第2章 土木工程材料.ppt

1、2.1 早期土木工程材料 2.2 近代土木工程材料 2.3 现代土木工程材料,土 木 工 程 概 论,第 2 章 土 木 工 程 材 料,土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料,任何建(构)筑物都是用相应材料按一定要求建造的,工程材料在土木工程中的作用,工 程 材 料 的三个要素：,材料对工程质量的保证 材料对工程造价的影响 材料对技术进步的促进 。,相互依赖和相互矛盾,土木工程发展要求 材料的数量、质量,以往研究，侧重满足建筑物的承载安全、尺寸规模、功能和使用寿命等要求，以及人们对所构筑的生存环境的安全性、舒适性、方便性和美观性等的要求，较少考虑材料的生产和使用给生态环境、能耗等方面造

2、成的影响。,20世纪后半期，人居环境与可持续发展成为世界关注的焦点。 土木工程材料对自然资源具有重要的影响，因此在从事土木工程材料的研究及开发工程中，不仅需要考虑材料的性能能否满足人类的需求，还要考虑材料的生存和使用对能源和环境是否带来过大的负面影响。,人类一直从事着土木工程材料的各类研究工作,2.1 早期土木工程材料,1、砖：原料易取、价格低、体积小、易组合 用做墙体、基础、柱等砌筑工程中 粘土砖破坏耕地、能耗高、自重大、施工劳动强度高、工效低 墙体改革、并用新型材料取代 按生产工艺: 烧结砖和非烧结 按所用材料：粘土砖、粉煤灰砖、 煤矸石砖、炉渣砖、 页岩砖、灰砂砖等 按有无孔洞： 空心砖

3、、多孔砖和实心砖,北京等地禁止使用粘土砖,2.1.1 砖,常用的工业废料 ： 粉煤灰、煤矸石等 成分与粘土相近，颗粒细度不及 粘土，可塑性较差，制砖时需掺入一 定量的粘土或水泥，增加可塑性。 烧结粉煤灰砖 烧结煤矸石砖等 非烧结砖 : 用不适合种田的山泥、废土、 砂等，加少量水泥或石灰固结及微量 外加剂和适量水混合搅拌压制成型、 自然养护或蒸养而成。 日本:土、水泥和EER液,搅拌压制成型，自然风干,EER非烧结砖 江西省建材研究院：用红壤土、石灰非烧结砖 深圳建筑科学中心：水泥、石灰、粘土- 非烧结空心砖,非烧结砖是一种有发展前途的新型材料,2.1.2 瓦（屋面材料）,种 类 按成分 粘土瓦

4、、石棉水泥瓦、 水泥瓦、聚氯乙烯瓦、 玻璃钢瓦、 沥青瓦、 钢丝网水泥瓦 等 按形状 平瓦、 波形瓦 根据 尺 寸 偏 差 优等品、一等品和合 格品 外 观 质 量 分为 或 物理力学性能 一等品和合格品,平 瓦,波形瓦,石材：指天然石材： 采自天然岩石（经过加工或未经加工）的石材,古今土木工程中新建城垣、桥梁、房屋、道路及水利工程的主要材料,最古老的土木工程材料 抗压强度高，耐磨、耐久性，加工后富有装饰性 资源丰富、就地取材、成本低,2.1.3 石 材,混凝土组成材料中 石子称为粗骨料（砂称为细骨料） 路桥工程、铁道工程的路基道渣等,碎石 天然岩石或卵石经破碎、筛分而得到的粒径大于5mm的岩

5、石颗粒,卵石（圆滑） 由自然条件作用而形成的，粒径大于5mm的颗粒,2.1.4 砂 石,2.1.4 砂 石,天然砂和人工砂两类 天然砂：由自然岩石风化而形成、粒径 5mm的岩石颗粒 按产源分 河砂、海砂和山砂 较洁 净 含盐分 表面粗糙，多棱角，含泥、有机杂质、 表面圆滑 质量较差 按粗细程度（指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度）分 粗砂、中砂、细砂 砌筑砂浆可用粗砂或中砂 优先选用配制混凝土 毛石砌体： 最大粒径 1/415砂浆层厚度 抹面及勾缝 砖砌体： 粒径25mm的中砂,胶凝材料:土木工程材料中，凡经过一系列物理、化学作用，能将砂子、石子、砖、石块、砌块等其他散粒材料或块状材料胶

6、结起来，从浆体变成具有一定强度的石状整体的材料，统称为胶凝材料。,分为： 无机 + 有机 两大类 无机胶凝材料： 石膏、石灰、水泥 工地上俗称为“灰” 按硬化条件分：气硬性、水硬性 只能在空气中硬化的（石膏、石灰） 既能在空气中又能在水中硬化的（水泥） 有机胶凝材料： 沥青 、各种树脂,2.1.5 灰,1、 石 膏 一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料 许多优良性质：原料来源丰富，生产能耗较低，应用广泛 我国天然石膏已探明储量470多亿吨(世界第一) 土木工程中使用最多的石膏品种是建筑石膏 建筑石膏特性 天然二水石膏(CaSO42H2O,软石膏或生石膏)为主成分 凝结硬化快, 硬化时体积微膨

7、胀 ，硬化后孔隙率较大 加水拌制的浆体有良好的可塑性，装饰性可加工性良好 防火、隔热和吸音性能好，具有一定的调温调湿性,2.1.5 灰,、应用于室内抹面、粉刷 、制成各种石膏制品 轻质、新颖、美观、价廉 纸面石膏板、石膏装饰板、 但强度较低、耐水性能差 纤维石膏板、石膏空心条板、 石膏空心砌块和石膏夹心砌块等 、生产各种浮雕和装饰品： 浮雕饰线、艺术灯圈、角花等石膏外加剂 (如石膏专用减水增强剂) 可提高石膏强度及耐水性,罗马柱,罗马柱头,2.1.5 灰,2、 石灰： 生产工艺简单、成本低、原料分布广、使用较早 石灰石（CaCO3）煅烧分解而成生石灰(CaO) 生石灰加水消解成消石灰（熟石灰C

8、a（OH）2） 石灰的消化（熟化） 石灰膏：生石灰在化灰池中熟化后通过筛网流人储灰坑、 沉淀石灰浆并除去上层水分后的 乳膏 水泥砂浆中掺入石灰浆，可显著提高可塑性,2.1.5 灰,优点: 轻质高强易加工(锯、刨、钻)；弹性、韧性高； 能承受冲击振动作用；导电、热性低；木纹美 丽；装饰性好 缺点: 构造不均匀、各向异性； 吸湿吸水产生较大湿胀和干缩变形；易燃易腐 木材顺纹强度 (作用力方向与纤维方向平行) 木材横纹强度 (作 用力方向与纤维方向垂直）,2.1.6 木 材,工程木材分为原木+锯材+人造板材 原木：已经除去皮(也有不去皮的)，根、树梢而未加工成规定材品的木材 锯材：已经加工锯成一定尺

9、寸的木料 板材(宽度为厚度的三倍或三倍以上) 方材 人造板材：由木材或含有一定纤维量的其他作物原料，用一般物理和化学方法加工而成 比天然木材板面宽，表面平整光洁，无节子，不翘曲开裂， 经加工处理可有防水、防火、防腐、防酸性能 常用人造板材：胶合板，纤维板，刨花板、木丝板、木屑板,2.1.6 木 材,2.2 近代土木工程材料,钢材用于土木工程历史： 19世纪初，开始用于建造桥梁和房屋， 19世纪中叶，钢材品种、规格、生产规模大幅度增长，强度不断提高，钢材的切割和连接等加工技术也大为发展，为建筑结构向大跨重载方向发展奠定了重要基础。 20世纪20年代，预应力混凝土出现，使近代土木工程结构的形式和规

10、模发生了飞跃性的进展。 钢材特点：品质均匀致密，抗拉、抗压、抗弯、抗剪切强度都很高，常温下能承受较大的冲击和振动荷载；具有良好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割，便于装配。,2.2.1 钢 材,土木工程用钢材是指用于钢结构的各种型材（如：圆钢、角钢、工字钢等）、钢板、管材和各种钢筋和钢丝。,2.2.1 钢 材,钢筋,槽钢,钢管,角钢,工字钢,H型钢,钢结构用钢材(型材)和钢筋混凝土用钢材(线材) 型材：轧制的各种型钢、钢轨、钢板、钢管等 线材：钢筋或钢丝 钢材功能要求：高强度、良好塑性和韧性、良好加工性能 钢筋按直径分: 粗钢筋 (直径12mm) 细钢筋 钢筋按抗拉强度分: 四等级（

11、),2.2.1 钢 材,属水硬性胶凝材料 加水拌成塑性浆体，能在空气中和水中凝结硬化，并将其它材料胶结成整体，形成坚硬石材的材料,2.2.2 水 泥,袋装水泥,按用途及性能分：通用水泥，专用水泥，特性水泥 按水硬性物质名称分： 硅酸盐系列水泥(最常用)：硅酸盐水泥(分型：代号P和型:代号P)，普通硅酸盐水泥(普通水泥，代号PO)，矿渣硅酸盐水泥(矿渣水泥，代号PS)，火山灰质硅酸盐水泥(火山灰水泥，代号PP)，粉煤灰硅酸盐水泥(粉煤灰水泥，代号PF)和复合硅酸盐水泥(复合水泥，代号PC) 铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，氟铝酸盐水泥，磷酸盐水泥等,1、水 泥 定义和分类,2、 硅 酸 盐 系 列 水

12、 泥,国家标准(GBl7592)规定 凡由硅酸盐水泥熟料、5的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 *干粉状物的水泥，加适量水拌合即形成可塑性的水泥浆体，水泥浆体在常温下会逐渐变稠直到开始失去塑性（水泥的初凝） *随着塑性的消失，水泥浆体开始产生强度（水泥的终凝） 水泥凝结：水泥浆体由初凝到终凝的过程 水泥硬化：水泥浆体终凝后，强度还会随着时间不断增长，并形成坚硬的水泥石的过程,、快硬硅酸盐水泥 (初凝时间 45m、终凝时间10h) 水泥凝结硬化快，可配制早强、高标号混凝土 适用紧急抢修、低温施工工程和高标号混凝土预制件等 水泥水化热大且迅速，不适合大体积砼工程

13、 、快凝快硬硅酸盐水泥（双快水泥） 凝结快且强度增长也快 用于军事工程、机场跑道、桥梁隧道涵洞等 紧急抢修工程,3、 其 他 品 种 水 泥,、白色硅酸盐水泥 (白水泥） 白色硅酸盐水泥熟料 + 适量石膏 磨细而成的水硬性胶凝材料 强度高，色泽洁白，可配制彩色砂浆和涂料、白色或彩色混凝土、水磨石、斩假石等 是生产彩色水泥的主要原料,3、 其 他 品 种 水 泥,（4）、高铝水泥 快硬、高强、耐热及耐腐蚀的胶凝材料 主要特性：早期强度高、耐高温、耐腐蚀 用于工期紧急的工程 (国防、道路和特殊抢修、冬季施工等) （5）、膨胀水泥 硅酸盐水泥熟料 + 适量石膏和膨胀剂 共同磨细制成的水硬性胶凝材料

14、硬化时不收缩且有适量膨胀，强度发展快，早期强度高 用于制作大口径输水管和各种输油、输气管；要求抗渗、补偿收缩的混凝土结构；要求早强的结构节点浇筑等,3、 其 他 品 种 水 泥,混凝土(砼)是由一定比例的 胶结材料+骨料+水 搅拌振捣成型 养护而成的人造石材 原料丰富， 价格低廉，生产工艺简单， 抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，使用范围广 混凝土质量的基本要求： 符合设计要求的强度 适应施工条件的和易性 适应工程环境的耐久性,2.2.3 混 凝 土,彩色混凝土铺地砖,广州 中信大厦,1）、按胶凝材料分： 水泥混凝土(普通混凝土) 沥青混凝土 石膏混凝土 聚合物混凝土等 2）、按表观密度分

15、： 重混凝土 (2600 kgm) 普通混凝土（1950 2600 kgm） 轻混凝土 (1950 kgm),1、混凝土的分类,3）、按使用功能分： 结构用混凝土 道路用混凝土 水工混凝土 耐热混凝土 耐酸混凝土 防辐射混凝土等 4）、按施工工艺分： 喷射混凝土 泵送混凝土 振动灌浆混凝土等,1、混凝土的分类,由水泥、粗骨料（碎石或卵石)、细骨料(砂)和水拌合，经硬化面成的一种人造石材 砂、石在混凝土中起骨架作用，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, 硬化前 起润滑作用, 使混凝土拌合物具有良好 工作性能, 硬化后将骨料胶结一起形成 坚固整体 掺入适

16、量外加剂和掺合料，能改善 混凝土的某些特性,2、普通混凝土,石子,砂子,水泥浆,气孔,为满足工程的特殊用途，使用采用新型材料、工业废料或采用新的工艺制成（特种水泥混凝土） 、轻骨料混凝土 (轻质砼、轻骨料砼) 、纤维增强混凝土（简称FRC) 、聚合物混凝土 、道路混凝土（碾压混凝土） 、自密实混凝土 (不用机械振捣，无噪音）,3、特种混凝土,钢筋混凝土是指配置钢筋的混凝土。 钢筋混凝土为何能够共同工作？（重点） 钢筋与混凝土之所以可以共同工作是由它们的材料性质决定的。首先钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数，不会由于环境不同产生过大的应力。其次钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋表面也被加

17、工成有间隔的肋条来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，同时为更有效地传递钢筋与混凝土之间的拉力，通常将钢筋的端部加工成弯钩。此外混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层钝化保护膜，使钢筋在中性与酸性环境下更不易腐蚀。 预应力钢筋混凝土通过张拉钢筋产生预应力。,4、钢筋砼和预应力钢筋砼,2.3 现代土木工程材料,2.3.1 高强度混凝土,高强混凝土 之前，C45级以上称为高强混凝土； 随着发展，C60以上称为高强混凝土； 实际工程应用中最高强度为C200，为活性粉掺合料。 用于桥梁、轨枕、高层建筑基础与柱、输水管道、预应力管桩等 高强混凝土特点： 强度高、耐久性好、变形小、抗冻性和耐蚀

18、性较好 能适应工程结构向大跨、重载、高耸发展和承受恶劣环境的需要。有明显工程效益和经济效益，推广应用十分重要 随强度等级，混凝土抗拉强度与抗压强度的比值，混凝土脆性，可靠度 需研究开发高效外加剂来改善性能,2.3.2 高性能混凝土,定义：是一种能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣合养护的习惯做法所获得。 主要指标可概括为：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。 种类如：防磁、防辐射混凝土，导电混凝土，超耐磨混凝土等。,2.3.3 纤维混凝土,定义：是在混凝土中加入合成材料纤维丝或钢纤维，是由纤维

19、和水泥基料（水泥石、砂浆或混凝土）组成的复合材料的统称。 纤维种类：金属纤维、无机纤维和有机纤维等。 纤维混凝土能增强塑性混凝土的抗拉能力，显著降低其塑性流动和收缩微裂纹。,1988年第一届国际材料科学研究会首次提出“绿色材料”概念 1992年6月联合国里约热内卢世界各国首脑会议上确认 绿色材料定义：是指在原材料采取、产品制造、使用或者再循环以及废料处理等环节中对地球环境负荷最小和有利于人类健康的材料。 “绿色”归纳为：“环保、健康、安全、节能”,2.3.4 绿 色 建 材 (生 态 建 材),“绿色建材”含义： 采用清洁的生产技术 无 毒 少用天然资源 无 污 染 多用工业或城市固体废弃物 无 放 射 性 （和农植物秸秆） 有利于 环 保 有利于人体健康 生产过程 建材本身 建材功能,2.3.4 绿 色 建 材 (生 态 建 材),原料少用天然资源，多用尾矿、废渣、垃圾等废弃物 采用低能耗、无环境污染的生产技术 生产无毒无害：不得用甲醛、芳香族、碳氢化合物、含铅、镉、铬及其化合物的颜料、添加