土木工程概论.第02章 土木工程材料.

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1、土木工程概论 本 章 内 容 2.1 概述 2.2 胶凝材料 2.3 砂浆和混凝土 2.4 钢材 2.5 木材 2.6 墙体材料 2.7 功能材料简介 2.1 概述 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： 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： 复合 、多功能 、绿色 、节能 、轻质高强 、工业化 2.2 胶凝材料 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

2、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 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 概念：石膏的主要成分是硫酸钙。 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

3、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：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，两面用纸作护面而成的一种轻质板材。 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：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

4、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 硅酸盐水泥 l 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： 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： 由硅酸盐水泥熟料、6%20%混合材料、适量石膏磨细而制

5、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： 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 沥青： 沥青为憎水性材料，是由一些极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：天然沥青、石油沥青和焦油沥青三大类 l 用途：道路工程、防水、防腐 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：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：防

6、水材料、密封材料 l 分类：天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶 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 砂浆和混凝土 一、砂浆 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：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：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：砌筑砂浆起着

7、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：包含流动性和保水性两方面含义。 l 砂浆强度划分：M20、M15、M10、M7.5、M5、M2.5等六个等级 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： 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：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

8、、彩 色水泥等。白色水泥可配制白色或彩色砂浆。 l 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：绝热砂浆、吸声砂浆、聚合物砂浆、耐酸砂 浆等 二、混凝土 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： (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

9、 缺点：抗拉强度低、自重大 l 分类：按混凝土所用胶凝材料种类的不同分为水泥混凝土 （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 ： 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 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

10、承载能力，同时减少用钢量，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：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：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：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，结合了有机聚合物和无机聚

11、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 钢材 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 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： 伸长率、屈服强度、抗拉强度 l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：反映了钢材抵抗冲击荷载的能力。 三、钢材的加工 l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。

12、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：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： 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：木材加工后的材种可分为原木、原条、板方材、 木质人造板材。 l 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 木材 2

13、.6 墙体材料 一、砖 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：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 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：砌块制

14、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：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：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，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：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

15、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 ：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 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：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：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 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 ：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、片状或薄膜状