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构件等。三、冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是采用普通碳素钢或低合金钢热轧的盘条，经冷轧减径而成的带肋钢筋（为月牙肋）。冷轧带肋钢筋成盘供应，每盘质量不少于100kg，也可以直条供应。《冷轧带肋钢筋》（GB/T13788—2008）规定，冷轧带肋钢筋分为四级，其代号为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970。道路建筑材料四、预应力混凝土用钢丝与钢绞线预应力混凝土用钢丝是采用优质碳素钢盘条经冷拔等工艺而制成的高强度钢丝。《预应力混凝土用钢丝》（GB/T5223—2002）规定，预应力混凝土用钢丝分为光圆钢丝（代号P）、刻痕钢丝（代号I）、螺旋肋钢丝（代号H）三种，按加工状态分为冷拉钢丝（WCD）和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝（代号WLR）和普通松弛级钢丝（代号WNR）。预应力混凝土用钢丝的强度高，质量稳定，安全可靠，且柔性好，无接头，主要用于大跨度预应力混凝土结构等。道路建筑材料五、钢筋选用的原则《GB50010-2010混凝土结构设计规范》规定对混凝土结构钢筋的选用原则是：1.纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HRB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；2.梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋3.箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋4.预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。道路建筑材料7-3-2钢结构用钢一、钢种和钢号常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢3钢材的选用《钢结构规范》规定，承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。道路建筑材料二、品种及规格1热轧钢板2热轧型钢（图7-9）图7-9热轧型钢截面道路建筑材料3冷弯薄壁型材冷弯薄壁型钢：由2～6mm的薄钢板经冷弯或模压而成型的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。压型钢板：所用钢板厚度为0.4～2mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。道路建筑材料7-4钢材的锈蚀及其防治

7-4-1钢材的锈蚀钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。钢材若在存放中严重锈蚀，不仅使有效截面积减小、性能降低甚至报废，而且使用前还需除锈。钢材若在使用中锈蚀，将使受力面积减小，且因局部锈坑的产生，可造成应力集中，导致结构承载力下降，尤其在有反复荷载作用的情况下，将产生锈蚀疲劳现象，使疲劳强度大为降低，出现脆性断裂。根据锈蚀作用的机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种。道路建筑材料1.化学锈蚀化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。2.电化学锈蚀电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀。道路建筑材料7-4-2钢材锈蚀的防治钢结构防止锈蚀的方法通常是采用表面刷漆。常用的底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等；面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。薄壁钢材可采用热浸镀锌等措施。钢筋混凝土结构由于混凝