2第二章工程材料

第二章工程材料第一节概述一、土木建筑工程材料的分类1、按基本成分分类有机材料：包括天然有机材料（如木材）、人工合成有机材料（如塑料）无机材料：包括金属材料（如钢材）、非金属材料（如水泥）；复合材料：有机—无机复合材料（如玻璃钢）、金属—非金属复合材料（如钢纤维混凝土）2、按功能分类结构材料：承受荷载作用的材料，如构筑物的基础、柱、梁所用的材料。功能材料：具有其他功能的材料，如起维护作用的材料、防水、装饰、保温隔热材料等。3、按用途分类建筑结构材料；桥梁结构、水工、路面、建筑墙体、建筑装饰、建筑防水、建筑保温等。二、土木工程建筑材料的物理力学性质（一）材料的物理状态参数有：密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、密实度1、密度材料在绝对密实状态下单位体积的重量。绝对密实是不包括材料内部孔隙的固体物质的实体积。ρ=Vmρ：材料的密度；m：材料在干燥状态下的重量；V：材料在绝对密实状态下的体积。2、表观密度材料在自然状态下单位体积的重量。自然状态：指包括材料实体积和内部孔隙的外观几何形状的体积。0=0Vmρ0：材料的表观密度；m：材料的重量；V0：材料在自然状态下的体积。材料表观密度与含水状况有关，测定表观密度时，以干燥状态为准，含水状态须注明含水情况。3、堆积密度散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量，0=0Vmρ·0：散粒材料的堆积密度；m：散粒材料的重量；V·0：散粒材料在自然堆积体积。散粒材料堆积状态下的外观体积，既包含了颗粒自然状态下的体积，又包含了颗粒之间的空隙体积散粒材料的堆积方式是松散的为自然堆积；捣实的为紧密堆积。4、孔（空）隙率（P）是指材料体积内孔隙体积所占的比例。P=%100)1(%100000VVV5、密实度（D）指材料体积内被固体物质所充实的程度D=%100%1000OVV空隙率和密实度两者之和为1，（二）材料与水有关的性质包括：吸湿性、吸水性、抗渗性、抗冻性、耐水性（软化系数）。1、吸湿性和吸水性（1）吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水气的能力称为吸湿性。材料的吸湿性的大小用含水率表示。含水率：ωwc=%100mmm湿m湿：材料吸收空气中的水气后的质量；m：材料烘干到恒重时的质量。（2）吸水性。材料在水中吸收水分的能力称为吸水性。吸水性的大小用吸水率表示。质量吸水率：ωwa=%100mmm1体积吸水率：ωwa·体=%1001vmmw01m1：材料吸水饱和后的质量；m：材料烘干到恒重时的质量；w：水的密度，1/cm3；V0：干燥材料在自然状态下的体积。材料吸水率的大小与材料的空隙率和空隙特征有关。具有细微而连通孔隙的材料吸水率大，具有封闭孔隙的材料吸水率小。轻质材料，如海绵、塑料泡沫，吸水后的质量远远大于干燥时的质量，此时用体积吸水率表示。2、耐水性材料的耐水性是指材料在长期的饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。有孔材料的耐水性用软化系数表示。KR=gbfffb：材料在水饱和状态下的抗压强度；fg：材料在干燥状态下的抗压强度。对于重要工程及长期浸泡或潮湿环境下的材料，要求KR＞0.85；通常把KR＞0.85称为耐水材料。对于受湿较轻或次要结构的材料，要求KR＞0.75；KR越小则耐水性越差。3、抗渗性材料的抗渗性是其抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性常用渗透系数或抗渗等级表示。渗透系数按西达定律表示：K=AtHQdK：渗透系数（cm/h）；Q：渗水总量（cm3）；A：渗水面积（cm2）；d：试件厚度（cm）；t：渗水时间（h）；H：净水压力水头（cm）；抗渗等级（记作S）是以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压（MPa）来确定。材料的抗渗系数越小或抗渗等级越高，其抗渗性能越好。材料的抗渗性与材料的空隙率及其特征有关，孔隙率小而且是封闭孔隙的材料，具有较高的抗渗性能。4、抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻结和融化作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，用抗冻等级（记作D）表示。如D15，指的是所能承受的最大冻融次数为15次。抗冻等级：表示材料经过规定的冻融次数，其质量损失、强度降低不低于规定值，也无明显损坏和剥落，则此冻融循环次数即为抗冻等级。（三）材料的力学性质主要有：强度与比强度、弹性与塑性、脆性和韧性。1、材料的强度与比强度（1）强度。是指在外力（荷载）作用下材料抵抗破坏的能力。材料在土木建筑工程中所承受的外力主要有：压、拉、剪、弯、扭等五种。均在静力试验下测得，又称静力强度。（2）比强度。是按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。是衡量材料轻质高强性能的重要指标。2、材料的弹性与塑性（1）弹性。是指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，材料又能恢复原来形状的性质。这种可恢复的变形属于可逆变形，称为弹性变形。（2）塑性。若去除外力后，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性。此种不可恢复的变形成为塑性变形。塑性越大越好材料弹性范围内，其应力与应变之间的关系符合虎克定律：σ=Eεσ：应力（MPa）；ε：应变；E：弹性模量；弹性模量：是材料刚度的度量，反映材料抵抗变形的能力；E越小，材料受力变形越大，E越大，则受力变形越小。建筑中的不少材料称为弹塑材料，即弹性变形和塑性变形同时发生。3、材料的脆性和韧性脆性：是指材料在外力作用下，无显示塑性变形而突然破坏的性质。韧性：材料在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。第二节钢材、木材、水泥一、钢材钢材具有良好的技术性质，能承受较大的弹性变形，加工性能好，在土木建筑中广泛应用。（一）钢材的分类1、按化学成分可分为：碳素钢、合金钢两大类碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳量小于0.25%），中碳钢（0.25%～0.6%），高碳钢（大于0.6%）。合金钢：含有一种或多种特意加入或超过碳素钢限量的化学元素，如：锰、硅、钒、钛等。合金元素可改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。低合金钢（合金元素小于5%），中合金钢（5%～10%），高合金钢（大于10%）。2、按钢的用途分类分为：结构钢、工具钢、特殊性能钢（如：不锈钢、耐热钢、耐酸钢）3、按脱氧程度不同分类脱氧充分者为：镇静钢和特殊镇静钢（代号Z及TZ）；脱氧不充分者为：沸腾钢（F）；介于两者之间的为：半镇静钢（B）；土木建筑工程中使用的钢材大多为：普通碳素结构钢的低碳钢和属于普通钢一类的低合金钢。（二）钢材的力学性能与工艺性能1、抗拉性能（1）屈服点（屈服强度）。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时，屈服下限所对应的屈服强度，叫屈服点。设计时一般以屈服强度作为强度取值的依据。σS（2）抗拉强度。试件进入屈服阶段后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点的应力称为抗拉强度。σb屈强比，σS/σb；屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，安全性愈高；但屈强比太小，则反映钢材不能有效的被利用。（3）伸长率。试件拉断后，量出拉断后的标距L1，按下式进行计算。δ=[（L1-L0）/L0]×100%L0：试件的原标距长度（mm）伸长率表征了钢材的塑性变形能力。通常以δ5表示L0=5d0和δ10表示L0=10d0时的伸长率；对于同一种钢材，δ5＞δ102、冷弯性能冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力；是钢材的重要工艺性能。试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即合格。冷弯试验是：通过试件弯曲处的塑性变形实现的，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验对钢材的焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表面存在的裂纹和夹杂物。3、冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。试件在冲击荷载作用下折断时所吸收的功，称为冲击吸收功。AKV（J）当温度降低达到某一范围时，AKV急剧下降而呈脆性断裂，这种现象称为冷脆性。发生冷脆时的温度称为脆性临界温度，其数值越低，说明钢材的低温冲击韧性越好。直接承受动载而且有可能在负温下工作的重要结构，必须进行冲击韧性试验。4、硬度是表面层局部体积抵抗压入产生塑性变形的能力。用布氏硬度HB表示。HB值试验测得。5、耐疲劳性在反复荷载作用下，钢材往往在应力远远小于抗拉强度时发生断裂，此现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限表示。它是疲劳试验中试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。6、焊接性能钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。是钢材的重要工艺性能。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。含碳量超过0.3%时，可焊性显著下降。（三）钢材的化学成分及对性能的影响1、碳土木建筑工程用钢材含碳量不大于0.8%；在此范围内，随着钢中含碳量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低；还显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。2、硅当硅在钢中含量较低（小于1%）时，随着含量的加大可提高钢的强度，对塑性和韧性影响不大。3、锰锰是低合金钢的主加合金元素，锰的含量一般在1%～2%范围内；作用主要是：使强度提高；还能消除硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性能改善。4、硫很有害的元素，呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性，具有热脆性。5、磷为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对塑性和韧性影响愈大。磷在钢中的偏析作用强烈，使得钢材的冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。但磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素使用。（四）土木建筑工程常用钢材1、碳素结构钢指一般的结构钢及工程用的热轧板、管、带、型、棒材。碳素结构钢的牌号组成包括四部分：屈服点字母屈服点数值质量等级脱氧方法Q×××MPaA、B、C、D四级（逐级提高）Z：镇静钢；TZ：特殊镇静钢F：沸腾钢；B：半镇静钢；（Z、TZ可省略不写，镇静钢最好）例如：Q235-A·F：表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢；Q235-B：表示屈服点为235MPa，B级镇静钢；碳素钢根据屈服点的大小分为五个牌号：Q195，Q215，Q235，Q255，Q275；依牌号升序，含碳量及抗拉强度增大，但冷弯及伸长率呈下降变化。工程主要使用Q235号钢，其具有较高的强度，良好的塑性和韧性，可焊性及加工性能。且冶炼方便，成本较低。其中C、D级可用在重要的焊接结构。Q195，Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制铆钉、钢筋等。Q255，Q275号钢材强度较高，但塑性、韧性、可焊性较差，可用于钢筋混凝土配筋和结构构件螺栓。如受动荷载、焊接结构、在低温情况下工作的结构，不能选用A、B质量等级及沸腾钢。2、低合金钢一般是在普通碳素钢的基础上，少量添加若干合金元素而成，如硅、锰、钒、钛、铌等，使得钢的强度、耐磨性、低温冲击韧性等得到显著提高和改善。普通低合金钢的优点：（1）强度高，减小自重，经济效益好；（2）具有良好的综合性能，耐腐性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长；（3）易于加工和施工，良好的可焊性和冷加工性能。3、型钢和钢板（1）型钢。绝大部分型钢用热轧方式生产。（2）钢板。热轧钢板可分中厚板（厚度大于4mm），薄板（厚度0.35～4mm）；冷轧板只有薄板（厚度0.2～4mm）4、钢筋其材质包括普通碳素钢和普通低合金钢；常用的有热轧钢筋、冷加工钢筋及钢丝、钢绞线。（1）热轧钢筋。钢筋混凝土结构对热轧钢筋的要求较高，具有一定塑性、韧性、冷弯性、可焊性。热轧钢筋按屈服点与抗拉强度分为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，强度代号：HPB235，HRB335、HRB400（RRB4OO）Ⅰ级钢筋强度较低，但塑性和可焊性好，便于冷加工，广泛用于钢筋混凝土中的非预应力钢筋。Ⅱ、Ⅲ级钢筋强度较高，塑性和可焊性也较好，广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。（2）冷加工钢筋。在常温下对钢筋进行加工（冷拉、冷拔、冷轧）