第二章土木工程材料

土木工程概论第二章土木工程材料土木工程材料与工程的关系土木工程材料的质量、数量工程造价结构的承载力、寿命工程技术进步土木工程的可持续发展土木工程材料任何土木工程建（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成的，土木工程中所使用的各种材料都统称为土木工程材料。长期以来人类一直在从事着土木工程材料的各类研究工作，并不断开发新的材料。几乎世界上的各种材料都可用作土木工程材料。本章内容2.1传统土木工程材料★2.2近代土木工程材料2.3现代土木工程材料2.1传统土木工程材料2.1.1砖砖是一种常用的砌筑材料。砖瓦的生产历史在我国历史悠久，有“秦砖汉瓦”之称。由于粘土砖的制砖原料容易取得，生产工艺简单，价格低，体积小，便于组合，所以应用范围非常广。而且粘土砖建造的建筑物可用很长的时间，有的甚至可以长达几百年甚至千年。嵩岳寺塔长城2.1.1砖但是，由于生产粘土砖取土量大、能耗高、砖自重大，施工生产劳动强度高、工效低，对环境的污染大。2006年12月21日，国务院召开发展循环经济电视电话会议，要求所有城市到2010年禁止使用实心粘土砖。2.1.1砖陕西蓝田县一砖厂仍在生产实心粘土砖砖厂的取土场就是耕地晾晒的砖坯就在公路边推广利用工业废料制砖，这不仅可以减少环境污染，节约大片良田，而且可以节约大量燃料煤。2.1.1砖粉煤灰炉渣粉煤灰砖近年来国内外都在研制非烧结砖。非烧结粘土砖是利用不适合种田的山泥、废土、砂等，加入少量的水泥或石灰作固结剂及微量外加剂和适量水混合搅拌压制成型，自然养护或蒸养一定时间即成。2.1.1砖非烧结陶瓷棉砖非烧结混凝土砖2.1.1砖标准砖多孔砖砌块砖的分类：瓦是屋面材料。2.1.2瓦2.1.3石材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有装饰性，资源分布广、蕴藏量丰富，便于就地取材，生产成本低等优点，是古今建筑中修建城垣、桥梁、房屋、道路及水利工程的主要材料。石材具有良好的耐久性，用石材建造的结构物具有永久保存的可能。国安寺石塔卢沟桥赵州桥2.1.3石材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砂砂一般分为：天然砂和人工砂。由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成，粒径在5mm以下的岩石颗粒，称为天然砂。天然砂又分山砂、河砂和海砂。人工砂是由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉状物多，一般不用。砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度。通常有粗砂、中砂、细砂之分。黄砂砂的粗细程度标准筛砂的级配曲线配制混凝土时，应优先选用中砂。▲2.1.4砂砂率=砂/石子灰是指石灰和石膏。1、石膏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，纤维石膏板等。2、石灰目前石灰多用在室内装修。另外，石灰和砂调成的石灰砂浆具有良好的可塑性，在水泥砂浆中掺入石灰浆，也可以使可塑性显著提高。2.1.5灰2.1.5灰石灰和石膏是无机胶凝材料。胶凝材料：凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称胶凝材料。胶凝材料有气硬性和水硬性之分，气硬性胶凝材料是只能在空气中硬化的胶凝材料，水硬性胶凝材料是指既能在空气中硬化又能在水中硬化的胶凝材料。木材是一种古老的工程材料。由于具有一些独特的优点，在出现众多新型土木工程材料的今天，木材仍在工程中占有重要的地位。木材的优点：1、性能稳定，不易变质，耐久性好。许多木造建筑物可使用上千年。2、轻质、高强，易于加工，有较好的弹性和韧性，能承受冲击和振动作用。3、导电和导热性能低。4、木纹美丽，装饰性好。木材的缺点：1、构造不均匀、各向异性。2、易吸湿、吸水，因而产生较大的湿胀、干缩变形。3、易燃烧、易腐烂。2.1.6木材2.2近代土木工程材料2.2.1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。钢材具有良好的加工性能，可以铸造、锻压、铆接和切割，便于装配。香港中银大厦土木工程用钢材土木工程钢材可划分为钢结构用材和钢筋混凝土用材两大类。1、钢结构用钢材（型材）钢结构用材主要指轧制成的各种型钢、钢轨、钢板、钢管等。轻钢厂房2.2.1钢材2.2.1钢材型材主要有角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车轨道、金属门窗、钢板桩型钢等。槽钢钢管角钢工字钢H型钢人类自17世纪70年代开始使用生铁，19世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，钢结构发展的历史要比钢筋混凝土结构发展的历史悠久，它的生命力也是越来越强。在美国，低层建筑如两层楼以下的非居住型建筑市场已有70％以上是建筑金属制品。全世界至今已完成的101幢超高层建筑中，钢筋混凝土结构16幢，纯钢结构59幢，不同形式的钢砼混合结构27幢；可以看出钢结构的发展必将促使建筑业、冶金工业、机械工业、汽车工业、农业、石油工业、商业、交通运输业得到迅速发展。2.2.1钢材近几年，钢结构建筑相比于砖混结构建筑在环保、节能、高效、工厂化生产等方面具有明显优势。深圳高325米的地王大厦、上海浦东高421米的金茂大厦、北京的京广中心等大型建筑都采用了钢结构，北京、上海、山东等省市已开始进行钢结构住宅试点，其中，北京金宸公寓已被列为建设部住宅钢结构体系示范工程。高层钢结构建筑屡见不鲜人们预料21世纪是金属结构的世纪，钢结构将成为新建筑时代的脊梁。2.2.1钢材深圳地王大厦北京的京广中心2.2.1钢材上海金茂大厦9.11事件中的世贸大厦2、钢筋混凝土用钢材钢筋混凝土用的钢材主要指钢筋。螺纹钢光圆钢2.2.1钢材楼面钢筋混凝土施工★2.2.2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，并形成坚硬石材的材料。袋装水泥1、简介水泥从诞生至今的180多年的发展历程中，为人类社会进步及经济发展做出了巨大贡献，水泥与钢材、木材一起并称为土木工程的三大基础材料。由于水泥具有原料资源较容易获得、相对较低的成本、良好的工程使用性能以及与环境有较好的相容性，在目前乃至相当长的时期内，水泥仍将是不可替代的主要土木工程材料。2、水泥的凝结和硬化水泥加适量的水拌和后，便可形成可塑性的水泥浆体，水泥浆体在常温下会逐渐变稠直到开始失去塑性，这一现象称为水泥的初凝。随着塑性的消失，水泥浆开始产生强度，此时称为水泥的终凝。水泥由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结。水泥浆终凝后，其强度会随着时间的延长而不断增长，并形成坚硬的水泥石，这一过程称为水泥的硬化。★2.2.2水泥★2、水泥的凝结和硬化从加水至水泥初凝这段时间为水泥的初凝时间。从加水至水泥终凝这段时间为水泥的终凝时间。初凝时间过短的水泥为废品，终凝时间过长的为不合格品。例如，国家标准规定：普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于12h。使用时施工浇灌过程的时间，必须早于45min；到终凝后，才能脱去模板开始下一个周期生产。3、水泥按其主要水硬性物质名称分为：硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，氟铝酸盐水泥，磷酸盐水泥，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。★2.2.2水泥4、其他品种的水泥快硬硅酸盐水泥以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料。（普通水泥是用28d抗压强度表示标号）。快硬水泥凝结硬化速度快，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。施工时不能与其他水泥混用，另外不适合用于大体积混凝土工程。快凝快硬硅酸盐水泥凝结快、小时强度增长快的水硬性胶凝材料。双快水泥主要用于军事工程、机场跑道、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程。同样不能混用，不能用于大体积工程。★2.2.2水泥高铝水泥高铝水泥是一种快硬、高强、耐热及耐腐蚀的胶凝材料，主要特性有早期强度高、耐高温和耐腐蚀。主要用于工期紧急的工程，如国防、道路和特殊抢修工程等，也可用于冬季施工的工程。白色硅酸盐水泥室内装修膨胀水泥硬化过程中，体积不收缩反而膨胀，具有强度发展快、早期强度高的特点，可用于制作大口径的输水管和各种输油、输气管，也常用于有抗渗要求的工程、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。★2.2.2水泥★2.2.3混凝土一、混凝土简写砼，是当代最主要的土木工程材料之一。混凝土是由胶结材料，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。混凝土运输车1、普通混凝土（1）普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、细骨料（砂）和水拌合，经硬化而成的一种人造石材。二、混凝土的种类★2.2.3混凝土1、普通混凝土★（2）普通混凝土中各组分的作用：砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收缩；水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚强的整体。三、混凝土的种类2、特种混凝土（1）轻集料混凝土（轻质砼、轻骨料砼）表观密度不大于1950kg/m3——普通混凝土的表观密度一般在2300~2400kg/m3（2）纤维增强混凝土（简称FRC）抗拉、抗弯、抗裂、抗疲劳、抗振及抗冲击能力得以显著改善。纤维2、特种混凝土（3）聚合物混凝土聚合物浸渍混凝土、聚合物水泥混凝土和聚合物胶结混凝土（4）道路混凝土（碾压砼）水泥和水的用量较普通混凝土显著减少，同时大量掺加工业废渣。内部结构密实、强度高、水泥用量少且胶结能力得以充分发挥、干缩性小、耐久性好。（5）自密实混凝土坍落度很大，不用振捣，能够靠自身的重力流到每一个角落，硬化后强度很高。2、特种混凝土3、钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土钢筋混凝土是指配置钢筋的混凝土。三、混凝土的种类由于下料不当造成的3、钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土钢筋与混凝土之所以可以共同工作是由它们自身的材料性质决定的。首先：钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数，不会由于环境不同产生过大的应力。其次：钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条来提高钢筋与混凝土之间的机械咬合，同时为更有效地传递钢筋与混凝土之间的拉力，通常将钢筋的端部加工成弯钩。此外：混凝土中的氢氧化钙提供的碱环境，在钢筋表面形成了一层钝化保护膜，使钢筋在中性与酸性环境下更不易腐蚀。预应力混凝土一般指预应力钢筋混凝土。预应力钢筋混凝土可以延缓混凝土裂缝出现的时间，在一定程度上提高构件的承载能力。3、钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土2.3现代土木工程材料2.3.1高强度混凝土高强度混凝土是指强度等级在C60级以上的混凝土。随着科技的发展，混凝土的强度等级也在逐步提高，目前已知的在实际工程中应用的最高强度的混凝土为活性粉掺合料混凝土，强度达C200。2.3现代土木工程材料2.3.2高性能混凝土高性能混凝土是一种能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料合通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法获得。一般而言，它的主要指标可以概括为超高的强度、低渗透性、良好的结构性能、优越的耐久性、可观的经济效益、环保性，有关常规的混凝土物理、力学性能指标亦要根据不同的使用要求而有所提高或改善。2.3.3绿色建材绿色建材又称生态建材、环保建材和健康建材。它是指采用建材卫生生产技术生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康、安全的建筑和装饰材料。“绿色”可以归纳为“环保、健康、安全、节能”。2.3现代土木工程材料世界第一个麦秸秆房屋本章小结1、熟悉胶凝材料的概念。2、掌握水泥的定义、水泥的凝结硬化过程，混凝土的定义，普通混凝土中各组成材料发挥的作用。熟悉水泥的分类特点，混凝土的分类特点。3、熟悉砖、砂、钢材的分类、特点以及在工程中的应用情况。4、了解石材、木材的特点、新型建筑材料的特点。