土木工程概论 第二章 土木工程材料

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1、土木工程概论第二章 土木工程材料建筑之家 荣誉整理纵观我国历史，劳动人民在土木工程材料的生产和使用方面，曾经取得重大的成就 。在金属冶炼、木材防腐和陶瓷工艺等方面， 都曾居世界领先地位。我国历代许多有名的建 筑物如万里长城、都江堰水利工程、明故宫和 一些宏伟壮观的寺庙、楼阁、塔等都说明当时 我国土木工程材料特别是天然石料、砖瓦、木 材、油漆和粘结材料的生产和应用技术都达到 了很高的水平。每当出现新的建筑材料时，土 木工程就有飞跃式的发展。土木工程的三次飞 跃发展是：砖瓦的出现、钢材的大量运用、混 凝土的兴起。 概述u土木工程材料是土木工程中所有材料的总称，是土木工程的物质基础，其材料费约占总造

2、价的50%。u土木工程材料的选择是否合理十分关键，因为它决定了建筑物或构筑物的性能、功能、寿命和经济成本，从而影响人类生活空间的安全性、方便性、舒适性。土木工程材料分类无机材料金属材料黑色金属（铁、钢）、有色金属（ 铝、铜及合金等）非金属材料天然石材（砂、石及各种岩石加工成 的石材），烧土制品（砖、瓦、陶 瓷），玻璃胶凝材料（石灰、石膏、 水玻璃、水泥），混凝土、砂浆有机材料植物材料 沥青材料 高分子材料木材、竹材等 石油沥青、煤沥青及其制品 塑料、涂料、胶粘剂复合材料 钢筋混凝土、聚合物混凝土、玻璃钢、纸面或纤维石膏板2.1 砖、瓦、砂、石、灰 砖、瓦、砂、石、灰可统称为地方材料，由于其工程

3、 用量大，原料价格低，一般都在当地或附近采购。砖、 瓦、砂、石、灰这些材料是最基本的建筑材料。无论是 在古代，还是在现代的建筑领域中，砖、瓦、砂、石、 灰处于不可替代的地位。就好比水是由氢元素和氧元素 组成的，建筑都是由砖、瓦、砂、石、灰等基本的建筑 材料组成的。 砖是一种常用的砌筑材料。 优点:制砖的原料容易取得，生产工艺比较简单，价格低 、体积小便于组合，粘土砖还有防火、隔热、隔声、吸潮 。所以至今仍然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中 。 缺点：传统粘土砖毁田取土量大、能耗高、砖自重大，施 工生产中劳动强度高、工效低。那么拿什么来取代 它呢？你有什么好 办法？2.1.1 砖 砖按照生产

4、工艺分为烧结砖和非烧结砖； 按所用原材料分：粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖 、炉渣砖和灰砂砖等； 按有无孔洞分为空心砖、多孔砖和实心砖。 砖的分类大 面顶 面条 面粘土砖5324 011 5页岩多孔砖煤矸石空心砖粉煤灰实心砖炉渣实心砖灰砂实心砖2.1.2 瓦 瓦，一般指粘土瓦。以粘土（ 包括页岩、煤矸石等粉料）为主要原料 ，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而制 成。中国瓦的生产比砖早。西周时期就 形成了独立的制陶业，西汉时期工艺上 又取得明显的进步，瓦的质量也有较大 提高，因称“秦砖汉瓦”。 粘土瓦的生产工艺与粘土砖相似，但对 粘土的质量要求较高，如含杂质少，塑 性高，泥料均化程度高等。中国目

5、前生 产的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦。 粘土瓦只能应用于较大坡度的屋面 。由于材质脆、自重大、片小，施 工效率低，且需要大量木材等缺点 ，在现代建筑屋面材料中的比例已 逐渐下降。 瓦是屋面材料。由于建筑工业的 发展，对屋面材料也提出了新的发 展要求。 按成分分:粘土瓦、水泥瓦、石棉 水泥瓦、钢丝网水泥瓦、聚氯乙烯 瓦、玻璃钢瓦、沥青瓦等； 按形状分:平瓦和波形瓦。 u砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程 的大宗材料。 u砂一般分为天然砂和人工砂两类。 u天然砂：由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成的， 粒径在5mm以下的岩石颗粒。 u人工砂：由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉

6、状物多 ，一般不用。 u砂的颗粒级配是指砂子大小颗粒的搭配比例。2.1.3 砂 骨料颗粒级配示意图u由此可见，砂子的空隙率取决于砂料各级粒径的搭配程 度。级配好的砂子，不仅可以节省水泥，还提高了混凝 土和砂浆的密实度及强度。u砂的粗细用细度模数x表示。细度模数越大，表示砂越 粗。根据细度模数大小范围，把砂划分为粗砂、中砂、细砂、特细砂。 砂在自然状态下往往含有一定的水分，其含水状态有四种1完全干燥状态 图（a） 在1055下烘干，达恒重时的状态。 2. 风干状态 图（b） 也叫气干状态，指砂子含水率和周围湿度达动 态平衡时的状态。 3. 饱和面干状态 图（c） 颗粒表面干燥，内部孔隙吸水达饱和

7、时的 状态。 4. 完成湿润状态 图（d） 颗粒内部吸水饱和且表面附有吸附水的状 态。显然，砂的含水状态直接影响混凝土或砂浆拌合用水及砂的用量。 凡采自天然岩石，经过加工或未经加工的石材，统称为天 然石材。 天然石材是最古老的土木工程材料之一。由于天然石材具 有很高的抗压强度，良好的耐磨性和耐久性，经加工后表 面美观富于装饰性，资源分布广蕴藏量丰富，便于就地取 材，生产成本低等优点，是古今土木工程中修建城垣、桥 梁、房屋、道路及水利工程的主要材料。天然石材经加工 后具有良好的装饰性，是现代土木工程的主要装饰材料之 一。 2.1.4 石 一、毛石毛石也称片石，是采石场由爆 破直接获得的形状不规划

8、的石块。 根据平整程度又将其分为乱毛石和 平毛石两类。毛石可用于砌筑基础 、堤坝、挡土墙等，乱毛石也可用 作毛石混凝土的骨料。 二、料石 料石是由人工或机械开采出的 较规则的六面体石块，再略经凿琢 而成。根据表面加工的平整程度分 为毛料石、粗料石、半细料石和细 料石四种。料石一般由致密均匀的 砂岩、石灰岩、花岗岩加工而成。u三、 饰面石材 u饰面石材从岩石种类分主要有 大理石和花岗岩两大类。 u大理石是指变质或沉积的碳酸 盐类岩石 u花岗石是指可开采为石材的各 类岩浆岩。 四、色石渣色石渣也称色石子，是由天 然大理石、白云石、方解石或 花岗岩等石材经破碎筛选加工 而成，作为骨料主要用于人造 大

9、理石、水磨石、水刷石、干 粘石、斩假石等建筑物面层的 装饰工程。 五、 石子 在混凝土组成材料中，砂称为细骨料，石子称为粗骨料 ，石子除用作混凝土粗骨粒外，路桥工程、铁道工程的 路基道渣等也常用。 石子分碎石和卵石，由天然岩石或卵石经破碎、筛分而 得到的粒径大于5mm的岩石颗粒，称为碎石或碎卵石。 岩石由于自然条件作用而形成的，粒径大于5mm的颗粒， 称为卵石。 所谓灰是指石灰和石膏。石灰和石膏是无机胶凝材料， 土木工程中用胶凝材料将散粒材料（如砂和石子）或块 状材料（如砖和石块）粘结为一个整体。2.1.5 灰 那什么是胶凝 材料，是不是 就象胶水啊 ？凡能在物理、化学作 用下，从浆体变成坚

10、固的石状体，并能胶 结其他物料而具有一 定机械强度的物质。 一、石膏 土木工程中使用最多的石膏品种是 建筑石膏，建筑石膏加水后拌制的 浆体具有良好的可塑性。 建筑石膏具有很好的防火性能、隔 热性能和吸音性能，具有良好的装 饰性和可加工性。 建筑石膏的应用很广，除用于室内 抹面、粉刷外，更主要的用途是制 成各种石膏制品。 常见的有：纸面石膏板、石膏装饰 板、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。 石膏还可用来生产各种浮雕和装饰 品。如浮雕饰线、艺术灯圈、角花 等。纸面石膏板石膏装饰板纤维石膏板轻钢龙骨石膏板隔墙吊顶 石膏空心条板浮雕 二、石灰 石灰石的主要成分是碳酸钙，将石灰

11、石煅烧，碳 酸钙将分解成为生石灰。 熟化：工程上使用石灰时，将生石灰加水，使之 消解成消石灰（氢氧化钙）的过程。 土木工程中应用量最大的金属材料是钢材，它广泛应用于铁 路、桥梁、建筑工程等各种结构工程中，在国民经济建设中 发挥着重要作用。土木工程用的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、管材和用于钢筋 混凝土中的各种钢筋、钢丝等。2.2 钢钢材 钢材是在严格的技术控制条件下生 产的，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， 有一定的塑性和很好的韧性。钢材 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

12、。还可以通过热处理方法，在很 大范围内改变或控制钢材的性能。 采用各种型钢和钢板制做的钢结构，具有自重小、强度高 的特点。钢筋与混凝土组成的钢筋混凝土结构，虽然自重大，但 节省钢材。由于混凝土的保护作用，克服了钢材易锈蚀、维护费 用高的缺点.由于各类建筑物、构筑物对在各种复杂条件下的使用功能 的要求日益提高，建筑用金属材料的发展趋势将是： 1、以高效钢材为主体的低合金钢将得到进一步的发展和应用。 2、随着冶金工业生产技术的发展，建筑钢材将向具有高强、耐 腐蚀、耐疲劳、易焊接、高韧性或耐磨等综合性能的方向发展。 3、各种焊接材料及其工艺将随低合金钢的发展不断完善和配套 。 钢材的分类 将生铁在炼

13、炉中冶炼，将含碳量降低到2以下 ，并使其杂质控制在指定范围即得到钢。钢锭（ 或钢坯）经过压力加工（轧制、挤压、拉拔等） 及相应的工艺处理后得到钢材。 土木工程所使用的钢材大多为普通碳素结构钢的 低碳钢和属普通钢类的低合金结构钢。建筑钢材的产品种类一般分为型材、板材、管材和金属制品四类 ： 1、型材。钢结构用钢，主要有角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车 轨道、金属门窗、钢板桩型钢等。 2、板材。主要是钢结构用钢，建筑结构中主要采用中厚板与薄板 。 3、管材。主要用于桁架、塔桅等钢结构中。 4、金属制品。土木工程中主要使用的产品有钢丝、钢丝绳以及预 应力钢丝及钢绞线。H型钢工字钢u优点：轻质高强；易于

14、加工（如锯、刨、钻等）；有较高的弹性和韧性；能承受冲击和振动作用；导电和导热性能低；木纹美丽；装饰性好等。u缺点，如构造不均匀，各向异性；易吸湿、吸水，因而产生较大的湿胀、干缩变形；易燃、易腐等。2.3 木材u木材是由树木加工而成的，树木分为针叶树和阔叶树。u针叶树：树干通直而高大，易得大材，纹理平顺，材质均匀，木质较软而易于加工，故又称软木材。常用树种有松、杉、柏等。u阔叶树：树干通直部分一般较短，材质较硬，较难加工，故又 名硬木材。常用树种有榆木、水曲柳、柞木等。 木材的分类 树木可分为树皮、木质部和髓心三个部分。而木材主要使用木质部。木质部的构造特征如下：1 边材、心材在木质部中，靠近髓

15、心的部分颜色较深，称为心材。心材含水量较少，不易翘曲变形，抗蚀性较强；外面部分颜色较浅，称为边材。边材含水量高，易干燥，也易被湿润，所以容易翘曲变形，抗蚀性也不如心材。 木材的构造2 年轮、春材、夏材 u横切面上可以看到深浅相间的同心圆，称为年轮。 u年轮中浅色部分是树木在春季生长的，由于生长快，细胞大而 排列疏松，细胞壁较薄，颜色较浅，称为春材（早材）； u深色部分是树木在夏季生长的，由于生长迟绶，细胞小，细胞 壁较厚，组织紧密坚实，颜色较深，称为夏材（晚材）。 3髓心、髓线第一年轮组成的初生木质部 分称为髓心（树心）。从髓心成 放射状横穿过年轮的条纹，称为 髓线。髓心材质松软，强度低， 易腐朽开裂。髓线与周围细胞联 结软弱，在干燥过程中，木材易 沿髓线开裂。 树木的年轮春材夏材木材的主要性质木材的性质包括物理性质和力学性质、如含水率；热胀 干缩；密度；强度(抗拉、抗压、抗弯和抗剪等四种强度) ，其中抗拉、抗压、抗剪强度又有顺纹和横纹之分。顺纹 和横纹强度有很大的差别。木材各种强度的关系见表。影响木材强度的主要因素为含水率（一般含水率高，强度降低 ），温度（温度高，强度降低），荷载作用时间（持续荷载时间 长，强度下降）及木材的缺陷（木节、腐朽、裂纹、翘曲、病虫 害等）。 抗压抗 拉抗弯抗