《土木工程材料》 教案 柯龙 第7-14章 砌筑材料-土木工程材料试验

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程

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教案

课程信息

课程名称土木工程材料授课专业土木工程

必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（V）；

课程类型

选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）

讲授（，）；实践课（V）；

授课方式考核方式考试（）；考查（V）

其它（）

课程教学

32学时学分数2学分

总学时数

学时分配理论课20时；实践课12学时;

作柯龙；董西安电子科技

教材名称土木工程材料出版社

者萌；赵影大学出版社

出版

书号978-7-5606-6993-9

时间2023.09

班级课程名称土木工程材料

授课教师授课课时2

学习课题砌筑材料

教学基本

对砌筑材料有一个总体的、全貌的了解。

要求

教学重点、石材、砌块和砌墙砖等砌筑材料的性质和应用。

难点砖的烧结原理,砌块的技术性质。

教学方法、手

案例导入法、讲授法、小组讨论法

段

教学过程设计导入——专题讲解——问题分析讨论——练习——归纳总结

参考案例来自教材、相关参考书

教具、教材教学课件PPTX教学录像片

教师学期授课教案

时间

教学

分配

授课提纲及重难点分析方法

及旁

设计

注

7.1石材

7.1.1岩石的组成与分类

岩石是构成地壳的主要物质°它是由地壳的地质作用

形成的固态物质，具有一定的结构构造和变化规律。

1.组成

岩石是由一种或数种主要矿物所组成的集合体。所

谓矿物，是指存在于地壳中具有一定化学成分和物理性

质的自然元素或化合物。少数矿物为单质，绝大多数矿物

是由各种化学元素所组成的化合物。构成岩石的矿物称

为造岩矿物。的

2.分类30min

岩石按地质形成条件可分为岩浆岩（火成岩）、沉积

岩（水成岩）和变质岩三大类。

1）岩浆岩

岩浆岩是由地壳深处上升的岩浆冷凝结晶而成的岩

石,其成分主要是硅酸盐矿物；它是组成地壳的主要岩石

按地壳质量计,岩浆岩占89%,储量极大。

2）沉积岩

沉积岩是地表岩石经长期风化作用、生物作用或某

种火山作用后，成为碎屑颗粒状或粉尘状，经风或水的

搬运，通过沉积和再造作用而形成的岩石。

3)变质岩

岩石由于强烈的地质活动，在高温和高压下，矿物再

结晶或生成新矿物，使原来岩石的矿物成分、结构及构

造发生显著变化而成为一种新的岩石，称为变质岩。变

质岩大多是结晶体,其构造、矿物成分都较岩浆岩、沉

积岩更为复杂且多样。

7.1.2岩石的构造与性能

不同的成岩条件和造岩矿物使各类岩石具有不同的

结构和构造特征，这些特征对岩石的物理和力学性能影响

甚大。

1.结构与构造

岩石的结构是指岩石中矿物的结晶程度、颗粒大

小、形态及结合方式的特征。岩石的构造是指岩石中矿

物集合体之间的排列或组合方式，或矿物集合体与其他组

成物质之间结合的情况。

(1)块状构造。

(2)层片状构造

(3)流纹状、斑状、杏仁状和结核状构造。

(4)气孔状构造。

2.技术性质

石材的技术性质可分为物理性质、力学性质和工艺

性质。

1)物理函

(1)表观密度

(2)吸水性

(3)耐水性

(4)抗冻性

(5)耐火性

(6)导热性

2)力学性质

(1)抗压强度。石材的强度取决于造岩矿物及岩石

的结构和构造。若岩石中有矿物胶结物质存在，则胶结

物质对强度也有一定影响，如砂岩。

(2)冲击韧性。石材的冲击韧性取决于矿物成分与

构造。通常情况下，晶体结构的岩石较非晶体结构的

岩石具有更高的韧性。

(3)硬度。石材的硬度主要取决于矿物组成、结

构和构造。由强度、硬度高的造岩矿物所组成的岩石，

其硬度较高；结晶质结构硬度高于玻璃质结构；构造紧密

的岩石硬度也较高。

(4)耐磨性。石材抵抗摩擦、边缘剪切以及撞击

等复杂作用下的性质,称为耐磨性。石材的耐磨性与

岩石中造岩矿物的硬度及岩石的结构和构造有一定的关

系。若岩石强度高、构造致密，则耐磨性也较好。

3)工艺■

石材的工艺性质主要指开采和加工过程的难易程度

及可钻性，包括加工性、磨光性与抗黏性等。

(1)加工性。加工性是指对岩石劈解、破碎与凿

琢等加工工艺的难易程度。凡强度、硬度、韧性较高

的石材，不易加工；质脆而粗糙，有颗粒交错结构，

含有层状或片状构造以及已风化的岩石，都难以满足

加工要求

(2)磨光性。磨光性指岩石能否磨成光滑表面的性

质。致密、均匀、细粒的岩石，都有良好的磨光性，

可以磨成光滑亮洁的表面。跺松多孔、自鳞片状构造的

岩石，磨光性均不好。

(3)可钻性。可钻性指岩石钻孔时的难易程度。

影响可钻性的因素很复杂，一般与岩石的强度、硬度等

性质有关。

7.1.3常用石材及其应用与防护

1.常用石材

土木工程中常用的石材主要有花岗岩、辉长岩、玄

武岩、石灰岩、大理岩、砂岩等

2.石材的应用与防护

1)石材的应用

(1)毛石。

(2)料石

(3)石板

2)石材的防护

石材在长期的使用过程中，受到周围自然环境因素的

影响而产生物理变化和化学变化，致使岩石逐步风化、

破坏。

7.2砌墙砖

7.2.1烧结砖

烧结砖是通过焙烧工艺而制成的砌墙砖。根据砖的

空洞形式有实心砖、多孔砖和空心砖。

1.烧结普通砖

烧结普通砖是以黏土、页岩、煤砰石、粉煤灰为

主要原料经焙烧而成的实心砖。

1)烧结普通砖的分类

以黏土为主要原料，经配料、制坯、干燥、焙烧

而成的烧结普通砖，简称黏土砖(代号为N),由红砖

和青砖两种。

2)烧结普通砖的技术性能指标

烧结普通砖的技术性能指标主要有以下6种：

(1)尺寸规格和质量等级。

(2)泛霜。

(3)石灰爆裂。

(4)吸水率。

(5)强度等级。

(6)抗风化性能

3)烧结普通砖的特点及工程应用

烧结普通砖具有一定的强度、较好的耐久性及隔

热、隔声、价格低廉等优点，加之原料广泛、工艺简

单，所以是我国应用最久的、应用范围最广的墙体材

料o烧结普通砖也可用来砌筑柱、拱、烟囱、地面及

基础等，还可用来与轻骨料混凝土、加气混凝土、岩

棉等复合，砌筑成可代替钢筋混凝土的各种配筋(钢筋或

钢丝网)砌体，用于制作柱、过梁等构件。

2.烧结多孔砖和烧结空心砖

烧结多孔砖和烧结空心语的生产原料及品种与烧结

普通砖基本相同，仅形状和外观不同。

1)烧结多孔砖

(1)规格尺寸

(2)强度等级

(3)抗风化性能

(4)工程应用

2)烧结空心砖和空心'砌块

烧结空心砖和空心砌块是以黏土、页岩、煤砰石为

主要原料，经熔烧而成的孔洞率较大的砖。其孔尺寸大

而数量少，且平行于大面和条面。烧结空心砖和空心砌块

也是直角六面体。

(1)规格尺寸。按国家标准《烧结空心题口空心砌

块》(GB13544-2011)规定，烧结空心砖和空块

的孔洞＞40%,空心砖的长度三360mm,宽度三

240mm,高度三115mm,如图74所示。大于该

尺寸的则属于空心砌块。

(2)质量等级。根据孔洞排列及结构、尺寸偏差、

外观质量、泛霜和石灰爆裂、吸水率等指标，烧结空心

砖和空心砌块分为优等品(A)、7品(B)和合格品(C)

3个质量等级。

(3)密度等级。根据5块砖的平均密度值，烧结空

心南口空心砌块分为800、900、1000和1100共4个

密度等级。

(4)强度等级。按10块砖的大面抗压强度，烧结

空心砖和空/诩块分为MU10、MU7.5、MU5.0、MU3.

5、MU2.5共5个强度等级

(5)吸水率。烧结空心砖和空心'砌块的吸水率以5

块试样的3h沸煮吸水率的算术平均值表示

(6)抗风化性能。严重风化区中的1、2、3、4、

5地区的砖同样必须进行冻融试验，其他地区的烧结空心

砖和空心'砌块的抗风化性能要求若符合表79的标准规

定，则可不进行冻融试验，否则也必须进行冻融试验。

(7)工程应用。烧结空心砖和空心砌块的自重较

轻、强度较低，多用作建筑物的非承重部位的墙体，如

多层建筑内隔墙或框架结构的填充墙等，各种类型的砖在

使用时均要注意耐久性。

7.2.2非烧结砖

不经熔烧而制成的砖均为非烧结砖，如蒸养（压）砖、

混凝土砖、碳化砖等。目前应用较广的是蒸养（压）

砖。这类砖是以含钙材料（石灰、电石渣等）和含硅材

料（砂、粉煤灰、煤砰石、灰渣、炉渣等）与水拌

和后压制成型的，在自然条件或人工水热合成条件（蒸养

或蒸压）下，反应生成以水化硅酸钙、水化铝酸钙为主

要胶结料的硅酸盐建筑制品。其主要品种有蒸压灰砂

砖、粉煤灰砖、炉渣砖、混凝土多孔砖和混凝土实心砖

等。

1.蒸压灰砂砖（LSB）

蒸压灰砂砖是以石灰、天然砂为原料，经拌和、

压制成型、蒸压养护（175〜191℃,0.8~1.2MPa的

饱和蒸汽）而制成的，原料中石灰占10%〜20%。

1）尺寸规格和质量等级

蒸压灰砂砖的尺寸规格与烧结普通砖相同，为

240mmx115mmx53mm。国家标准《蒸压灰砂砖》

（GB11945-1999）规定，蒸压灰砂砖按照尺寸偏差和外

观分为优等品（A）、一等品（B）和合格品（C）3个质

量等级。

2）技术指标

根据浸水24h后的抗压强度和抗折强度，蒸压灰砂

砖分为MU25、MU20、MU15和MU10共4个强度等

级。其表观密度为1800~1900kg/m3，导热系数约为0.

（）各等级抗折、抗压强度及抗冻性指标

61W/m.Ko

应符合表7・10的规定。

3）工程应用

MU15、MU20和MU25的砖可用于基础及其他建

筑;MU10的砖仅可用于防潮层以上的建筑。由于蒸压

灰砂砖中的某些组分不耐酸，也不耐热，因此蒸压灰砂砖

不得用于长期受热（20CTC以上）、受急冷急热和有酸性

介质侵蚀的建筑部位，也不宜用于有流水冲刷的部位。

2.粉煤灰砖（FB）

粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰或水泥为主要原料，掺

加适量石膏、外加剂、颜料和集料等，经坯料制备、

成型、常压或高压蒸汽养护而制成的实心粉煤灰砖。砖

的颜色分为本色（N）和彩色（C。）两类。其外形尺寸

与普通砖完全相同，表观密度约为1500kg/m3。

1）技术指标

我国行业标准《蒸压粉煤灰砖》（JC239-2014）规

定，粉煤灰砖按抗压强度和抗折强度分为MU30、

MU25、MU20、MU15和MU10共5个强度等级。各

等级的强度值及抗冻性应符合表711的规定;碳化系

数不得小于0.8;对于干燥收缩率，优等品和一等品应不

大于0.65mm/m,合格品应不大于0.75mm/m。

2）工程应用

粉煤灰砖可用于工业与民用建筑的墙体和基础。但

用于基础或易受冻融和干湿交替作用的建筑物部位时，

必须使用MU15及以上强度等级的砖。粉煤灰砖不得用

于长期受热（20CTC以上）、受急冷急热和有酸性介质

侵蚀的建筑部位。为避免或减少收缩裂缝的产生，用粉

煤灰砖砌筑的建筑物应适当增设圈梁及伸缩绛O

3.炉渣砖（LZ）

炉渣砖是以煤燃烧后的残渣为主要原料，掺入适量的

石灰（水泥、电石渣）、石膏，经混合、压制成型、

蒸养或蒸压养护而成的实心砖。

1）技术指标

炉渣砖的尺寸规格与烧结普通砖相同，呈黑灰色，表

观密度为1500〜2000kg/m3,吸水率为6%〜19%。

2）工程应用

炉渣砖可用于一般工程的墙体和建筑基础，但不得

用于受高温、受急冷急热交替作用或有酸性介质侵蚀的

部位。

4.混凝土多孔砖（CPB）

混凝土多孔砖是以水泥为胶结材料，以砂、石等为

主要集料，加水搅拌、成型、养护制成的一种多排

小孔的混凝土砖。

1）适用范围及定义

承重混凝土多孔砖以水泥、砂、石等为主要原材料，

经配料、搅拌、成型、养护制成，用于承重结构的多

排孔混凝土砖（以下简称：混凝土多孔砖）,代号

LPBO

2）规格

混凝土多孔砖的长度应符合360mm、290mm、

240mm、190mm、140mm的尺寸要求，宽度应符

合240mm、190mm、115mm、90mm的尺寸要求，

高度应符合115mm、90mm的尺寸要求。

3）强度等级

根据国家标准《承重混凝土多孔砖》（GB25779-

2010）的规定，混凝土多孔砖的抗压强度划分为

MU15,MU20、MU25共3个强度等级。

4）特点与应用

混凝土多孔砖具有制作简单、强度高、耐久性好等

优点。其缺点是自重大、表面不平整、尺寸误差较大

以及干燥收缩大。混凝土多孔砖主要用于工业与民用建筑

结构的承重墙，应用时注意运输堆放要采取防雨措施，

施工技术要求参照普通混凝土小型空心'砌块。

5.混凝土实心砖（SCB）

以水泥为胶结材料，以砂、石等普通集料或轻集料

为主要集料，经加水搅拌、成型、养护制成的无孔洞

的砖。

1）规格

根据《混凝土实心砖》（GB/T2U44-2007标隹，只

给出240mmx115mmx53mmx200mmx100mmx57

mm两个主规格砖的规格尺寸，其他规格的砖由供需双方

协商确定，但标准规定了其他规格砖的高度不得小于

40mmo

2）等级

（1）抗压强度等级。砖的强度用抗压强度来表示，

混凝土实心砖的抗压强度等级分为MU40、MU35、

MU30、MU25、MU20、MU15共6个等级。具体指标

见表713。

（2）密度等级。以水泥为胶结材料，轻集料为主要

集料的非承重砖,其密度为U00kg/m3.1200kg/m3.

1300kg/m3.1400kg/m3共4个级另（J。

3）工程应用

混凝土实心砖可用于工业与民用建筑基础和墙体的

承重部位。

7.2.3常用砌墙砖的选用

常用砌墙砖的技术规格及标记方法见表714。

黏土砖的缺点是制砖需取土，大量毁坏农田。实心

黏土砖自重大，烧砖能耗高，成品尺寸小，施工效率

低，抗震性能差等。用多孔砖和空心砖代替实心砖可使

建筑物自重减轻1/3左右,节约黏土20%〜30%,节

省燃料10%〜20%,造价降低20%,施工效率提高

40%,并能改善砖的绝热和隔声性能，在相同的热工性

能要求下，用空心砖砌筑的墙体厚度可减薄半砖左

右。

7.3建筑砌块

砌块是用于砌筑的、形体大于砌墙砖的人造块材，

-般为直角六面体。按产品主规格的尺寸，砌块可分

为大型砌块（高度＞980mm）、中型砌块（高度为

380〜980mm）和小型砌块（高度为115〜380mm）。

砌块的高度一般不大于长度或宽度的6倍，长度不超过的

宽度的3倍。根据需要也可生产各种异形砌块。

40min

砌块的分类方法很多，按用途可分为承重砌块和非

承重砌块；按有无孔洞可分为实心砌块（无孔洞或空心率

＜25%）和空心砌块（空心率＞25%）;按材质可分为蒸

压加气混凝土砌块、粉煤灰混凝土小型空心砌块、普通

混凝土小型空心砌块、轻集料混凝土小型空心砌块和泡

沫混凝土砌块等。

7.3.1蒸压加气混凝土砌块（ACB）

蒸压加气混凝土砌块是以钙质材料（水泥、石灰等）

和硅质材料（砂、矿渣、粉煤灰等）以及加气剂（铝粉）

等，经配料、搅拌、浇注、发气（由化学形成孔隙）、

预养切割、蒸汽养护等工艺过程制成的。

砌块公称尺寸的长度（L）为600mm;宽度

（B）有100mm、125mm、150mm、200mm、

250mm、300mm、120mm、180mm、240mm;

高度（H）有200mm、250mm、300mm等多种规格。

1.弓虽度等级和密度等级

（1）强度等级：国家标准《蒸压加气混凝土砌块》

（GB/T11968-2006）规定，ACB按抗压强度划分为

A1.0、A2.0、A2.5、A3.5、A5.0、A7.5和A10.0共

7个级别。

（2）密度等级：按砌块的表观密度，ACB可划分为

B03、B04、B05、B06、B0C和B08共6个级别,

（3）质量等级：按尺寸偏差与外观质量、抗冻性和

抗压强度，ACB可分为优等品（A）和合格品（B）两个

质量等级。

7.3.2粉煤灰混凝土小型空心砌块（FHB）

粉煤灰混凝土小型空心砌块是以粉煤灰、水泥、集

料和水等为主要组分（也可加入外加剂等）制成的混凝土

小型空心砌块，其主规格尺寸为

390mmx190mmx190mm。

7.3.3普通混凝土小型空心砌块（NHB）

普通混凝土小型空心砌块是以普通混凝土拌合物为原

料，经成型、养护而成的空心块

体墙材，分为承重砌块和非承重砌块两大类。为减轻

自重，非承重砌块可用炉渣或具他轻质骨料配置。

7.3.4轻集料混凝土小型空心'砌块（LHB）

轻集料混凝土小型空心砌块是以浮石、火山渣、陶

粒等轻粗集料、轻砂（或普通砂）为细集料制成的，主

规格为390mmxl90mmxl90mm。按砌块孔的排数分

为单排孔（1）、双排孔（2）、三排孔（3）和四排孔（4）

四类。其原料来源广泛、工艺简单、自重轻、导热系

数小，有利于℃能降耗及资源的可持续利用。

7.3.5泡沫混凝土砌块（FCB）

泡沫混凝土砌块是用物理方法将泡沫剂水溶液制备成

泡沫，再将泡沫加入由水泥基胶凝材料、集料、掺合料、

外加剂和水等制成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、

自然或蒸汽养护而成的轻质多孔混凝土砌块，也称发泡混

凝土砌块。

7.3.6常用砌块的选用

砌块属于新型的墙体材料，可以充分利用地方资源和

工业废渣，并可°C省黏土资源和改善环境。砌块具有生

产工艺简单、原料来源广、适应性强、制作及使用方便、

可改装墙体功能等特点，因此发展速度较快。常用砌块

的技术规格及标记方法见表7-20。

7.4建筑墙板

随着建筑结构体系的改革和大开间多功能框架结构的

发展，各种轻质和复合墙用板材蓬勃兴起。以板材为

围护墙体的建筑体系，具有质轻、℃能、施工方便快

捷、使用面积大、开间布置灵活等特点，因此具有良

好的发展前景。

我国目前墙板品种很多，有水泥基墙用板材、轻质

多功能复合墙板等。

7.4.1水泥基墙用板材

水泥基墙用板材具有较好的力学性能和耐久性，生

产技术成熟，产品质量可靠。

1.预应力混凝土空心墙板

预应力混凝土空心墙板是用低松弛预应力钢绞线、早

强水泥及砂、石为原材料，经张拉、搅拌、挤压、

养护、放张、切割而成的混凝土板材O

2.玻璃纤维增强水泥（GRC）空心轻质墙板

GRC空心轻质墙板是以低碱水泥为胶结料，抗碱玻

璃纤维或其网格布为增强材料，膨胀珍珠岩为骨料

（也可用炉渣、粉煤灰等），并配以发泡剂和防水剂等，

经酉群斗、搅拌、浇注、振动成型、脱水、养护而

成。国家标准《玻璃纤维增强水泥轻质多

孔隔墙条板》（GB/T19631-2005）规定,该类墙

板按板厚分为90型和120型；

3.纤维增强水泥平板（TK板）

TK板是以低碱水泥、耐碱玻璃纤维为主要材料，加

水混合成浆，经圆网机抄取制坯、压制、蒸养而成的

薄型平板。其长度为1200〜3000mm,宽度为

厚度为、、。

800〜900mm,4mm5mmx6mm8mm

4.其他水泥基板材

除上述水泥基墙板外，还有钢丝网水泥板、水泥木

屑板、纤维增强硅酸钙板、维统纤维增强水泥平板等，

它们均可用于墙体或复合墙板的组合板材。

7.4.2复合墙板

复合墙板是将两种或两种以上不同功能的材料组合而

成的墙板。

1.纤维水泥夹芯复合墙板

纤维水泥夹芯复合墙板是以玻璃纤维为增强材料，

以硅酸盐水泥（或硅酸钙）等狡凝材料制成的薄板为面层，

以水泥（硅酸钙、石膏）聚苯颗粒或膨胀珍珠岩等轻集料

混凝土、发泡混凝土、加气混凝土为芯材，由两种或

两种以上不同功能材料复合而成的实心墙板。纤维水泥

夹芯复合墙板厚度一般为90mm、120mm,可用于

分室隔墙、分户外墙和内墙保温。

2.泰柏板

泰柏板是以钢丝焊接成的三维钢丝网骨架与高热阻自

熄性聚苯乙烧泡沫塑料组成的两面喷涂水泥砂浆的芯材

板，如图7-7所示。

3.复合夹芯板

除了上述纤维水泥夹芯复合墙板，还有以其他轻质

高强的薄板（不锈钢板、彩色涂层钢板、铝合金板等）

为面层，以轻质保温隔热材料（岩棉、玻璃棉、矿渣棉

毡、阻燃型发泡聚苯乙烧、阻燃型发泡硬质聚氨酯等）

为芯材组成的复合夹芯板。该类复合夹芯板的性能及适用

范围与泰柏板基本相同。

7.5屋面材料

屋面材料主要起防水、隔热保温、防渗漏等作用。

随着材料技术的进步，为满足建筑物多种功能的需求，

屋面材料已由过去较单一的烧结瓦向多种材质的大型水

泥类瓦材发展。随着大跨建筑物的兴建，屋面承重结构

也由过去主要以预应力混凝土大型屋面板的形式，向承

重、保温、防水三合一的轻型钢板结构转变。

7.5.1屋面瓦

1.现代瓦材的发展

瓦是传统的屋面材料，烧结黏土瓦是使用历史最为悠

久的屋面材料.随着我国国民经济的发展和人民生活水

平的提高，建筑业进入了快速发展的阶段。

2.现代瓦建筑的应用

在当代国内建筑中，一些建筑风格已经西化，中国传

统的砖瓦建筑逐渐远离了我们的视野，传统的砖瓦工艺

被削弱，一些工艺甚至面临着无人继承的境况。

7.5.2屋面板

在大跨度结构中，长期使用的钢筋混凝土大板屋盖自

重可达300kg/m2以上，且保温性能差,还需另设防

水层。目前，随着我国彩色涂层钢板、超细玻璃纤维和

自熄性泡沫塑料的出现，轻型保温的大跨度屋盖得以迅速

发展。

1.膨胀聚笨乙烧板（EPS）

膨胀聚苯乙烧板是以0.6〜0.8mm厚的彩色涂层钢

板为面材，以自熄聚苯乙烧为芯材，用热固化胶连续成

型及内加热、加压复合而成的超轻型板材。

2.金属面硬质聚氨酯夹芯板

金属面硬质聚氨酯夹芯板是以彩色涂层钢板为面材，

以阻燃型硬质聚氨酯泡沫为芯材复合而成的夹芯板。

3.预应力混凝土屋面板

预应力混凝土屋面板的发展历程与我国建筑形式和建

筑业的发展密不可分。

4.蒸压加气混凝土屋面板

蒸压加气混凝土屋面板与蒸压加气混凝土条板（墙板）

的生产工艺相同，屋面板厚度有100mm、120mm、

150mm、175mm、200mm、240mm等规格，密度

等级为B05和B06级，强度等级为A3.5和A5.0级。

蒸压加气混凝土屋面板热工性能良好，除了用作屋面

板，还可以用作楼板。

7.5.3其他形式屋面板

1.蓄水隔热屋面

蓄水隔热屋面利用平屋顶所蓄积的水层来达到屋顶隔

热的目的，其原理为：在太阳辐射和室外气温的综合作用

下，水能吸收大量的热而由液体蒸发为气体，从而将热量

散发到空气中，减少了屋顶吸收的热能，起到隔热的作用。

水面还能反射阳光，减少阳光辐射对屋面的热作用。

水层在冬季还有一定的保温作用。

2.种植隔热屋面

种植隔热的原理是：在平屋顶上种植植物，借助栽培

介质隔热及植物吸收阳光和遮挡阳光的双重功效来达到

降温隔热的目的。一般种植隔热屋面是在屋面防水层上直

接铺填种植介质，栽培各种植物。种植层的厚度一般都

不大，为了防止久晴天气苗床内干涸，宜在每一种植分区

内设计一个水阀，以供人工浇水之用，如图7-9所示。

1.教师总结的

2.课后练习题20钟

±

木

工

程

材

料

教案

课程信息

课程名称土木工程材料授课专业土木工程

必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（V）；

课程类型

选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）

讲授（，）；实践课（V）；

授课方式考核方式考试（）；考查（V）

其它（）

课程教学

32学时学分数2学分

总学时数

学时分配理论课20时；实践课12学时;

作柯龙；董西安电子科技

教材名称土木工程材料出版社

者萌；赵影大学出版社

出版

书号978-7-5606-6993-9

时间2023.09

班级课程名称土木工程材料

授课教师授课课时2

学习课题建筑钢材

教学基本

对建筑钢材有一个总体的、全貌的了解。

要求

防水材料的分类构成。

教学重点、

钢材的技术性能和应用。

难点

钢的组织和化学成分对钢材性能的影响。

教学方法、手

案例导入法、讲授法、小组讨论法

段

教学过程蚓导入——专题讲解——问题分析讨论——练习——归纳总结

参考案例来自教材、相关参考书

教具、教材教学课件PPT、教学录像片

教师学期授课教案

时间

教学

分配

授课提纲及重难点分析方法

及旁

设计

注

8.1钢材的生产与分类

8.1.1钢材的定义

《钢分类，第1部分，按化学成分分类》

(GB/T13304.1-2008)对钢定义如下：以铁为主要元

素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的合金

材料。注：在铭钢中的含碳量可能大于2%,但2%通

常是钢和铸铁的分界线。

8.1.2钢材的冶炼

炼钢的过程实质上就是将生铁中多余的成分除去的

氧化过程。炼钢是指在高温下氧化去除生铁中杂质的方的

法。炼钢的方法分为平炉炼钢、转炉炼钢、电炉炼钢。30min

1.平炉炼钢法

平炉的容量很大，最大的平炉达到一炉能够熔炼

500t的钢。我国目前平炉用得最多的是30〜300t之间

的碱性平炉。平炉炼钢使用的原材料由金属原料及非金属

原料组成。

2.转炉炼钢法

转炉炼钢法是指利用空气或氧气，采用顶吹、底吹

或侧吹的方式，使炼钢铁水中的化学元素氧化到要求

的范围，从而获得规定钢成分的炼钢方法。转炉炼钢法

生产的钢品种多且质量较好，消耗的金属材料少，热

效率高，成本低，原材料的适应性好，建设投资少，

建设速度快。

3.电炉炼钢法

电炉炼钢法是以废钢铁及生铁为原料，利用电能转

变成热能来炼钢的一种炼钢方法。

8.1.3钢材的分类

1.按化学成分分类

《钢分类第1部分按化学成分分类*GB/T13304.

1-2008)规定了钢材按化学成分分为非合金钢、低合金

钢和合金钢三类。

2.按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类

《钢分类第2部分：按主要质量等级和主要性能

或使用特性的分类》(GB/T13304.2-2008)规定，

按主要质量等级，非合金钢分为普通质量非合金钢、优

质非合金钢和特殊质量非合金钢三类，低合金钢分为普

通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢三

类，合金钢分为优质合金钢和特殊质量合金钢两类。

3.按冶炼时脱氧程度分类

除按国家标准对钢材的分类外，还可以按冶炼时脱

氧程度分类。

(1)沸腾钢。当炼钢时脱氧不充分，钢液中还有

较多金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温度，

其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳

气体外溢，引起钢液激烈沸腾，因而这种钢材称为沸

腾钢。

(2)镇静钢。当炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧

化物很少或没有，在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝

固，这种钢称为镇静钢。

（3）特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度更充分彻底的

钢，称为特殊镇静钢。案例分析：钢结构屋架倒塌

8.2钢材的主要技术性能

钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。其中，

力学性能是钢材最重要的使用性能，包括强度、弹性、

塑性和耐疲劳性等。工艺性能表示钢材在各种加工过程中

的行为，包括冷弯性能和可焊性等。

8.2.1建筑钢材拉伸时的力学性能

静拉伸试验是钢材使用最广泛的力学性能试验方法

之一。通过试验检测，可以得出低碳钢在拉伸状态下

的应力■应变曲线，从而进一步分析其力学性能O

1.抗拉性能

抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能。钢材受拉

时,在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变

的关系反映出钢材的主要力学特征。

1）弹性阶段

在图8-2中0A段，应力较小，应力与应变成正比

例关系，卸却卜力，试件恢复原状，无残余形变，这一阶

段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点（A点）所对应的

应力称为弹性极限，用Rp表示。

2）屈服阶段

当应力超过弹性极限后，应变的增长比应力快，此时，

除产生弹性变形外，还产生塑性变形。

3）强化阶段

在钢材屈服到一定程度后，由于内部晶格扭曲、晶

粒破碎等，阻止了塑性变形的进一步发展，钢栩氐抗外力

的能力重新提高，在应力-应变图上，曲线从BL点开

始上升直至最高点C,这一过程称为强化阶段。

4）颈缩阶段

在钢材达到c点后，试件薄弱处的断面将显著减小，

塑性变形急剧增加，产生"颈缩"现象而断裂。

2.冲击韧性

钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲

击负荷作用下折断时的冲击吸收功。

钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态，以

及冶炼、加工都有关系。

3.耐疲劳性

受交变荷载反复作用时，钢材在应力低于其屈服强度

的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象称为疲劳破坏。

4.冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，

以试验时的弯曲角度d和弯心直径d为指标表示。

8.2.2冷加工强化

1.冷加工强化的机理

将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑

性变形，从而提高屈服强度,降低塑性韧性，这个过程

称为冷加工强化处理。

2.冷加工强化方法

1）冷拉

冷拉是将钢筋拉至其应力-应变曲线的强化阶段内

任一点K处，然后缓慢卸去荷载，则当再度加载时，

其屈服极限将有所提高，而其塑性变形能力将有所降低。

冷拉一般可控制冷拉率。钢筋经冷拉后，一般屈服点

可提高20%〜25%。

2）冷拔

冷拔是将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。

冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时

受到挤压作用。

3）冷轧

冷轧是将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋，

可提高其强度及与混凝土的黏接力。钢筋在冷轧时，纵向

与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结

构均匀性。

3.时效处理

将冷加工处理后的钢筋在常温下存放15〜20d，或加

热至100〜20CTC后保持一定时间（2〜3h）,其屈服强

度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也

进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效

处理。

4.热处理

热处理是将钢材按规定的温度进行加热、保温和冷

却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。

热处理包括淬火、回火、退火和正火。

1）淬火

外各钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使基本组

织转变为奥氏体，然后投入水或矿物油中急冷，使品粒细

化，碳的固溶量增加，弓虽度和硬度增加，塑性和韧性明显

下降。

2）回火

将比较硬脆、存在内应力的钢再加热至基本组织改

变温度以下（150〜650。（：），保温后按一定制度冷却

至室温的热处理方法称回火e回火后的钢材，其内应力消

除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。

3）退火

将钢材加热至基本组织转变温度以下（低温退火）或

以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内应

力，减少缺陷和品格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。

4）正火

将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中

冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。

5.钢材的连接

钢材的连接分为钢结构连接与钢筋混凝土中钢筋连

接两大类。

1）钢结构连接

钢结构连接包括即接、栓接与焊接。钾接是用即钉

连接钢材，因技术成本高，安装效率低，目前已很少采

用。

2）钢筋连接

钢筋混凝土工程中钢筋需要接长或固定相互交叉，就

需要对钢筋连接。

8.2.3钢材的化学成分及其对钢材性能的影响

钢材中除了主要化学成分铁（Fe）以外，还含有少量

的碳（C）、硅（Si）、镒（Mn）、磷（P）、硫（S）、

氧（0）、氮（N）、铁（Ti）、钢（V）等元素，这些元

素虽然含量少，但对钢材的性能有很大影响。

1）碳

碳是决定钢材性能的最重要元素。当钢中的含碳量

在0.8%以下时，随着含碳量的增力口，钢材的强度和硬

度提高，而塑性和韧性降低；

2）硅

硅是作为脱氧剂而加入的，是钢中的有益元素.硅

含量较低（小于1.0%）时，能提高钢材的强度,而对塑

性和韧性无明显影响。

3）镒

镒是炼钢时用来脱氧去硫而加入的，是钢中的有益元

素。镒具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫

所引起的热脆性，大大改善钢材的热加工性能，同时能提

高钢材的强度和硬度。

镒是我国低合金结构钢中的主要合金元素。

4）磷

磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材

的强度、屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降

低。特别是温度越低，对塑性和韧性的影响越大，显著加

大钢材的冷脆性。磷也使钢材的可焊性显著降低。但磷

可提高钢材的耐磨性和耐蚀性，故在低合金钢中可配合

其他元素作为合金元素使用C

5）硫

硫也是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的

热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、

冲击韧性、而版劳性和抗腐蚀性等均降低。

6）氧

氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的

强度有所提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。

氧的存仕会造成钢材的热脆性。

7）氮

氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的

增加，钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊

性变差，冷脆性加剧。氮在铝、锯、钢等元素的配合下

可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的

合金元素使用。

8）钛

铁是强脱氧剂。铁能显著提高钢材的强度，改善钢

材的韧性、可焊性，但稍降低塑性。铁是常用的微量合

金兀素O

9）李凡

钢是弱脱氧剂。钢中加入钢可以减弱碳和氮的不利

影响，有效地提高钢材的强度，但有时也会增加焊接淬硬

倾向，钢也是常用的微量合金元素。

8.3工程中常用的钢材

工程中常用的钢材是碳钢和合金钢，其品种成千上万，

本节主要讨论的是在建筑工程中使用的钢材。在建筑工

程中要消耗大量的钢材，其中应用最广泛的钢种是碳素结

构钢和低合金高强度结构钢。

的

8.3.1碳素结构钢

40min

现代冶炼生产的钢，其中碳钢占90%左右，合金

钢仅占10%左右。在工业中大量使用的金属材料是碳

钢。碳钢根据用途分为碳素结构钢和碳素工具钢两大类。

按照质量等级，碳素结构钢又分为普通碳素结构钢和优

质碳素结构钢。在碳钢中，碳素结构钢产量最大，用途

最广，碳钢大多轧成钢板、钢带和型钢等。

1）碳素结构钢的化学成分要求

2）碳素结构钢表示方法

GB/T700-2006《碳素结构钢》中规定，其牌号由

代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱

氧方法等四部分按顺序组成C

3）碳素结构钢的技术性能

根据国家标准《碳素结构钢》，随着牌号的增大，对

钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降

低。

4）碳素结构钢的应用

Q195、Q215A、Q215B碳素结构钢塑性和韧性较高,

有一定的强度，通常轧制成薄板、钢筋、钢管、型钢

等，用作桥梁、钢结构等，也可以用于制造钾钉、螺钉、

螺栓、钢丝及冲压零件等。

8.3.2低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在普通碳素钢的基础上，添加

少量的一种或多种合金元素（-般合金元素总含量不超

过5%）,以提高其强度、硬度、耐腐蚀性、耐磨性或

低温冲击韧性的钢。这种钢还具有较好的塑性、韧性和

焊接性等优点，多用于制造桥梁、车辆、船舶、锅炉、

高压容器、油罐和输油管等。

8.3.3钢筋

钢筋是指在建筑工程中，配置在钢筋混凝土及预应力

钢筋混凝土构件中的钢条或钢丝。在钢筋混凝土结构中

使用的钢筋和钢丝等钢材，主要由碳素结构钢、低合金高

强度结构钢和优质碳素钢经过热轧或冷轧、冷拔及热处

理工艺加工而成。钢筋的品种有热轧钢筋、冷轧带肋钢

筋、预应力混凝土用热处理钢筋和低碳钢热轧圆盘条等。

1）热轧钢筋

热轧钢筋是指经过热轧成型，然后在空气中冷却（正

火处理）的钢筋。热轧钢筋主要是用Q235的碳素结构

钢进行轧制成光圆钢筋，以直条或盘条交货。带肋钢筋

则采用低合金高强度结构钢的成分轧制而成。

2）冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋的生产分两步进行，第一步是以低

碳钢或低合金钢热轧成盘条，第二步将盘条进行多道

工序冷轧或冷拔以减少钢筋直径，再在钢筋表面冷轧成

两面或三面横肋的钢筋。

3）预应力混凝土用热处理钢筋

热处理钢筋是指用热轧带肋钢筋经淬火加高温回火热

处理工艺得到的钢筋。淬火加高温回火再热处理被称为

调质。钢筋经过调质处理后，其基体组织为回火索氏体。

8.3.4预应力混凝土用钢丝

1）预应力混凝土用钢丝

预应力混凝土用钢丝是优质碳素结构钢经过酸洗、冷

拔再经回火消除应力等工艺制成，具有高强度性能。

2）预应力混凝土用钢绞线

预应力混凝土用钢绞线（steelstrAndfor

prestressedconcrele）是由冷拉光圆钢丝及刻痕钢丝捻

制而成的。

8.4钢材的腐蚀与防护

8.4.1钢材的腐蚀

钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作

腐蚀（锈蚀）。钢材腐蚀的现象普遍存在，如在大气中

生锈，特别是当环境中有各种侵蚀性介质或湿度较大

时，情况就更为严重。

1.化学腐蚀

化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、

二氧化幅口水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化

物而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，

但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。

2.电化学腐蚀

钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于

这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液（如水）存

在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。

8.4.2钢材的防护

1.建筑钢结构防腐

《建筑钢结构防腐蚀技术规程》（JGJ/T251-2011）

对建筑钢结构防腐蚀的设计、施工、验收、安全、卫

生和环境保护、维护等提出了一系列技术要求。

2.钢材的防火

钢是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火

灾。耐火试验与火灾案例表明：以失去支撑能力为标准，

无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0