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建筑材料树玉秀2008.8绪论一、土木工程材料分类1、定义：土木工程中所使用的一切材料及制品。•分类（1）按来源分•天然材料：竹、木等•人造材料：砖、瓦、水泥、砼、钢材等（2）按化学成分•无机材料：金属材料（钢、铁、铝、铜等）；非金属材料(水泥、玻璃、砖瓦、石材）•有机材料：木、竹、沥青、塑料等•复合材料：玻璃纤维增强材料、钢纤维增强砼等二、土木工程材料在土木工程中作用及重要性1、土木工程材料是构成土木工程的物质基础。2、直接影响着或决定着土木工程一些重要性质。（1）结构形式：山西应县佛宫寺木塔（1055年）高66米；马来西亚石油双塔楼（砼结构）高452米；上海金茂大厦（钢砼混合材料结构）高420.5米；•上海电视塔（预应力砼结构）468米；旧金山金门大桥（悬索桥）主跨1280.2米；苏通大桥（斜拉桥）主跨1088米、主塔300多米；大跨度的钢结构展览馆；体育馆；机场航站楼。07年有39人在金门大桥自杀，当局准备化费5000万装防护网。--08-10-12京华时报。（2）安全性•唐山地震•重庆彩虹桥事件（99年1月4日晚6时50分40多人伤亡）（3）功能、适用性•绝热材料、吸声隔声材料、装饰材料、耐热防火材料、防水抗渗材料、耐磨耐腐蚀材料、防爆防辐射材料。（4）经济性•优良的建材能满足：•足够的强度（承载）•较轻（减轻地基负荷）•相应的耐久性（降低维修费）•美观•功能要求•低能耗•环保三、土木工程材料的发展趋势1、上古时期人类野处穴居•旧石器时代的北京猿人（69万年前）住天然岩洞。•北京周口店龙骨山山顶洞人（18000年前）住天然岩洞。•巢氏教民构木为巢，居于树上。2、砖木房屋•土坯（8000年欧洲）•凿琢自然石（5000~6000年前）•砖（3000年前）•秦砖汉瓦（2000年前）•钢筋混凝土（19世纪）•化学建材具有特殊功能的新型建材3、展望•发展方向：环保、节能、轻质高强、多功能、结构功能一体化、构件化、单元化。（1）墙体材料•非黏土砖的应用（2）轻质高强混凝土、改性混凝土、预应力混凝土四、本课程的主要内容及学习方法•水泥、混凝土、钢材、沥青、塑料的生产、性能及应用是重点。•听课、作业、实验。•闭卷考试（考试成绩占80%、平时成绩20%）。第一章土木工程材料的基本性质土木工程材料受到诸多因素的影响：•力学作用（外力、自重、风力、地震）•物理作用（雨、雪、霜、干湿循环、冻融循环、火）•化学作用（风化、酸碱盐侵蚀）材料的性能是多方面的，必须与使用环境相适应。1.1.1材料的组成1、化学组成（化学元素、化合物种类及数量）•决定材料的：抗酸碱侵蚀性、可燃性、耐火性、钢材的锈蚀等。2、矿物组成（矿物种类和数量）§1-1材料科学的基本理论3、相组成（结构相近性质，相同的均匀部分）•气相、液相、固相：一般材料•铁素体、渗碳体、珠光体：钢•集料相、基相、界面相：砼1.1.2材料的结构和构造1、宏观结构（1）宏观结构的孔隙特征•致密结构：金属、玻璃、塑料•多孔结构：加气混凝土、泡沫混凝土、轻质多孔材料•微孔结构：石膏制品（2）按组织构造特征•堆聚结构：混凝土、砂浆、沥青混合料•纤维结构：木材、玻璃钢•层状结构：胶合板•散粒结构：混凝土集料2、细观结构（以光学显微镜观察）•混凝土的基相、集料相、界面相•钢铁的铁素体、珠光体、渗碳体•木材的木纤维、导管髓线、树脂道3、微观结构（用中子显微镜或x射线分析)•晶体：钢铁材料•玻璃体：火山灰、炉渣、玻璃•胶体：胶粒（粒径10-7-10-10）作为分散相，分散在连续相（水、气、溶剂）中形成的分散体。§1.2材料的基本物理性质1.2.1材料的密度、表观密度、堆积密度1.密度绝对密实状态下，材料单位体积的质量。ρ=m/vρ-g/cm3m-gV-cm32.表观密度在自然状态下，材料单位体积的质量。•ρ0=m/v0•V0---表观体积（包含内部孔隙的体积）3.堆积密度•ρ0′=m/v0′1.2.2材料的密实度与孔隙度1.密实度材料的体积内被固体物质充实的程度•D=v/v0*100%或D=ρ0/ρ*100%2.孔隙率•P=（v0-v）/v0=1-D1.2.3材料的填充率与空隙率1.填充率：某堆积体中，被散粒材料的颗粒所填充的程度•D′=v0/v0′*100%或D=ρ0′/ρ0*100%2.空隙率•P′=1-D′1.2.4材料与水的关系1.材料的亲水性与憎水性•亲水材料θ≤90°•憎水材料θ＞90°•θ---润湿边角•石灰岩、玄武岩属于憎水岩石，与沥青粘结力强，常用来做铺路材料。•花岗岩属亲水岩石，与沥青粘结力不强，遇水易剥落，即水稳定性差不宜用做铺路材料。2.材料的吸水性与湿性（1）含水率所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比•W=（m1-m）/m*100%•m---材料干燥状态下的质量，g•m1---材料在含水状态下的质量，g（2）吸水性•吸水率：材料吸水饱和时的含水率。•致密岩石：0.5-0.7%•混凝土：2-3%•粘土砖：8-20%•木材等：＞100%（3）吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质，具有可逆性。•影响：木制门窗、保温材料3.材料的耐水性：材料抵抗水破坏作用的能力。（1）破坏作用•力学性质方面•光学性质方面•装饰性质方面（2）软化系数•材料在吸水饱和状态下抗压强度/材料在干燥状态下的抗压强度•长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑，其材料的软化系数≥0.85。4.材料的抗渗性•材料抵抗压力水渗透的性质。•K=Qd/AtH•K---渗透系数，cm/h•Q---透水量，cm3•D---试件厚度，cm•A---透水面积，cm2•t---时间，h•H---静水压力水头，cm•K越小，抗渗性越好。§1-3材料的基本力学性质1.3.1材料的强度•材料在外力作用下，抵抗破坏的能力•抗压强度、抗拉强度、抗剪强度f=Fmax/A•抗弯强度f=3FmaxL/2bh2(单点集中加荷）；f=FmaxL/bh2(三分点集中加荷）•土木工程材料常根据其强度划分为若干不同的等级。1.3.2弹性与塑性•弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后变形随即消失，完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可完全恢复的变形称为弹性变形。•塑性：材料在外力作用下，当压力超过一定限值时产生显著变形，且不产生裂缝或发生断裂，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质。这种不能恢复的变形称为塑性变形。1.3.4脆性与韧性•脆性：材料发生突然破坏之前无明显的塑性变形。如陶瓷、玻璃、石材、砖瓦、铸铁。•韧性：在冲击、振动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量不发生破坏的性质。也称冲击韧性。如.建筑钢材（软钢），木材等。•桥梁、吊车梁及有抗震要求的工程中，结构材料要有较好的韧性。§1.4材料的耐久性•定义：材料在使用中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能而不破坏、不变质的能力。•内容：抗风化、抗酸碱盐侵蚀、抗渗、耐水、抗冻等性能，属于综合指标。第二章建筑钢材•建筑钢材包括：钢筋混凝土结构的钢筋、钢丝和用于钢结构各种型钢如钢管、槽钢、工字钢、角钢等。§2-1钢材的化学组成1、主要成分：铁、碳、合金元素、杂质。2、分类按化学成分分为碳素钢和合金钢（1）碳素钢•低碳钢含碳量小于0.25%•中碳钢含碳量[0.25%，0.6%）•高碳钢含碳量大于0.6%（2）合金钢•低合金钢合金元素含量小于5%•中合金钢合金元素含量[5%，10%]•高合金钢：合金元素含量大于10%•建筑钢材含碳量一般为不超过0.8%的碳素钢及低合金钢。3、各元素对钢材性能的影响（1）碳—它与铁原子的结合方式有：•固溶体：形成铁素体，含碳量极少。•化合物（Fe3C）：形成渗碳体，含碳量较高。•机械混合物：形成珠光体，含碳量在二者之间。•含碳量↑，珠光体↑，强度↑，塑性、韧性、可焊性↓（0.6%时，可焊性很差）。（2）合金元素•硅含量低于1%时，能提高钢材的强度。•锰含量1%-2%，提高钢材的强度。•钛强度↑↑，韧性、可焊性↑。•其化学性质稳定，耐腐蚀(抵抗海水腐蚀能力很强），主要用于飞机、火箭、导弹、飞船等，少量用于冶金、能源、交通医疗及石化工业。•矾强度↑•铌强度↑（3）杂质元素•磷强度↑，可焊性↓↓，冷脆性↑↑。有益作用：提高强度、硬度、耐磨性、改善切削性，耐大气腐蚀性强，在低合金钢中可配合其它元素做合金元素用，军事上利用其脆性制造炮弹增大杀伤力。普通碳素钢磷含量≤0.045%优质碳素钢磷含量≤0.035%高级优质碳素钢磷含量≤0.030%•硫极有害元素可焊性↓↓，热脆性↑，热加工性↓普通碳素钢硫含量≤0.055%优质碳素钢硫含量≤0.040%高级优质碳素钢硫含量0.02%-0.03%•氧韧性、可焊性↓•氮强度↑，塑性、韧性↓•包括：抗拉、冷弯、冲击韧性、硬度和耐疲劳性。2.2.1抗拉性能•金属最重要的性能，主要技术指标有：屈服点、抗拉强度、伸长率。§2-2建筑钢材的主要力学性能1、σ-ε图•OA：弹性阶段•AB：弹塑性阶段•BC：塑性阶段•CD：强化阶段•DD′：破坏阶段（颈缩、断裂）插图p242、指标•弹性极限σp弹性范围内，所能承受最大的力。•弹性模量E弹性模量大，抗变形能力强。•上屈服点σsu屈服阶段，所能承受最大的力。•下屈服点σsl对试验条件较不敏感。•屈服强度σs取为下屈服点•抗拉强度σb抗拉试验中，所能承受最大的力。•强屈比σb/σs大于1.2，影响材料安全及利用率。•硬钢的屈服点σ0.2产生残余变形达到原始长度0.2%时所对应的应力。•断后伸长率δ=（l1-l0）/l0*100%对于钢筋一般8-27%。反映钢材的塑性。δ5＞δ10(5，10为试件的长、径直比）。2.2.2冷弯性能(coldbendingproperty)1、定义钢材在常温下承受弯曲变形的能力。2、物理意义一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力、夹杂物未融合及微裂纹等缺陷，能反映冶金质量和焊接质量。3、冷弯实验•试件长度L=5a+150(mm);试验角度180°；•弯心直径d=0,0.5a,a,2a,3a…a---试件厚度或直径；•试验温度10-35°；•缓慢加载。4、指标弯曲角度，弯心直径/试件厚度或直径2.2.3冲击韧性1、定义：钢材抵抗冲击载荷的能力。2、冲击韧性试验3冲击韧性值：аk=Ak/FAk冲断试件所消耗的功；F—试件断口处截面面积。4、冷脆性：钢材在低温下，呈现脆性的现象。5、脆性临界温度：钢材在降到某一温度范围时，冲击韧性急剧下降，而呈现脆性，该温度即为脆性临界温度。6、时效：钢材随时间延长强度提高、塑性和韧性下降的现象。7、时效敏感性：因时效而导致性能改变的程度。受动载的结构物如桥梁等，应选用时效敏感性小的钢材。8、实例•国外一钢桥在夜间温度骤降下，因冷脆而塌落。•Poland一跨度76.6米的钢梁组合桥（compositebridge)于1987.1.8在温度-35°发生塌毁事故。•我国北方60年代初，一钢筋混泥土梁，因钢筋焊接接头冷脆而塌落的事故。•选用钢材时，在负温使用下的结构应选用脆性临界温度较使用温度为低的钢材。2.2.4硬度1、定义指钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。是钢材弹性、塑性、强度、韧性及变形强化率等的综合反映。2、布氏硬度HB=P/（πDh)•P-压入载荷，N;D-钢球直径，mm;H-压入深度，mm。3、硬度值与抗拉强度的相关性碳素钢：•HB﹤175时，σb=3.6HB•HB﹥175时，σb=3.5HB根据以上关系，可在钢结构上原位测得的HB值估算σb。4、洛氏硬度根据压头压入试件的深度大小表示材料的硬度值。一般用于判断机械零件的热处理效果。2.2.5耐疲劳性1、钢材的疲劳破坏：指在交变应力作用下，钢材在应力远小于σb时发生断裂的现象。2、疲劳极限σr在疲劳试验中，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。3、应力比值ρ=σmin/σmax•测定钢筋疲劳极限时，通常采用拉应力循环。•非预应力筋ρ=0.1-0.8•预应力筋ρ=0.7-0.85•周期基数200万次或400万次以上。4、钢材