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1、第二章 工程材料、作用和作用效应一、工程材料工程材料：工程结构由各种各样的材料组成的。1、工程结构所用材料的特性 结构材料承受荷载的能力，称为强度。但强度并不是结构材料的唯一特性，结构材料还有弹性和塑性性能。结构材料承受荷载时，其形状会改变。当荷载小时，变形小；荷载大时，变形也大。若荷载与变形成正比，且一旦移去荷载，变形就恢复原状，称为处于弹性状态。若荷载与变形不成正比，变形增长率比荷载增长率大，且一旦移去荷载，变形不能全部恢复原状，称为处于弹塑性状态。一般材料，在承受较小荷载时，都处于弹性状态；在承受较大荷载时，就会处于塑性状态。有塑性的材料，称为弹塑性材料，如钢材、混凝土；无塑性的材料，称
2、为脆性材料，如玻璃。2、现代土木工程中常用的各种材料土：是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。土可以制砖、烧瓦、和泥浆。木：建筑中的木材主要取自树木的树干。常用的树种是针叶树，如松木、杉木等。工程中常用的木料有圆木、方木、条木、板材等。木材自重轻，制作容易，造价便宜，但易燃、易腐蚀和结构变形大等缺点。石：土木工程中采用的石料分为料石和毛石两类。料石又分为细料石、粗料石和毛料石。毛石分为毛平石、平板石和乱毛石。料石用于拌制混凝土；毛石用于砌筑基础或墙体。砖：砖分为实心砖和空心砖。实心砖是由粘土烧制而成，分为青砖和红砖。砖用于砌筑墙体
3、。粘土砖的制作浪费农田耕地，应限制使用（已经有强制性措施）。提倡采用使用工业废料做成的空心砖。瓦：分为粘土瓦、非粘土瓦和石棉水泥瓦。粘土瓦:是以粘土为原料，经焙烧而成。非粘土瓦:主要是指用水泥和砂子为原料，经模压成型，再经养护硬化而成。石棉水泥瓦:是以石棉纤维和水泥为原料，经制板加压而成。主要用于坡屋顶的屋面。曾经一段时间平屋顶用得较多，实践经验证明，平屋顶屋面漏雨问题无法解决，现在城市中住宅建筑已禁止使用平屋顶，而必须使用坡屋顶，对已建平屋顶甚至还要进行平改坡。胶凝材料和砂浆胶凝材料:胶凝材料是指和水成浆后能硬化为坚实整体的矿物质粉状材料，如石灰、熟石膏、水泥等。水泥一般分为：通用水泥、特种
4、水泥和专用水泥三类。除了酸盐水泥、矿渣水泥，火山灰水泥，粉煤灰等水泥外，还有一些特殊用途的水泥，主要有早期强度较高的快硬硅酸盐水泥，油井水泥，白水泥和彩色水泥等。一些特殊水泥： 铝酸盐自应力水泥 是一定量的铝酸盐水泥熟料和二水石膏粉摩而成的大膨胀率的胶凝材料。 快硬硫铝酸盐水泥 是指用适量铝矾土，石灰石，石膏作为主要原材料，采用回转窑烧制而成的以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的熟料磨制而成的早期强度高的水硬性胶凝材料。 低碱度硫铝酸盐水泥 是指采用适当成分的生料，煅烧至完全熔融或部分熔融所得的以硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物的熟料，加入适量石膏磨制而成的具有低碱度，自由膨胀较小的水硬性胶凝
5、材料。 高水速凝固化填充材料 俗称“甲乙料”。是一种性能类似于英国研究成功的一种称为特克派克的新型水硬性胶凝材料，广泛应用在采矿业充填技术方面。 世界各国还研制生产了具有特异性能的水泥，如荧光水泥，木质水泥，可塑水泥等。 日本研制出一种荧光水泥，可发出红、蓝、绿、黄等多种颜色的光。它吸收阳光和灯光，只要接触到光就能很快起发光作用。这种水泥不燃而耐火，耐久性好，无公害，可用于道路交通、地下隧道等。 瑞典研制出一种木质水泥，这是在水泥中加入了化合物颗粒制成。用这种水泥制出来的制品，可以像木材一样锯切、钉钉子、开螺孔等，并有良好的隔声和防火性。 英国研制成可塑水泥。这种水泥加水调和后在48小时内具有
6、良好柔软性、可塑性和较高的拉力，类似于陶瓷的泥料性能，不用模型就可人工塑造成各异型的器具及工艺美术品等，48小时后开始硬化。特种水泥主要有： A、快凝快硬系列水泥 1、快凝快硬型砂水泥(简称双快型砂水泥) 2、快凝快硬硅酸盐水泥(简称双快硅酸盐水泥) 3、快凝快硬氟铝酸盐水泥（简称双快氟铝酸盐水泥）4、快凝快硬锚固水泥型（双快锚固水泥型） 5、快凝快硬锚固水泥型（双快锚固水泥型）6、堵漏水泥7、新型高强双快水泥B、水工系列水泥1、中热硅酸盐水泥2、低热矿渣硅酸盐水泥3、低热粉煤灰硅酸盐水泥4、低热微膨胀水泥5、抗硫酸盐硅酸盐水泥6、抗渗硅酸盐水泥7、高贝利特水泥C、膨胀水泥及自应力系列水泥1、
7、明矾石膨胀水泥2、石膏矾土膨胀水泥3、硅酸盐膨胀水泥4、快凝膨胀水泥5、无收缩不透水水泥6、膨胀性不透水水泥7、浇筑水泥（无收缩快硬硅酸盐水泥）8、铝酸盐自应力水泥9、硫铝酸盐自应力水泥D、油井系列水泥 1、固井用油井水泥包括A级、B级、C级、D级、E级、F级和G级九个级别的油井水泥，分为普通型、中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型，适用于自地面至井深4800米不同井深的固井要求。2、修井用油井水泥包括微细油井水泥和油层封堵封窜剂。E、有机和无机相结合的水泥 1、塑料水泥（亦称聚醋酸乙烯塑料水泥）2、橡胶水泥（弹性水泥）3、水玻璃耐酸水泥4、硫磺耐酸水泥5、耐氯化铵侵蚀水泥6、环氧树脂水泥F、其它品种水
8、泥 1、硫铝酸盐水泥2、铁铝酸盐水泥3、快硬高强铝酸盐水泥4、道路水泥5、高铝水泥6、白水泥7、钡水泥（防辐射水泥）8、防中子水泥（含硼水泥）9、砌筑水泥10、防潮水泥 砂浆:砂浆是由石灰、石膏、水泥等胶凝材料掺砂或矿渣等细骨料加水拌和而成的，用以砌筑砌体。混凝土和混凝土砌块混凝土，是用水泥、砂（细骨料）和碎石（粗骨料、有时用砾石）按一定重量比例配合，加水拌合成型后养护而成的。水泥和砂、石的比例（按重量）称为配合比。水和水泥的比例（按重量）称为水灰比。混凝土的优点是可模性、耐久性、耐火性、整体性都很好，易于就地取材，价格较低，抗压强度比砖、石、木等都高，且能和钢筋粘结做成强度更高的钢筋混凝土结
9、构；但其自重较大，施工比较复杂，工序多，工期长，抗拉强度低，易产生裂缝。外加剂：在混凝土拌和物中掺入的第五种材料且不得超过水泥重量的一定比例、并能使混凝土按要求改变性质的第五种物质称为混凝土外加剂。外加剂按作用分为六类：改善混凝土、砂浆的和易性，如：减水剂，引气剂；调节混凝土、砂浆的硬化速度，如：早强剂，缓凝剂，速凝剂；调节混凝土、砂浆的空气含量，如：引气剂，加气剂，泡沫剂；改善混凝土、砂浆的物理力学性能，如：引气剂，膨胀剂，抗冻剂；增强混凝土中钢筋抗腐蚀性的外加剂，如：阻锈剂；能为混凝土提供特殊性能的外加剂，如着色剂，脱模剂。钢材：结构工程中所用的钢材的主要成分是铁（Fe，约占99%)和少量
10、的碳(C）。当碳的含量不超过0.22%时称为低碳钢。若含有少量锰(Mn)，硅(Si)，钒(V)等元素，就成为低合金钢。常用钢材的类型有型钢、板材、管材和线材。钢材的优点是材质均匀，强度高，塑性好，便于加工安装；但耐火性差，易于锈蚀，维护费用较高新型材料A、新型墙体材料：保温、隔热、防水、利用废料。（有别于传统材料）新型墙体材料的主要类型产品：1、普通混凝土小型空心砌块 普通混凝土小型空心砌块是以水泥、沙、石为主要原材料，经计量、搅拌、成型、养护等工艺制成的一种空心的新型墙体材料。具有保护耕地、节省生产能耗、可以充分利用地方资源、劳动生产率高、施工速度快、增加建筑物使用面积、可以消耗部分工业废料
11、等优点。 2、加气混凝土砌块 加气混凝土砌块是一种以水泥、石灰、砂、石膏为主要原材料，经计量、搅拌、发泡、切割、蒸压养护等工艺制成的一种多孔新型墙体材料。主要适用于民用与工业建筑物墙体，在多层建筑中也有用于承重墙体的实例。使用加气混凝土砌块可以大大地减轻建筑物的自重、提高建筑物墙体的保温性能，增加建筑物的有效使用面积。 3、轻集料混凝土砌块 轻集料混凝土砌块是以水泥为胶结料，以各种轻集料为填充材料，经计量、搅拌、成型、养护等工艺制成的新型墙体材料。轻集料混凝土砌块具有轻质、保温、隔声、耐火等优良性能。产品主要用于各类建筑的非承重墙体，经过特殊加工或在较低层的建筑工程中也可以用于承重墙体。 4、
12、煤矸石烧结空心砖 煤矸石烧结空心砖是全部以煤炭工业的副产品煤矸石为原材料，经破碎、陈化、搅拌、成型、干燥和焙烧等工艺制成的新型墙体材料。其主要特点是做到了“制砖不用土，烧砖不用煤”，是一种真正实现节能、节土、利废的新型墙体材料。 5、轻质隔墙条板 轻质隔墙条板主要包括：工业灰渣混凝土空心隔墙条板、硅镁加气混凝土空心轻质隔墙板、玻璃纤维增强水泥轻质多孔隔墙条板等。其具有轻质、高强、抗冲击、抗裂、耐水、防火、隔声等优良的性能，而且对增加建筑物的使用面积、提高施工速度、减轻工人的劳动强度、降低建筑工程的综合造价等方面都具有十分重要的意义。产品广泛应用于各类建筑中的非承重分室墙和分户墙。 6、钢丝网架
13、水泥聚苯乙烯夹芯板 主要包括钢丝网架聚苯乙烯夹芯板简称板和钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板简称板。其具有轻质、高强、保温、隔声、防水、抗震等优良的性能，同时还具有便于运输、易于施工、速度快、工期短、增加建筑物使用面积等特点。有利于工业化施工，在节约能源、降低建筑物自重、节省建筑工程投资等方面综合经济效益较为突出。 7、金属面夹芯板 金属面夹芯板是指以彩色涂层钢板为面层，以岩棉、硬质聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料为芯材，在专用自动化生产线上加工成型的轻质复合板材。它是一种具有轻质高强、保温性能好、整体装配性好、施工速度快等优点的新型墙体材料，产品广泛应用于轻钢建筑的屋面、墙面及建筑装饰，以及活动房、
14、冷库建筑中。 8、复合保温砌块 复合保温砌块是以各种混凝土和可发性聚苯乙烯泡沫塑料为主要原材料，经过一次成型、养护等工艺而制成的一种新型复合墙体材料。该产品主要用于各类建筑物的外墙，其主要优点是保温性能好；施工速度快；综合经济效益显著，一般每平方米墙面仅直接造价与建筑外保温相比可降低元左右。B、高性能混凝土：质轻、高强、耐久、环保、性能好。 C、金属材料：轻钢结构，不锈钢防腐，具有特殊性能的形状记忆合金（大型轻钢结构）D、装饰材料：幕墙材料等（大型幕墙结构）二、作 用作用：使结构产生效应的各种因素的总称。1、荷载的分类作用的定义：是指能使结构产生效应（内力、位移、应力、应变、裂缝等）的各种原因
15、的总称。它可归结为直接作用和间接作用两种。直接作用是指直接施加在结构上的力（集中力、分布力），如结构自重、人流、设备重量、风、雪等；间接作用是指能使结构产生外加变形或约束的作用，如地震、温度变化、地基变形、材料的收缩和徐变等。直接作用通常又称为荷载。荷载的分类：A、按荷载的分布形式分类：集中荷载、线荷载、面荷载、体荷载B、按荷载随时间的变异分类：永久荷载、可变荷载、偶然荷载C、按荷载随位置的变异分类：固定荷载、可动荷载D、按结构对荷载的反映分类静态荷载、动态荷载2、恒载恒载：包括建筑物的自重和永久设备的重量。建筑物的自重可按结构设计尺寸与其材料的重力密度计算确定，永久设备自重可采用设备的铭牌重量。3、活载活载：位置发生变动的荷载。建筑物除了恒载外，还有人群，家具，设备等可以移动的活载。活载的数量，位置都是可以变化的，只能按照它们最大可能出现的值，放在最不利的位置进行设计。
