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1、第2章,土木工程材料,2.1 概述,土木工程中所使用的各种材料及其制品统称为土木工程材料，它是一切土木工程的物质基础，任何土木工程建（构）筑物（包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等）都是用材料按一定的要求打造而成的，正确选择和合理使用土木工程材料，对土木工程建（构）筑物的安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。 1、分类：土木工程材料的品种很多，一般分为金属材料和非金属材料两大类。材料也可按功能分类，工程上通常根据材料组成物质的种类及化学成分将材料分为三大类，如表2-1所示。 2、发展：土木工程材料是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐步发展起来的。 古代：金属冶炼、陶瓷工艺、天
2、然石料、砖瓦、木材、油漆和粘结材料 近代：钢材的大量运用、水泥混凝土的兴起,现代：原材料充分利用再生资源和工业废料 生产工艺降低能耗和环境污染 产品性能轻质、高强、耐久、绿色及多功能 产品形式预制技术，构件化，单元化,表2-1 土木工程材料的分类,2.2土木工程材料的基本性质参数,土木工程建（构）筑物使用的各种材料要受到各种不同的作用，从而要求材料具有相应的不同性质。用于各种承力结构中的材料，要受到各种外力的作用；长期暴露于大气中或与侵蚀介质相接触的建（构）筑物中的材料，还会受到冲刷、磨损、化学侵蚀、生物作用、干湿循环、冻融循环等破坏作用。为了保证建（构）筑物能经久耐用，要求设计人员必须掌握材
3、料的基本性质，并能合理的选用和使用材料。 2.2.1材料的基本物理性质 材料的基本物理性质是表示材料物理状态特征的指标， 1、材料的密度、表观密度和堆积密度 2、材料的孔隙率和空隙率 3、材料的亲水性和憎水性 4、材料的吸湿性和吸水性 5、材料的耐水性 6、材料的抗渗性和抗冻性 7、材料的导热性、热容量和耐燃性,2.2.2材料的基本力学性质,材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。根据变形的特点，分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。根
4、据破坏形式的不同，材料可分为脆性材料和韧性材料。,1强度 2、弹性与塑 3、韧性与脆性 4、硬度,图2-2 材料的受力形式 ()抗压 ()抗拉 ()抗折 ()抗剪,2.2.3材料的耐久性与环境协调性,土木工程材料的发展方向要求除具有良好的使用性能外，还须具有良好的环境协调性能，即具有好的耐久性、低的环境负荷值和高的可循环再生率，强调环保绿色建材。,1、材料的耐久性：材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性，它是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等 。 2、材料的环境协调性：材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周
5、期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较高可回收率。,图2-3 酸雨腐蚀,2.2.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响,材料的组成是指材料的化学成分、矿物组成和相组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。 材料的结构和构造是决定材料性质极其重要的因素，可分为宏观组成结构、细观结构和微观结构。,1、材料的微观结构及其对材料性质的影响 材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。 2、材料的宏观构造及其对性能的影响 材料的宏观构造是
6、指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。常见的构造形式有：密实构造、多孔构造、纤维构造、层状构造、散粒构造、纹理构造。,2.3天然石材、砖、瓦,天然石材、砖、瓦是最基本的建筑材料。无论是在古代，还是在现代的土木工程领域中都处于不可替代的地位。,2.3.1天然石材 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
7、木工程的主要装饰材料之一。 土木工程主要应用的天然石材品种有： 毛石、料石、饰面石、色石渣、混凝土用砂、石子等。,2.3.2 砖,砖是一种常用的墙体材料。砖瓦的生产和使用在我国历史悠久，有“秦砖汉瓦”之称。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、吸潮等优点。所以至今仍然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中。但是由于生产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，因此有逐步改革并用新型材料取代的必要。有的城市已禁止在建筑物中使用粘土砖。,砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖；按所用原材料分为粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤
8、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（见图2-8）。,图2-8 各种墙体砖材,2.3.3瓦,瓦，一般指粘土瓦。中国瓦的生产比砖早，因称“秦砖汉瓦”。中国目前生产的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦等（如图2-9）。 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。由于建筑工业的发展，对屋面材料也提出了新的发展要求。 目前，瓦的种类较多，按成分分，有粘土瓦、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；按形状分有平瓦和波形瓦两类。,图2-9 典型的古代汉瓦,2.4无机胶凝材料,凡
9、能在物理、化学作用下，从浆体变为坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。 胶凝材料包括有机胶凝材料与无机胶凝材料。无机胶凝材料按硬化条件不同可分为气硬性和水硬性两类。 水硬性胶凝材料：拌和水后既可在空气中硬化亦可于水中硬化，并保持及发展强度。（水泥） 气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，并保持和继续发展强度者称为气硬性胶凝材料。（石灰、石膏等）,2.4.1石灰 石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。 1、石灰的生产及分类 将主要成分为碳酸钙的天然岩石，在900 1100 下燃烧，排除分解出的二氧化碳后，所得以CaO为主要成分的产品即为生石灰。工程常用的石灰
10、种类有生石灰粉、消石灰粉、石灰膏。 2、石灰的熟化与硬化 生石灰（CaO）与水反应生成氢氧化钙称为石灰的熟化。 石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化两个过程，后者过程缓慢。 3、石灰的性质与技术要求 石灰的性质：可塑性好；硬化较慢、强度低；硬化时体积收缩大；耐水性差；石灰吸湿性强。 国家对生石灰、生石灰粉及消石灰粉的主要技术指标有相关的规定。 4、石灰的应用 石灰在建筑上的用途很广，主要用于制作石灰乳涂料、配制混合砂浆、拌制石灰土和石灰三合土、生产硅酸盐制品等。,我国石膏资源丰富，已探明天然石膏储量为471.5亿吨，居世界之首。 1、石膏的种类 天然二水石膏（CaSO42H2O）矿石是生产石膏胶凝
11、材料的主要原料 化工石膏含有CaSO42H2O与CaSO4混合物的化工副产品及废渣 天然无水石膏（CaSO4）结晶紧密，结构比天然二水石膏致密，质地较硬，难溶于水，又称天然硬石膏。一般作为生产水泥的原料。 建筑石膏（半水石膏）是以半水石膏（-CaSO41/2H2O）为主要成分，其反应式为： CaSO42H2O -CaSO41/2H2O3/2H2O 建筑石膏晶体较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，因而强度较低。 高强石膏将二水石膏置于具有0.13MPa、124的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的型半水石膏（-CaSO41/2H2O），高强石膏晶粒粗大，调
12、制成浆体时需水量较小，因而强度较高。,2.4.2石 膏,2、建筑石膏的性质与应用 性质：建筑石膏具有良好的可塑性、防火性能、隔热性能、吸音性能、装饰性和可加工性。但强度较低、耐水性能差。 用途：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，广泛应用于各种装修装饰工程（如图2-10）。,2.4.3水泥 水泥是粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性浆体，能在空气中和水中凝结硬化，可将其它材料胶结成整体，并形成坚硬石材的材料。 1、水泥的分类： 水泥按其用途及性能分：通用水泥、专用水泥、特性水泥。 水泥按其主要水硬性物质名称分：硅酸盐系水泥（波特兰水泥）、铝酸盐系水泥、
13、硫铝酸盐系水泥、氟铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥和以火山灰性或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥。 2、通用水泥 ：硅酸盐系列水泥。根据活（非）混合材料的种类和比例不同硅酸盐系水泥主要品种有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。 3、特性水泥和专用水泥 特性水泥是指某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥； 专用水泥是指专门用途的水泥，如道路硅酸盐水泥。 （1）快硬硅酸盐水泥：3d抗压强度表示标号，适用于紧急抢修工程、低温施工工程和高标号混凝土预制件等.,（2）快凝快硬硅酸盐水泥：小时强度增长快，主要用于军事工程、机场跑道
14、、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程。 （3）白色硅酸盐水泥：根据白度及标号，分为优等品、一等品和合格品。用于建筑物的内外装修工程， （4）高铝水泥：铝酸盐系水泥，是一种快硬、高强、耐热及耐腐蚀的胶凝材料。主要用于国防、道路和特殊抢修工程等，但不宜用于永久性工程。 （5）膨胀水泥：具有膨胀性，按水泥的主要成分不同，分为硅酸盐、铝酸盐和硫铝酸盐型膨胀水泥；按水泥的膨胀值及其用途不同，又分为收缩补偿水泥和自应力水泥两大类。可用于制作大口径输水管和各种输油、输气管，有抗渗要求的工程。要求补偿收缩的混凝土结构、要求早强的工程结构节点浇筑等。 （6）中热水泥和低热矿渣水泥：主要特点为水化热低，适用于大坝和大
15、体积混凝土工程 （7）道路水泥:由较高铁铝酸钙含量的硅酸盐道路水泥熟料，010活性混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥。特点是抗裂性能好。,4、水泥的贮存、运输和保管 （1）分类贮存：不同品种、不同标号的水泥应分别存放，不可混杂。 （2）防潮防水：水泥受潮后即产生水化作用，凝结成块，影响水泥的正常使用。 （3）贮存期不宜过长：贮存期过长，由于空气中的水汽、二氧化碳作用而降低水泥强度。一般来说，贮存三个月后的强度约降低1020。所以，通用水泥存放期一般不应超过三个月。快硬水泥、高铝水泥的规定贮存期限更短（分别为一、二个月）。过期水泥，使用时必须经过试验，并按试验重新确定的
16、标号使用。,2.5混凝土与砂浆,2.5.1混凝土,混凝土也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料，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。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等,1、混凝土的种类与发展 混凝土的种类很多。 按胶凝材料不同分：水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混凝土等；按表观密度不同分重混凝土、普通混凝土、轻混凝土； 按使用功能不同分：结构用混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土及防辐射混凝土等； 按施工工艺不同分：喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浆混凝土等。 为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，人们还将水泥混凝土与其他材料复合，出现了钢筋混凝土，预应力混凝土，各种纤维增强
