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第二章土木工程材料2.1概述土木工程材料指土木工程中使用的各种材料及制品，它是一切土木工程的物质基础。由于组分、结构和构造不同，土木工程材料品种门类繁多、性能各不相同、价格相差悬殊，同时在土木工程中用量巨大，因此，正确选择和合理使用土木工程材料，对整个土木工程的安全、实用、美观、耐久及造价等有着重大的意义。一般来说，优良的土木工程材料具有相应的特征：（1）具备足够的强度，能够安全地承受设计荷载；（2）自身的重量以轻为宜，以减少下部结构和地基的负荷；（3）具有与使用环境相适应的耐久性，以便减少维修费用；（4）用于装饰的材料，应能美化房屋并产生一定的艺术效果；（5）用于特殊部位的材料，应具有相应的特殊功能，例如屋面材料要能隔热防水，楼板和内墙材料要能隔声等。（6）在生产过程中应尽可能保证低能耗、低物耗及环境良好。土木工程材料的种类非常多，可按不同原则分类：（1）材料来源：天然材料、人造材料；（2）材料功能：结构材料、装饰材料、防水材料、绝热材料；（3）组成物质的种类及化学成分：无机材料金属材料非金属材料黑色金属有色金属天然石材烧土制品胶凝材料混凝土及硅酸盐制品钢、铁、不锈钢等铝、铜及其合金等砂、石及石材制品等瓦、砖、玻璃、陶瓷等石灰、石膏、水泥等混凝土、砂浆及硅酸盐制品有机材料植物材料沥青材料木材、竹材等石油沥青、媒沥青、沥青制品等高分子材料塑料、涂料、胶粘剂、合成橡胶等无机非金属材料与有机材料复合金属材料与无机非金属材料复合金属材料与有机材料复合玻璃纤维增强塑料、聚合物水泥混凝土、沥青混合料等钢纤维增强混凝土等轻质金属夹芯板等复合材料2.2传统土木工程材料砖、瓦、砂、石、灰这些材料是最基本的建筑材料，统称为地方材料，由于其工程用量大，原料价格低，一般都在当地或附近采购。2.2.1砖砖是一种常用的砌筑材料，广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中。优点：制作原料容易取得，生产工艺简单，价格低、体积小便于组合，还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点。缺点：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。砖的分类：标准砖多孔砖砌块2.2.2瓦瓦一般以粘土（包括页岩、煤矸石等粉料）为主要原料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而制成。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，按成分分类，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。2.2.3砂砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程的大宗材料。一般分为天然砂和人工砂两类。天然砂：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。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。如图所示，如果是同样粗细的砂，空隙最大（图a），两种粒径的砂搭配起来，空隙有所减小（图b),三种粒径的砂搭配，空隙更小(图c）。砂的颗粒级配是指砂子大小颗粒的搭配比例。级配好的砂子，不仅可以节省水泥，还提高了混凝土和砂浆的密实度及强度。砂的粗细用细度模数表示。细度模数越大，表示砂越粗。根据细度模数大小范围，把砂划分为粗砂、中砂、细砂、特细砂。2.2.4石石材是最古老的土木工程材料之一，藏量丰富、分布很广，便于就地取材，生产成本低。石材具有很高的抗压强度，良好的耐磨性和耐久性，坚固耐用，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。毛石，是采石场由爆破直接获得的形状不规划的石块。根据平整程度又将其分为乱毛石和平毛石两类。毛石可用于砌筑基础、堤坝、挡土墙等，乱毛石也可用作毛石混凝土的骨料。料石是由人工或机械开采出的较规则的六面体石块，再略经凿琢而成。料石外形规则，截面的宽度、高度不小于200mm，长度不宜大于厚度的4倍。料石根据加工程度分别用于建筑物的外部装饰、勒脚、台阶、砌体、石拱等。石子，在混凝土组成材料中称为粗骨料，此外在路桥工程、铁道工程的路基道渣等也被常用。石子分碎石和卵石。碎石：由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得到的粒径大于5mm的岩石颗粒，也称为碎卵石。卵石：是岩石由于自然条件作用而形成的，粒径大于5mm的岩石颗粒。2.2.5灰凡能在物理、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，统称为胶凝材料。胶凝材料分为有机和无机两大类。石膏、石灰、水泥属于无机胶凝材料，俗称为“灰”。沥青和各种树脂属于有机胶凝材料。土木工程中使用最多的是建筑石膏，建筑石膏具有良好的可塑性、防火性能、隔热性能和吸音性能，而且具有良好的装饰性和可加工性。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。石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一，其原料石灰石分布很广，生产工艺简单，成本低廉，因而应用广泛。将熟化好的石灰膏加水搅拌稀释，成为石灰乳，是一种廉价易得的涂料。石灰砂浆是将石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途可分为砌筑砂浆和抹面砂浆。2.4木材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地位，特别在装饰领域。木材具有很多优点，如轻质高强；易于加工（如锯、刨、钻等）；有较高的弹性和韧性；能承受冲击和振动作用；导电和导热性能低；木纹美丽；装饰性好等。木材也有缺点，如构造不均匀，各向异性；易吸湿、吸水，因而产生较大的湿胀、干缩变形；易燃、易腐等。木材的性质包括物理性质和力学性质、如含水率；热胀干缩；密度；强度（抗拉、抗压、抗弯和抗剪等四种强度），其中抗拉、抗压、抗剪强度又有顺纹和横纹之分。顺纹和横纹强度有很大的差别。影响木材强度的主要因素为含水率（一般含水率高，强度降低），温度（温度高，强度降低），荷载作用时间（持续荷载时间长，强度下降）及木材的缺陷（木节、腐朽、裂纹、翘曲、病虫害等）。2.3钢材土木工程中应用量最大的金属材料是钢材，它广泛应用于铁路、桥梁、建筑工程等各种结构工程中，在国民经济建设中发挥着重要作用。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。还可以通过热处理方法，在很大范围内改变或控制钢材的性能。建筑钢材的产品种类一般分为型材、板材、管材和金属制品四类。钢结构用钢材我国钢结构用钢材的钢类主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢。主要有Q235(A3钢)、Q315(16Mn钢)轻钢厂房土木工程用钢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“Q460”钢材是一种低合金高强度钢，“Q”代表钢材的强度，“460”代表460MPa。“Q460”就是钢材受力强度达到460MPa时才会发生塑性变形，“鸟巢”使用的“Q460”厚达110毫米。鸟巢用钢量达8万吨，每平方米大约要用400到400多公斤的钢材。奥运“鸟巢”用钢简介奥运鸟巢钢筋混凝土用钢材主要指钢筋。钢筋与混凝土组成的钢筋混凝土结构，虽然自重大，但节省钢材。由于混凝土的保护作用，克服了钢材易锈蚀、维护费用高的缺点。钢筋等级：一级钢二级钢三级钢四级钢二级钢一级钢2.5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。水泥不但大量应用于土木工程，还广泛用于工业、农业和国防体建设等工程。按用途与性能分类按主要水硬性物质名称分类通用水泥专用水泥特性水泥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硅酸盐水泥根据国家标准（GB175－92）规定，凡由硅酸盐水泥熟料、0～5％石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（波特兰水泥）。硅酸盐系水泥为干粉状物，加适量的水并拌合后便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；水泥浆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不断增长，并形成坚硬的水泥石，这一过程称为水泥的硬化。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。所以运输和贮存时应保持干燥。对袋装水泥，地面垫板要高出地面30cm，四周离墙30cm，堆放高度一般不超过10袋。存放散装水泥时，地面要抹水泥砂浆。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10％～20％。所以，水泥存放期一般不应超过三个月。2.6混凝土混凝土也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料，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。混凝土原料丰富，价格低廉，生产工艺简单，因而使用量越来越大；同时混凝土抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，不仅在各种土木工程中广泛使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。混凝土的种类：按胶凝材料分类水泥混凝土沥青混凝土石膏混凝土聚合物混凝土按使用功能分类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防辐射混凝土按表观密度按施工工艺重混凝土普通混凝土轻混凝土喷射混凝土泵送混凝土振动灌浆混凝土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，各种纤维增强混凝土及聚合物浸渍混凝土等。随着混凝土的发展和工程的需要，还出现了膨胀混凝土，加气混凝土，纤维混凝土等各种特殊功能的混凝土。泵送混凝土，商品混凝土以及新的施工工艺给混凝土施工带来方便。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。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，形成坚硬的整体。混凝土的性质包括混凝土拌合物的和易性、混凝土强度、变形及耐久性等。①和易性又称工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工条件下，便于各种施工工序的操作，以保证获得均匀密实的混凝土的性能。和易性是一项综合技术指标，包括流动性（稠度）、粘聚性和保水性三个主要方面。②强度是混凝土硬化后的主要力学性能，反映混凝土抵抗荷载的量化能力。混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度。③混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。④混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力。2.7土木工程材料的未来未来的土木工程必将在各种苛刻的环境下，实现多功能化，甚至智能化，满足安全、舒适、美观、耐久的要求，土木工程材料将面临可持续发展和人类文明进步的严峻挑战：（1）在原材料方面要最大限度的节约有限资源，充分利用再生资源及工农业废料；（2）在生产工艺方面要大力引进现代技术，改造或淘汰陈旧设备，降低原材料及能源消耗，减少环境污染；（3）在性能方面要力求轻质、高强、耐久、多功能及结构－功能（智能）一体化；（4）在产品形式方面要积极发展预制技术，逐步提高构件化、单元化的水平。