土木工程概论课件：土 木 工 程 材 料

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1、土木工程概论土木工程概论土土 木木 工工 程程 材材 料料思 考 题 1）土木工程材料对建筑结构形式和建筑技术有那些影响 2）土木工程材料主要分几类，它们各自需要具备哪些功能，列举各类土木工程材料中的主要材料。 3）阐述混凝土和钢材的力学特性（如拉、压作用下的应力-应变关系等），分析他们力学性能的主要差别。 4）在钢筋混凝土受弯构件中，钢筋和混凝土各自主要承受什么性质的作用力？ 5）何为气硬性胶凝材料、何为水硬性胶凝材料，？ 6）目前对智能建筑材料有那些研究方向，各种智能材料有哪些功能？ 7.1 土木工程材料 在土木工程中的地位 7.2 主要土木工程材料简介 7.3 土木工程材料的研究进展7.

2、1 土木工程材料 在土木工程中的地位 7.1.1 土木工程材料发展 对土木工程的影响 7.1.2 土木工程材料知识 对土木工程师的影响思 考 题 1）土木工程材料对建筑结构形式和建筑技术有那些影响 2）土木工程材料主要分几类，它们各自需要具备哪些功能，列举各类土木工程材料中的主要材料。 3）阐述混凝土和钢材的力学特性（如拉、压作用下的应力-应变关系等），分析他们力学性能的主要差别。 4）在钢筋混凝土受弯构件中，钢筋和混凝土各自主要承受什么性质的作用力？ 5）何为气硬性胶凝材料、何为水硬性胶凝材料，？ 6）目前对智能建筑材料有那些研究方向，各种智能材料有哪些功能？土木工程发展的土木工程发展的三要

3、素三要素：土木工程材料土木工程材料 施工技术施工技术 设计理论设计理论土木工程的土木工程的三要素三要素：土木工程材料土木工程材料 施工技术施工技术 设计理论设计理论土木工程材料的发展水平 决定着建筑物和构筑物等土木工程的发展水平 土木工程发展史充分反映了土木工程材料对土木工程 发展的重要作用。 从17世纪中叶到20世纪中叶是土木工程发展的主要时期，在这个时期中主要有以下11件对土木工程的发展有重大意义的事件。其中5件直接是土木工程材料的发展：材料的发展水平决定了设计的观念。 新型的建筑材料创造了新型的设计概念。新材料是新设计的物质基础。意大利科学家伽利略在1638年出版的著作关于两门新科 学的

4、谈话和数学证明中论述了建筑材料的力学性质和梁 的强度，首先用公式表达了梁的设计理论。英国科学家牛顿在1687年总结了力学三大定律，它们是土 木工程设计理论的基础。瑞士数学家欧拉在1744年出版的曲线的变分法建立了 柱的压屈理论，为分析土木工程结构物的稳定问题奠定了 基础。1825年纳维建立了土木工程中结构设计的容许应力法；19 世纪末里特尔等人提出了极限平衡的概念。这为土木工程 的结构理论分析打下了基础。1824年英国人阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开 始生产。20世纪初，有人发表了水灰比等学说，才初步奠定了 混凝土强度的理论基础1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法，使钢材得以大量生

5、产，并广 泛应用于土木工程。1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制成花盆，并推广到工 程中，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋砼的开端。1875年， 他主持建造了第一座长16m的钢筋砼桥。1883年美国在芝加哥由称为“摩天楼之夫”的詹莱（B.Jenney)建 造的11层住宅保险大楼，是世界最先用铁框架（部分钢架）承 受全部大楼的重力，外墙仅为自承重墙的高层建筑。1889年， 法国在巴黎建造了高300m的埃菲尔铁塔，用钢8000t。这是近 代高层建筑结构的萌芽。1886年美国人杰克逊首先应用预应力混凝土制作建筑配件，后 又制作楼板。1930年法国工程师弗涅希内将高强度钢丝用于混 凝土土木工程在铁路

6、、公路、桥梁建设中得到了大规模发展； 1825年在英国人斯蒂芬森在英格兰北部斯托克顿和达灵顿 之间修筑了世界第一条长21km 的铁路，1863年在伦敦又 建造了世界第一条地下铁道 1779年英国用铸铁建成跨度为30.5m的拱桥；1826年英国 用锻铁建成建造了第一座跨度为177m的悬索桥；1890年英 国又建成两孔主跨的悬臂式桁架梁桥。这样，现代桥梁的 三种基本形式（梁式桥、拱桥、悬索桥）相继出现。 19311942年，德国率先修筑了长达3860km的高速公路网1906年美国旧金山大地震，1923年日本关东大地震，这些自然 灾害推动了结构动力学和工程抗震技术的发展。1）土木工程材料的发展水平

7、决定着建筑物和构筑物等土木工程的发展水平 土木工程发展史充分反映了土木工程材料对土木工程 发展的重要作用。 从17世纪中叶到20世纪中叶是土木工程发展的主要时期，在这个时期中主要有以下11件对土木工程的发展有重大意义的事件。其中5件直接是土木工程材料的发展：材料的发展水平决定了设计的观念。 新型的建筑材料创造了新型的设计概念。新材料是新设计的物质基础。 山西应县木塔，山西应县木塔，建于公元建于公元10561056年，年，塔高塔高67.3m67.3m，八角，八角形，底层直径形，底层直径30.27m30.27m。该塔共。该塔共9 9层，是我国保存层，是我国保存至今的唯一木塔，至今的唯一木塔，也是现

8、存的最高也是现存的最高的木结构之一。的木结构之一。它虽经多次大地它虽经多次大地震仍完整无损，震仍完整无损，足以证明我国历足以证明我国历史上木结构的辉史上木结构的辉煌成就煌成就。 意大利比萨斜塔意大利比萨斜塔 高高55米米 第一层墙厚第一层墙厚4.1米，米， 以上各层墙厚以上各层墙厚2.6米，米， 内径内径7.65米。米。 基础底面为圆环形，基础底面为圆环形， 外径外径19.35米，内径米，内径4.51米米 全塔总重全塔总重145MN，地基承受的接，地基承受的接 触压力高达触压力高达500kPa。世界上最高世界上最高的人造建筑的人造建筑物阿联酋迪物阿联酋迪拜塔高度达拜塔高度达818米米, 上海金

9、茂大厦上海金茂大厦19991999年建成年建成高度中国第一，世界第三，也是世高度中国第一，世界第三，也是世界最高的钢界最高的钢混凝土组合结构，混凝土组合结构，总总高高421m421m. .建筑面积建筑面积2929万平方米，万平方米，8888层层包括包括5252层办公用房层办公用房3434层旅馆用房。层旅馆用房。金茂大厦是中国建筑工程史上的里金茂大厦是中国建筑工程史上的里程碑。程碑。目前规划中的世界第目前规划中的世界第6 6 中国中国 上海上海 上海中心大厦上海中心大厦 580m,2013580m,2013年在建年在建 今土耳其伊斯坦布尔的索菲亚大教堂。该教堂为砖砌穹顶（圆形球壳），直径30余米

10、，穹顶高50余米144m特大跨特大跨度钢桁架度钢桁架7.1 土木工程材料 在土木工程中的地位 7.1.1 土木工程材料 对土木工程的影响 7.1.2 土木工程材料知识 对土木工程师的影响7.1.2 土木工程材料知识对土木工程师的影响 1） 从土木工程的定义可知：土木工程是用土木工程材料修建各种建筑物或构筑物工程的生产活动和工程技术。 因此要求土木工程技术人员必须对各种土木工程材料的性质有足够的认识。 不同的材料有不同的工程性质；如果土木工程师不能正确地掌握材料的性质，不能正确地使用材料，将造成严重的恶果。事例事例11990年年2.16日，日，某市工厂某市工厂4楼会楼会议室屋顶顶棚议室屋顶顶棚的

11、五榀轻型钢的五榀轻型钢屋架连同屋面屋架连同屋面突然倒塌。当突然倒塌。当时有时有305人正在人正在室内开会。造室内开会。造成成42人死亡，人死亡，179人受伤的特人受伤的特大灾难，经济大灾难，经济损失达损失达430多万多万元。元。事例事例2: 1997年年3.25日，某市开发区一港商独资企业的一幢日，某市开发区一港商独资企业的一幢4层职工宿舍楼突层职工宿舍楼突然整体倒塌，死亡然整体倒塌，死亡31人，人，110人受伤。该宿舍楼为钢筋混凝土框架结构，是在原人受伤。该宿舍楼为钢筋混凝土框架结构，是在原单层食堂上加建单层食堂上加建3层而成的。该楼由单层加建为层而成的。该楼由单层加建为4层，不仅原基础未做

12、任何变动，层，不仅原基础未做任何变动，梁、板、柱截面包括配筋都未做任何变动。梁、板、柱截面包括配筋都未做任何变动。该桥位于加拿大该桥位于加拿大Quebee City ，建于，建于1917年。桥型钢桁架（年。桥型钢桁架（steel truss bridge),跨度跨度549m ,已超过了英国的福斯桥，已超过了英国的福斯桥，在该类型桥梁中主跨居世界第在该类型桥梁中主跨居世界第一。一。该桥从该桥从1897年设计和施工差不多用了年设计和施工差不多用了20多年的时间，在建造过程中于多年的时间，在建造过程中于1907.8.29、1916.9.11分别出现了两次倒塌事故，分别出现了两次倒塌事故，1917.3

13、建成通车。建成通车。北京故宫太和殿。建于明北京故宫太和殿。建于明永乐永乐18年，（年，（1420年）是年）是故宫最壮观的建筑，也是故宫最壮观的建筑，也是我国现存最大的木构殿堂。我国现存最大的木构殿堂。中国历代封建王朝建造的大量宫殿和庙宇建筑，均系木构架结构。它是用木梁、木柱做成承重骨架，用木制斗拱做成大挑檐。 公元532537年间建造在君士坦丁堡（今土耳其伊斯坦布尔）的索菲亚大教堂。该教堂为砖砌穹顶（圆形球壳），直径30余米，穹顶高50余米，穹顶支承在大跨砖拱和用巨石砌筑的巨型柱（截面约710m）上。隋代赵州安济桥，又称赵州桥。桥为隋代赵州安济桥，又称赵州桥。桥为敞肩圆弧石拱敞肩圆弧石拱，拱券

14、并列道，净跨，拱券并列道，净跨米，矢高米，上狭下宽总宽米。主拱券等厚米，主拱米，矢高米，上狭下宽总宽米。主拱券等厚米，主拱券上有护拱石。在主拱券上两侧，各开两个净跨分别为米和米的券上有护拱石。在主拱券上两侧，各开两个净跨分别为米和米的小拱，以泻泄洪水，减轻自重。桥面呈弧形，。桥始建于隋小拱，以泻泄洪水，减轻自重。桥面呈弧形，。桥始建于隋开皇十五年开皇十五年(公元公元年年），完工于隋），完工于隋大业元年大业元年(公元年），距今已有公元年），距今已有406年。年。7.1.2 土木工程材料知识对土木工程师的影响土木工程材料知识对土木工程师的影响2）土木工程也是一种学科，称为土木工程学。它是运用 数学

15、、物理、化学等基础知识， 力学、材料等技术科学知识力学、材料等技术科学知识 以及土木工程方面的工程技术知识来研究、设计、修建各种建筑物和构筑物的一门学科。 对应大学课程三个层次：基础科、技术基础课和专业科。材料是技术基础课的重要的一部分。只有对土木工程材料有较好的掌握，才能够顺利的学习钢筋混凝土结构、钢结构、施工等后续专业课。7.1.2 土木工程材料知识对土木工程师的影响3）土木工程需要解决的问题： 首先表现为形成人类活动所需要的、功能良好和舒适美观的空间和通道；它既有物质方面的需要，又有精神方面的需要。这是土木工程的根本目的和出发点。 其次表现为能够抵御自然和人为的作用力。前者如地球引力、风

16、力、气温和地震作用等；后者如振动、爆炸等。这是土木工程之所以存在的根本原因；7.1.2 土木工程材料知识对土木工程师的影响3）土木工程需要解决的问题： 第三表现为充分发挥所采用材料的作用。土木工程都是应用石、砖、混凝土、钢材、木材乃至合金材料、塑料等在地球表面的土层或岩层上建造的。材料所需的资金占土木工程投资的大部分（6070%）。材料是建造土木工程的根本条件。 第四表现为怎样通过有效的技术途径和组织手段，利用各个时期社会能够提供的物质设备条件，“好、快、省”地组织人力、财力和物力，把社会所需的工程设施建造成功，付诸使用。这是土木工程的最终归宿。7.1 土木工程材料 在土木工程中的地位 7.1

17、.1 土木工程材料 对土木工程的影响 7.1.2 土木工程材料知识 对土木工程师的影响 7.1 土木工程材料 在土木工程中的地位 7.2 主要土木工程材料简介 7.3 土木工程材料的研究进展7.2 主要土木工程材料简介7.2.1 土木工程材料的分类7.2.2 胶凝材料7.2.3 结构材料思 考 题 1）土木工程材料对建筑结构形式和建筑技术有那些影响 2）土木工程材料主要分几类，它们各自需要具备哪些功能，列举各类土木工程材料中的主要材料。 3）阐述混凝土和钢材的力学特性（如拉、压作用下的应力-应变关系等），分析他们力学性能的主要差别。 4）在钢筋混凝土受弯构件中，钢筋和混凝土各自主要承受什么性质

18、的作用力？ 5）何为气硬性胶凝材料、何为水硬性胶凝材料，？ 6）目前对智能建筑材料有那些研究方向，各种智能材料有哪些功能？建筑物一般由承重结构、维护部分和装饰部分构成建筑物一般由承重结构、维护部分和装饰部分构成 土木工程材料的分类 结构材料：主要有混凝土、钢材、钢筋混凝土。 功能：承受荷载，主要的技术要求是高强轻质围护材料：主要有各种砖（尺寸：小于240，烧结砖、免烧砖；粘土砖、废渣砖；实心砖、空心砖）、砌块（粉煤灰加气砌块、混凝土空心砌块等，尺寸980），墙板（石膏板、植物纤维板等等，复合板（外墙用），尺寸3000*900等），防水材料：如沥青等。屋面材料：瓦、屋面板等； 功能：分隔空间、隔

19、音、隔热、防水，主要要求：有足够的强度、轻质、保温隔热、隔音吸声、防水等 土木工程材料的分类 装饰材料：主要有金属（铜、铝合金等）、陶瓷、塑料、玻璃、石材、涂料等。 功能：美观，对承重结构和维护结构有一定的保护作用。 胶凝材料：主要有水泥、石灰、石膏、沥青等。 它是构成上述各种材料或配合各种材料使用的胶结材料。例如是构成混凝土的基本材料、制作砌块和墙板的基本材料，粘结装饰材料的胶结材料等。7.2.2 胶凝材料 定义：胶凝材料是指在一定条件下，经过自身的一系列物理化学作用后，能够将散粒或块壮材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。思 考 题 1）土木工程材料对建筑结构形式和建筑技术有那些影响 2）

20、土木工程材料主要分几类，它们各自需要具备哪些功能，列举各类土木工程材料中的主要材料。 3）阐述混凝土和钢材的力学特性（如拉、压作用下的应力-应变关系等），分析他们力学性能的主要差别。 4）在钢筋混凝土受弯构件中，钢筋和混凝土各自主要承受什么性质的作用力？ 5）何为气硬性胶凝材料、何为水硬性胶凝材料，？ 6）目前对智能建筑材料有那些研究方向，各种智能材料有哪些功能？7.2.2 胶凝材料 定义：胶凝材料是指在一定条件下，经过自身的一系列物理化学作用后，能够将散粒或块壮材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。 石膏、石灰 气硬性胶凝材料 水玻璃 镁质胶凝材料 无机胶凝材料 （按硬化条件） 水硬性胶凝材

21、料 各种水泥 胶凝材料 有机胶凝材料 树脂、沥青、橡胶气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，并保持发展其强度。在水中不能硬化，也不具有强度。水硬性胶凝材料既能在空气中硬化，又能更好地在水中硬化，保持并继续发展其强度。 7.2.3 结 构 材 料 1、建筑构件的基本受力状态； 和 材 料 的 基 本 性 质 2、 常 用 建 筑 结 构 材 料 简 介 （钢材、混凝土、钢筋混凝土、 砌体、木材等）思 考 题 1）土木工程材料对建筑结构形式和建筑技术有那些影响 2）土木工程材料主要分几类，它们各自需要具备哪些功能，列举各类土木工程材料中的主要材料。 3）阐述混凝土和钢材的力学特性（如拉、压作用下的应力-

22、应变关系等），分析他们力学性能的主要差别。 4）在钢筋混凝土受弯构件中，钢筋和混凝土各自主要承受什么性质的作用力？ 5）何为气硬性胶凝材料、何为水硬性胶凝材料，？ 6）目前对智能建筑材料有那些研究方向，各种智能材料有哪些功能？1、建筑构件的基本受力状态： 房屋结构的作用是将房屋所受荷载经过梁、板、柱、基础传给地基。 各种结构构件受到荷载后是通过两种基本的作用（拉、压）完成上述的荷载传递的。自然界给予结构自然界给予结构的本能的本能 爱因斯坦爱因斯坦称之谓称之谓“eleganceelegance（优（优雅举止）雅举止）”是通是通过两个基本作用过两个基本作用完成荷载传递过完成荷载传递过程的。程的。

23、结构材料的结构材料的拉伸拉伸和和压缩压缩截面面积截面面积AH拉应力拉应力拉应变拉应变拉杆拉杆 拉伸拉伸 压缩压缩压杆构件被压曲构件材料若受拉被折断，构件材料若受拉被折断，受压被压屈，在工程中是受压被压屈，在工程中是不能允许的。因此学习研不能允许的。因此学习研究材料的强度非常重要。究材料的强度非常重要。强度：结构材料承受荷载强度：结构材料承受荷载的极限能力。的极限能力。结构材料的弹结构材料的弹性和塑性性和塑性 弹性弹性结构材料承受荷载其结构材料承受荷载其形状会改变，形状会改变，移去荷移去荷载，恢复原状。载，恢复原状。在弹性状态在弹性状态荷载与荷载与变形成正比变形成正比。材料处于弹材料处于弹性状态

24、性状态？当结构材料荷载承当结构材料荷载承受更大荷载时，移受更大荷载时，移去荷载，有残余变去荷载，有残余变形，变形不能恢复形，变形不能恢复原状。原状。 塑性塑性小结小结： 承受荷载较小时处于承受荷载较小时处于弹性状态；弹性状态； 较大时处于塑性状态；较大时处于塑性状态； 超过极限应力时处于超过极限应力时处于破坏失效状态破坏失效状态 不同的结构材料弹、塑性不同的结构材料弹、塑性是不同的。有塑性的材料称是不同的。有塑性的材料称为塑性材料，如钢材、混凝为塑性材料，如钢材、混凝土等，这类材料一旦出现塑土等，这类材料一旦出现塑性有发生破坏的预兆；反之性有发生破坏的预兆；反之称为脆性材料如石材、玻璃称为脆性

25、材料如石材、玻璃等等。2. 常用建筑结构材料常用建筑结构材料. 钢材钢材按化学成按化学成分分类分分类 低碳钢低碳钢 合金钢合金钢普通碳素钢：主要成分是铁Fe（约占99%）和少量的碳C（0.22%)。它具有较高的强度、良好的塑性、韧性和可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土结构用钢的技术要求。普通低合金钢：是在碳素钢的基础上添加少量的一种或多种合金元素（如锰Mn，硅Si等）而得到的一种结构钢。合金元素总量5%。其目的是为了提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性等。它是综合性能较为理想的建筑钢材，尤其是在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更为适用。常用型材常用型材 钢材的

26、连接方式：钢材的连接方式：全钢结构全钢结构大厦大厦Sears目前是世界最高的全钢结构。高442m,共110层，建筑面积41.38万平方米。建于1974年。它的标准层是一个在九个23m*23m成束筒结构基础上形成的69*69m的方形平面。螺栓球节点螺栓球节点网架构造示网架构造示意意沈阳桃仙国际机场屋盖由沈阳桃仙国际机场屋盖由16榀跨度为榀跨度为135m的倒三角形钢的倒三角形钢管桁架组成。管桁架组成。彩钢板的彩钢板的应用应用苏州工业园区苏州工业园区 线材可以浇注在混凝土内，做成所需的各种钢筋混凝土结构。 一般为热轧钢筋。钢筋的截面一般为圆形，由光面钢筋和变形钢筋，变形钢筋与混凝土的结合较好，一般在

27、结构中做主要受力筋的高强度钢筋都用变形钢筋。 为了提高钢筋的强度和其他性能，除了热轧钢筋外，还采用对热轧钢筋冷加工的方法，制造出许多其他钢筋，例如冷轧扭钢筋在预应力混凝土中，很多采用高强钢丝或钢绞线 混凝土（砼）混凝土（砼） 定义定义：建筑结构用的混凝土是由水泥作为胶凝材料，以砂子、石子作骨料与水按一定比例配合，经搅拌、浇注成型、养护而成的水泥混凝土，称为人工石，国家规范字砼。结构用水泥混凝土的强度等级一般C20C40，甚至可以C60C80如何测定？如何测定？C20C40的混凝土在实际受压构件中的抗压强度约为 13.527N/mm2，抗拉强度1.52.5N/mm2。 砼抗拉强度低，砼抗拉强度低

28、，与钢筋粘结组成与钢筋粘结组成钢筋砼结构钢筋砼结构或或钢钢与混凝土的组合与混凝土的组合结构结构。复合板材复合板材 钢筋端部镦粗钢筋端部镦粗 切削直螺纹切削直螺纹 用连接套筒对接钢筋用连接套筒对接钢筋 优点：原材料均是地方性材料，易于就地取材，其资源丰富，又能利用工业废料，成本和能耗较低。强度比砖、石材都高，能与钢筋、型钢很好的粘结，各自发挥优良的力学性能，共同工作，做成各种强度高的钢砼复合结构 。 可模性好，可按着设计要求制作各种类型的受力构件和结构体系。 整体性、刚性、耐久性、抗火性均比其它常规工程材料要好。 应用范围广。缺点：自重较大、施工复杂、工序多、工期长、易产生裂缝。世界最高的世界最

29、高的建筑马来西建筑马来西亚石油双塔亚石油双塔大厦（大厦（450m)450m)法国巴黎国家工业与技术展览中心大厅。混凝土薄壳结构，是当前世界上跨度最大的公共建筑。跨度219米。折算壳面总厚度只有180mm，厚跨比为1：1200，比鸡蛋蛋壳的厚长比1：100还小12倍。建筑造型新颖，充分说明混凝土壳体结构的优越性它以精巧的圆形屋顶著称于世。它以精巧的圆形屋顶著称于世。它以精巧的圆形屋顶著称于世。它以精巧的圆形屋顶著称于世。屋顶直径屋顶直径屋顶直径屋顶直径6060米米米米，由，由，由，由16201620个钢筋混凝土预个钢筋混凝土预个钢筋混凝土预个钢筋混凝土预制棱形构件拼合而成制棱形构件拼合而成制棱形

30、构件拼合而成制棱形构件拼合而成，这些构件最薄的地方只有，这些构件最薄的地方只有，这些构件最薄的地方只有，这些构件最薄的地方只有2525毫米厚毫米厚毫米厚毫米厚，它们不但在，它们不但在，它们不但在，它们不但在力学上十分合理，而且组成了一个非常完整秀美的天顶图案。力学上十分合理，而且组成了一个非常完整秀美的天顶图案。力学上十分合理，而且组成了一个非常完整秀美的天顶图案。力学上十分合理，而且组成了一个非常完整秀美的天顶图案。 悉尼歌剧院建筑物的外形由大平台上悉尼歌剧院建筑物的外形由大平台上悉尼歌剧院建筑物的外形由大平台上悉尼歌剧院建筑物的外形由大平台上十个巨型壳片组成，十个巨型壳片组成，十个巨型壳片

31、组成，十个巨型壳片组成，各各各各种房间隐藏在它的内部，这些壳片如同花瓣似的指向天空，种房间隐藏在它的内部，这些壳片如同花瓣似的指向天空，种房间隐藏在它的内部，这些壳片如同花瓣似的指向天空，种房间隐藏在它的内部，这些壳片如同花瓣似的指向天空，构成奇异的造型，给人以美的联想。构成奇异的造型，给人以美的联想。构成奇异的造型，给人以美的联想。构成奇异的造型，给人以美的联想。 为钢筋混凝土为钢筋混凝土为钢筋混凝土为钢筋混凝土结构，由结构，由结构，由结构，由三组、三组、三组、三组、十对壳片组成十对壳片组成十对壳片组成十对壳片组成，三角形壳瓣三角形壳瓣三角形壳瓣三角形壳瓣是是是是以以以以Y Y形、形、形、形

32、、T T形形形形的钢筋混凝土的钢筋混凝土的钢筋混凝土的钢筋混凝土肋骨拼结而成。肋骨拼结而成。肋骨拼结而成。肋骨拼结而成。 混凝土的一个优点是可根据不同的使用目的，改变组分以获得所需的性能。例如：轻混凝土：采用轻骨料或加入气泡做成。用于维护结构、保温隔热等目的。一般混凝土的表观密度为2500kg/m3，轻混凝土的表观密度为3001950 kg/m3。防辐射混凝土：能屏蔽X射线、射线或中子辐射的混凝土。材料对射线的吸收能力与其表观密度成正比，故防辐射混凝土采用重骨料配制，常用的重骨料有重晶石（表观密度：40004500 kg/m3）、赤铁矿、钢铁碎块等，水泥可用硅酸盐水泥，最好用硅酸钡或硅酸锶等重

33、水泥 由沥青和骨料做成的沥青混凝土可铺设路面地面等。. 砌体砌体 概念：是由石材、概念：是由石材、粘土、混凝土、工粘土、混凝土、工业废料等材料做成业废料等材料做成的的块材块材和水泥、石灰膏等和水泥、石灰膏等胶凝材料胶凝材料与砂、水与砂、水混合做成的混合做成的砂浆砂浆，叠合粘结而成的叠合粘结而成的复复合材料合材料。 类型类型石砌体实（空）砖砌体、中小混凝土块砌体、硅酸盐块砌体等 评价评价 砌体优点是易于就地取材，价格低廉，施工简便，隔热保温性以及耐火耐久性好； 但所有砌体，强度都低。因强度低，导致结构笨重，施工劳动量大，施工速度慢，工程质量问题多。 实心粘土砖与农争田，破坏生态，应限制、废止使用

34、。提倡节能环保材料。. 木材木材 类型类型圆材、方材、条材、板材等。 木材属于各向异性材料，要注意顺纹和横纹方向的强度差异很大。 应用特点结构自重轻、制作容易，架设简便，工期快，造价便宜等优点；但易燃、易腐朽，结构变形较大等缺点。四种常用材料综合评价四种常用材料综合评价钢材应用是发展方向钢材应用是发展方向混凝土广泛应用混凝土广泛应用组合结构，将得到很快发展组合结构，将得到很快发展 砌体普遍建造中小型房屋 木材应用要限制 7.1 土木工程材料 在土木工程中的地位 7.2 主要土木工程材料简介 7.3 土木工程材料的研究进展7.3 土木工程材料的研究进展 7.3.1 钢与混凝土材料的发展现状及进展

35、 7.3.2 智 能 材 料 7.3.3 绿 色 建 材思 考 题 1）土木工程材料对建筑结构形式和建筑技术有那些影响 2）土木工程材料主要分几类，它们各自需要具备哪些功能，列举各类土木工程材料中的主要材料。 3）阐述混凝土和钢材的力学特性（如拉、压作用下的应力-应变关系等），分析他们力学性能的主要差别。 4）在钢筋混凝土受弯构件中，钢筋和混凝土各自主要承受什么性质的作用力？ 5）何为气硬性胶凝材料、何为水硬性胶凝材料，？ 6）目前对智能建筑材料有那些研究方向，各种智能材料有哪些功能？7.3.1 7.3.1 钢与混凝土材料的发展现状及进展钢与混凝土材料的发展现状及进展21世纪钢和混凝土钢和混凝

36、土钢和混凝土钢和混凝土仍然是主要的建筑工程材料。 有些国家生产的钢材的屈服强度可达880MPa。 德国用于建筑结构的钢筋的屈服强度可达到900MPa， 预应力混凝土构件使用的高强钢筋：我国目前生产的高强钢丝已达1860MPa，国外已接近2000MPa。 钢材的耐腐蚀性也在不断提高。只含少许（1.2%）铬的不锈钢，其抗腐蚀性能可借增加铬及加入镍及钼而得到改善。但因价格太高，只限于局部使用。 通过改变钢材的成分可大幅度地提高其耐火能力 铝合金因重量较轻，已用于大跨结构。 在新型高强水泥的研究中有两类水泥具有代表性。一类称为DSP水泥，它是“含有均匀分布超细颗粒的致密 体 系 （ Densified

37、 system containing homegeneously arranged ultrafine partiles）水泥的简称； DSP材料，主要是由7080%的波特兰水泥和2030%的超细材料（平均尺寸为0.10.2m ）组成的致密的高强水泥，并用高效分散剂使超细粒子在水泥颗粒中均匀分布。其水泥强度可达150MPa250MPa以上。 MDFMDF水水 泥泥 ， 它 是 ”无 宏 观 缺 陷 的 水 泥 （ Macro-Defect-free）的简称。 MDF水泥是由水泥与一定数量的水溶性高分子材料，采用特殊工艺复合而成的水泥基复合材料。 不仅有很高的抗压强度，而且也有很好的抗折强度。其

38、抗压强度达到300MPa、抗拉强度达到150MPa（一般混凝土的拉压比约1/10）。在试验室已可以用聚合物改性混凝土制作弹簧。 但是其抗湿性差，工艺较复杂，阻碍了其商品化。 新的研究方向应该是由水泥水化物和有机高分子构成互穿网络结构，它会有助于提高水泥基材料的综合力学性能。 现在我国常用的混凝土强度平均为2535MPa，可以达到C50C60，特殊工程可用到C80C100；试验室可配制强度为200300MPa的预制混凝土构件。 发达国家21世纪常用的混凝土强度可达C135，特出工程可达C400，预制混凝土构件强度可达C800。 21世纪混凝土的发展是高性能混凝土，不仅是高强度，而且要高性能，它包

39、括： 高强度、高弹性模量、高体积稳定性、 高耐久性（耐侵蚀、耐磨、耐冻融等）、 高工作性（高流动度、便于泵送、免振捣、水下浇注不离析等）。 除了用钢筋与混凝土复合外，还有钢纤维混凝土，即用钢纤维（例如6mm长，直径0.15mm）掺如混凝土中以提高混凝土的抗裂性和韧性等，这些钢纤维在混凝土中是乱向的，也有定向排列的。 此外用玻璃纤维、芳伦纤维和塑料纤维乱向或用纤维网掺入混凝土中，以加强混凝土、提高混凝土的冲击韧性。碳纤维和芳纶纤维等以及用它们做成的筋材，可以有比钢筋更优越的性能，因此在未来可能是替代钢筋的最有希望的产品。 混凝土加力筋也在不断的发展，除了钢筋外，现在用碳纤维、芳伦纤维和玻璃纤维制

40、成增强塑料筋（FRP，fiberglass reinforced pastic reinforcing bar）用强度超过13500MPa的钢须加强的混凝土被称之为未来混凝土。 组合材料将得到大力发展。用两种或两种以上的材料组合，利用各自的优越性开发出高性能的便于使用的建筑材料制品，应该成为21世纪土木工程的一个重要的特征。 除上述的钢筋与混凝土的复合外，利用层压技术把把传统材料组合起来形成各种具有建筑装饰、受力、热工、隔音、绝缘、防火等方面新性能的复合材料，用于屋面、墙体乃至结构构件，是建筑业发展的新天地。 化学合成材料、如塑料等，用于抗力结构是材料发展的崭新领域。 土木工程材料的发展前景是

41、十分广阔的。相信在人们不断地研究和实践中，在不久的将来，会找到更适合各种使用要求的、更轻和强度更高的新材料以及更合理、更方便的新的加工工艺。 7.3.2 智智 能能 材材 料料 重大工程结构和生命线系统的使用期长达百年，载荷的疲劳效应、环境的腐蚀和材料老化等作用将不可避免地导致结构的损伤积累和抗力衰减，甚至引发灾难性的突发事故。 实现结构的健健康康自自监监测测和和损损伤伤自自修修复复，是提高结构和基础设施安全性的最有效的手段。 高高性性能能、高高耐耐久久性性、自自感感知知、自自修修复复以以及及环环保保功功能能的智能混凝土与结构的出现与发展，为实现重大土木工程与基础设施的健康诊断和损伤修复提供了

42、一条崭新的途径。 碳纤维机敏混凝土是在普通混凝土中均匀地掺入一定数量、尺寸和形状的短切碳纤维而构成的一种有感知功能的结构材料。 碳纤维混凝土具有压敏特性，即其电阻率与其应力、应变、损伤状况具有一定的对应关系。电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形，而电阻率的不可逆变化对应于非弹性变形和断裂。 在疲劳荷载的作用下，碳纤维混凝土的体积电阻率会随着疲劳次数的增加而发生不可逆的降低， 因此，碳纤维除可监测其应变外，还可记录其所受荷载的次数及幅度，从而可监测自身的疲劳损伤情况 碳纤维机敏混凝土具有温敏性能。在最高温度为70、最大温差为50的范围内，碳纤维混凝土的温差电动势与温差之间具有良好稳定的线性关系。

43、 水泥净浆中掺入碳纤维质量比为1% ，其温差电动势相当于铜/康铜热电偶温差电动势的1/2。 碳纤维机敏混凝土的温敏特性使其可方便地实时监测建筑物内部和周围环境的温度变化。 碳纤维混凝土还具有良好的电热效应，在电场的作用下，它可以根据情况释放大量的热能。 基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应融雪和融冰系统的研究已经在欧美国家开展 碳纤维混凝土还具有电磁屏蔽特性。目前，强电磁场辐射对作业人员、武器弹药、可燃气体、油品、电子仪器和控制系统的影响和危害问题，已成为世界上许多国家研究的课题。 电磁功能水泥基材料是在水泥基材料中，将具有电磁功能的纳米吸波材料、金属包裹材料、合金粉体等，通过掺杂合梯度层

44、合技术，改变水泥基材料的电性能，获得雷达隐身、电磁屏蔽和压敏传感等系列特殊功能的水泥基材料。 形状记忆合金是混凝土结构的理想驱动元件，形状记忆合金在回复过程中能对混凝土产生较大回复力。 对偏心埋置于混凝土梁中的形状记忆合金进行激励，形状记忆合金将对混凝土梁构件施加较大的偏心压力，使混凝土梁发生较大的挠曲。 通过控制激励时间及激励模式等方法，可以真正实现对梁变形、承载力、预应力状态及抗弯刚度等的实时在线控制。并有希望实现结构在复杂环境下信息处理和最有效控制，使结构具有自判断、自决策和自适应等智能化性能。 将压电元件以及相应的电子元件埋入混凝土构件中，利用压电特性，可以实现结构的在线、不间断、主动

45、以及无源的监测。 在交变电压的激励下，由于逆压电效应，可以对结构进行控制。 目前也有研究用不同电磁粒子与水泥基材料复合后的压敏传感功能思 考 题背景：据专家预测：21世纪，土木工程要向空中发展（超高层建筑）、向多下向地下发展（利用地下空间）、向海洋发展（人工岛）、向太空发展（月球建筑）。土木工程材料的发展水平制约着土木工程的发展。题目：请同学畅想在21世纪，为了适应土木工程的发展，土木工程材料将可能会有哪些进展？将会有什么样的新型材料出现？要求：符合科学道理、有一定的科学技术依据。提示：1）21世纪土木工程的发展，其使用的功能和环境对材料提出了哪些新要求？2）其施工条件的变化，对材料有哪些新要求？3）相关学科的发展或交叉，可能带来哪些影响？