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1、第三章 土木工程材料,第三章 土木工程材料,内容提要 本章主要内容包括土木工程材料的分类、发展趋势；金属材料、胶凝材料、砖、瓦、砌块、砂、石、木材、混凝土和砂浆、高分子材料和功能材料以及其他土木工程材料和新型建筑材料的种类、特点及用途。 教学提示 本章内容侧重于介绍各种土木工程材料的种类及用途，可以以“材料的分类材料的特点材料的用途”为主线来学习。 教学要求 掌握土木工程材料的分类，重点掌握钢材、水泥、混凝土和砂浆等重要材料的分类和应用范围，了解土木工程材料发展趋势，了解新型建材的种类及用途。,第三章 土木工程材料,3.1 土木工程材料概述 3.2 金属材料 3.3 胶凝材料 3.4 砖、瓦、
2、砌块、砂、石、木材 3.5 混凝土和砂浆 3.6 高分子材料及功能材料 3.7 其他材料,3.1土木工程材料概述,一、土木工程材料的发展历程 原始社会时期，人们居住于天然的岩洞、树巢中； 进入石器、铁器时代，人们开始利用简单的工具砍伐树木，凿洞搭棚； 进入青铜器时代，人们开始利用木材建造更为舒适的木结构建筑； 公元前10世纪前后，人类学会了用粘土烧制砖、瓦，用岩石烧制石灰、石膏； 18、19世纪，相继出现了钢材、水泥、混凝土和预应力混凝土及其他新型材料； 进入20世纪，新型的土木工程材料特别是化学建材不断涌现，出现了塑料、涂料、建筑陶瓷与玻璃、新型复合材料（纤维增强材料、夹层材料等）等。,3.
3、1 土木工程材料概述,二、土木工程对材料的要求 优良的土木工程材料必须具备： 足够的强度，能够安全地承受设计荷载； 材料自身的质量以轻为宜（即表观密度较小），以减轻下部结构和地基的负荷； 具有与使用环境相适应的耐久性，以减少维修费用； 用于装饰的材料，应能美化建筑，产生一定的艺术效果； 用于特殊部位的材料， 应具有相应的特殊功能。 另外，土木工程材料的生产过程应尽可能低能耗、低物耗及环境友好。,3.1 土木工程材料概述,三、土木工程材料的分类 根据材料的来源，土木工程材料可分为天然材料和人工材料； 根据材料的功能，可分为结构材料、装饰材料、防水材料、绝热材料、吸声隔声材料等； 根据组成物质及化
4、学成分，土木工程材料可以分为无机材料、有机材料和复合材料，各大类又可以细分，如图3.1所示。,3.1 土木工程材料概述,图3.1 土木工程材料的分类,3.1 土木工程材料概述,四、土木工程材料在土木工程中的作用 1.土木工程材料是保证土木工程建（构）筑物质量的基础。 2.土木工程材料的造价是决定土木工程造价的主要因素。 3.合理选择、正确使用土木工程材料，决定构筑物的使用功能及耐久性。 4.土木工程材料的发展影响土木工程的结构形式和施工方法。 5.土木工程材料的更新促进了新技术、新工艺的开发，新材料的出现，促进了工程结构形式的变化、设计方法的改进以及施工技术的革新。,3.1 土木工程材料概述,
5、五、土木工程材料的发展趋势 1.复合化。 2.多功能化。 3.轻质高强化。 4.节能和绿色化。 5.智能化。,3.2 金属材料,土木工程中，金属材料有着广泛的用途。金属材料可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合金，如生铁和钢等；有色金属是以其他金属元素为主要成分的金属及其合金，如铝合金、铜合金等。,3.2 金属材料,一、钢材 特点 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。 但钢材的耐火性
6、差，容易生锈，维护费用大。 （一）钢材的分类 根据化学成分不同，钢材可以分为碳素钢和合金钢两大类，土木工程用钢基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢。,3.2 金属材料,碳素钢的含碳量小于2.11%，根据含碳量可分为低碳钢（含碳量小于0.25%）、中碳钢（含碳量0.25%0.6%）和高碳钢（含碳量大于0.6%）。 合金钢根据合金元素总含量可以分为低合金钢（合金元素含量小于5%）、中合金钢（合金元素含量5%10%）和高合金钢（合金元素含量大于10%）。 根据冶炼时的脱氧程度，钢材可以分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 根据用途，钢材可以分为结构钢、工具钢和特殊钢。,3.2 金属材料,（二）钢
7、材的加工、防腐和防火 将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使钢材发生塑性变形，可以提高其屈服强度。将钢材按一定的规则加热、保温和冷却，如退火、正火、淬火和回火，可改变钢材内部组织，改善钢材性能 。 随着钢材所处环境温度升高，其持久强度将会下降，如发生火灾时，无保护层的钢柱耐火极限只有0.25h。因此，土木工程中，钢结构用钢材需包覆防火板或涂刷防火涂料、钢筋混凝土结构中的钢筋应有足够的保护层以满足防火需要。 由于环境因素和自身特点，钢材会发生化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀，降低钢材强度。可通过在型钢表面刷漆、镀锌、加涂塑料复合层，保证钢筋混凝土中钢筋保护层厚度防止钢材腐蚀。,3.2 金属材料,（
8、三）土木工程中常用的钢材 1.钢筋 （1）热轧钢筋：热轧钢筋根据表面形状分为光圆钢筋和带肋钢筋 。热轧光圆钢筋是用碳素结构钢轧制而成，其牌号由HPB（Hot rolled Plain ribbed Bars）和屈服强度（MPa）特征值构成，有HPB235和HPB300两种，可用作中、小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋，也可作为冷轧带肋钢筋和冷拔低碳钢丝的原材料。普通热轧带肋钢筋的牌号由HRB（Hot rolled Ribbed Bars）和屈服强度（MPa）特征值构成，有HRB335、HRB400、HRB500三种，细晶粒热轧带肋钢筋牌号由HRBF（Hot rolled Ribbed Bars
9、Fine）和屈服强度特征值值表示。,3.2 金属材料,a）等高肋 b）月牙肋 图3.2 带肋钢筋,3.2 金属材料,（2）冷轧带肋钢筋： 冷轧带肋钢筋是是用热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋。冷轧带肋钢筋的牌号由CRB（Cold rolled Ribbed Bars）和钢筋的抗拉强度（MPa）最小值构成，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五种。 （3）预应力混凝土用钢棒： 预应力混凝土用钢棒是用低合金钢热轧圆盘条经淬火、回火调质处理而成，通常有光圆、螺旋槽、螺旋肋和带肋四种表面形状和公称直径616mm多种规格。 （4）
10、预应力混凝土用钢丝与钢绞线：预应力混凝土用钢丝是以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火奥氏体化、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝，按加工状态可分为冷拔钢丝和消除应力钢丝两类，主要用作桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。,3.2 金属材料,2.型钢 （1）热轧型钢： 常用的热轧型钢有角钢（等边和不等边）、I字 钢、槽钢、H形钢、Z形钢等，部分热轧型钢截面如图3.3所示。,图3.3 几种常见热轧型钢截面示意图,3.2 金属材料,（2）冷弯薄壁型钢： 冷弯薄壁型钢通常用26mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢（如图3.4），可用于轻
11、型钢结构。,a.角钢；b.内卷边角钢；c.槽钢；d.内卷边槽钢；e.Z形钢；f.卷边Z形钢；g.帽形钢；h.专用型钢 图3.4 冷弯型钢截面示意图,3.2 金属材料,（3）钢板、压型钢板和钢管 钢板是用轧辊轧制而成的扁平钢材，按轧制温度不同，钢板可分为热轧和冷轧两类，热轧钢板有厚板（厚度4mm）薄板（厚度0.354mm）之分，冷轧钢板只有薄板（厚度0.24mm）。 薄钢板经辊压或冷弯可制成截面呈V形、U形、梯形或类似形状的波纹，并可采用有机涂层、镀锌等表面保护层的钢板，称为压型钢板。压型钢板可用作建筑屋面板、楼板、墙板、装饰板等，还可与保温材料等复合，制成复合墙板。 钢管有无缝钢管和焊接钢管之
12、分，土木工程中，钢管可用于输送各种流体，钢管在建筑结构上可用于制作桁架、塔桅等构件，也可用于制作钢管混凝土。,3.2 金属材料,二、铝合金及其制品 纯铝可加工成铝粉，用于加气混凝土的发气或防腐涂料（银粉漆）。在铝中加入锰、镁、铜、锌等可制成铝合金，其强度和硬度等大大提高，通过电化学处理可使铝合金制品表面具有各种颜色，提高其装饰效果。通过热挤压、轧制、铸造等工艺，铝合金可被加工成铝合金门窗、龙骨、压型板、花纹板、管材等。压型板和花纹板可直接用于墙面、屋面等的装饰，也可以与各种绝热材料复合为轻质的隔热保温材料。,3.3 胶凝材料,胶凝材料 土木工程材料中，凡是经过一系列物理、化学作用能将散粒状或块
13、状材料粘结成整体的材料统称为胶凝材料。 胶凝材料分类 根据胶凝的材料的化学组成，一般可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。无机胶凝材料有石膏、石灰、水玻璃和水泥等，有机胶凝材料有沥青、各种合成树脂等。,3.3 胶凝材料,一、石膏 天然石膏的主要成分为二水石膏（CaSO42H2O），将二水石膏在非密闭的窑炉中加热脱水可得到半水石膏（CaSO41/2H2O），称为建筑石膏。 建筑石膏的初凝和终凝时间短，硬化后导热系数小，吸声性强、吸湿性大，具有较好的防火性能，在建筑中制成石膏抹灰材料、各种墙体材料、各种装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕塑制品等。,3.3 胶凝材料,二、石灰 石灰是土木工程中使用较早的
14、矿物胶凝材料之一，生石灰（主要成分CaO）是将石灰石（主要成分为CaCO3）在10001100煅烧获得，将生石灰加水可使其消解为熟石灰，又称消石灰（主要成分为Ca(OH)2）。 石灰在土木工程中可用于制作石灰乳和石灰砂浆，也可用于拌制石灰土和三合土，或用于生产硅酸盐制品。,3.3 胶凝材料,三、水玻璃 水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，常用的是硅酸钠水玻璃Na2OnSiO2。 水玻璃具有良好的粘结能力和高度的耐酸性能，可涂刷在建筑材料表面提高抗风化能力、配制快凝堵漏防水剂、用于土壤加固等。,3.3 胶凝材料,四、水泥 1.硅酸盐水泥：硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或粒化高炉
15、矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，硅酸盐水泥的生产工艺流程如图3.5所示。硅酸盐水泥的熟料主要由4 种矿物组成： 硅酸三钙（3CaOSiO2），约占36%60%； 硅酸二钙（2CaOSiO2），约占15%36%； 铝酸三钙（ 3CaOAl2O3 ）， 约占7%15%； 铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3），约占10%18%。,3.3 胶凝材料,硅酸盐水泥凝结硬化快、强度高，抗冻性、耐磨性好，耐腐蚀性、耐热性差，水化热大，主要用于重要结构的高强度混凝土和预应力混凝土工程，冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程。根据养护3d和28d的抗压强度，硅酸盐水泥可分为42.5、42.5R、52.
16、5、52.5R、62.5、62.5R六个等级，其中代号R表示早强型水泥。,图3.5 硅酸盐水泥的生产工艺流程,3.3 胶凝材料,2.掺混合材料料的硅酸盐水泥：为了改善水泥性能，调节水泥强度等级，常在水泥中加入人工或天然的非活性材料和粉煤灰、火山灰、高炉矿渣等活性材料，从而获得性能优良的普通硅酸盐水泥、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。,3.3 胶凝材料,常用水泥选用 表3.1,3.3 胶凝材料,3.其他水泥 （1）白色和彩色硅酸盐水泥：白色硅酸盐水泥是采用高岭土、纯石英砂、纯石灰石等含有极少量着色物质的原料烧成熟料，其矿物成分主要还是硅酸盐。将白色硅酸盐水泥熟料、石膏和耐碱矿物颜料共同磨细，可制成彩色硅酸盐水泥。白色和彩色硅酸盐水泥主要用于建筑物地表面装饰工程，也可用于雕塑及装饰部件或制品。 （2）抗硫酸盐硅酸盐水泥：抗硫酸盐硅酸盐水泥对于硫酸盐侵蚀具有较强的抵抗能力。与通用水泥相比，水泥熟料中铝酸三钙和硅酸三钙的含量少。该水泥还具有较低的水化热和较高的抗冻性，特别适用于一
