工程材料

第2章工程材料(工程机械)建筑材料是土建工程的物质基础，是建筑工程建筑物的所有材料的总称，其中建筑材料费约占建筑物造价的50%。建筑材料的选择是否合理十分关键，因为它决定了建筑物的结构形式和施工方法，也决定了建筑物的造价，本章将简单介绍国内使用的主要建筑材料种类、用途、主要性能。建筑材料的基本性质物理性质：密度、含水率、孔隙率、导热性力学性质：强度、变形、弹性、塑性、韧性耐久性质：抵抗外界环境变化和条件的能力与工程有关的力学性质强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力，有抗拉、抗压、抗弯等强度。弹性和塑性：材料在外力作用下产生的变形，一旦外力取消，材料能完全恢复原来形状的性质称为弹性。如果取消外力后，材料继续保持变形后的形状尺寸称为塑性。脆性和韧性：材料在外力作用下，并无明显的塑性变形就发生突然破坏的性质称为脆性。在冲击荷载、振动荷载作用下，材料能承受很大的变形而不破坏的性能称为韧性。主要工程材料的简介一．钢材二．混凝土三．木材四．砌体五.其他材料一．钢材二．钢按其化学成分分为两大类，即碳素钢和合金钢，其主要成分为铁和碳，当碳含量小于2.06%称钢。大于2.06%称为生铁或铸铁。三．1.碳素钢四．根据含碳量的大小分为低碳钢、中碳钢、和高碳钢。随着含碳量的提高，钢的强度提高，但其可焊性和塑性降低。五．2.合金钢六．在碳素钢的基础上，添加具有改善钢材性能的合金元素，称为合金钢。合金元素一般是硅、锰、镍、钛等。合金元素总含量小于5%的合金钢称为低合金钢。七．低合金钢比碳素钢的强度高，塑性韧性良好，而生产工艺和成本却与普通碳素钢相近。所以在桥梁、电视塔、高层建筑中得到广泛的应用。建筑钢材的品种1.钢板2.钢板为热轧成型，根据不同用途又分为厚板、中板和薄板。建筑上多用中板与各种型钢组成钢结构。3.钢管钢管分为无缝钢管和焊接钢管，无缝钢管主要用于工业建筑设备的压力管道。4.钢筋按生产加工工艺和力学性能分为热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋和钢丝四大类。主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构构件。为改善钢材性能，还可采用热处理的方法，使钢材达到需要的使用性能。热处理的方法有退火、正火、回火、和淬火。通过热处理以改变钢材金相组织，获得所需要的性能要求。退火：将钢材加热到一定温度后，在退火炉中保温缓慢冷却。达到消除钢筋内应力、改善钢的显微结构、提高塑性和韧性性能等。正火：与退火不同的是加热后在空气中冷却，与退火相比，钢材的强度、硬度提高，塑性减小。淬火：将钢材加热到一定温度，在水中或油中淬冷，即迅速投入其中急速冷却。淬火可使钢材硬度大大提高，塑性、韧性明显降低。回火：将淬火后的钢材重新加热，加热温度愈高，回火后的硬度降低就愈多，塑性、韧性恢复愈好。钢材的防锈处理钢材在潮湿的土壤、湿度大的空气中、工业废气中或与酸、碱、盐接触，其表面要被腐蚀，即表面被氧化或与周围介质产生其它化学反应，使钢材表面变质，截面缩小，承载能力降低或完全丧失承载能，在高温下锈蚀速度更快。防止钢材锈蚀的最常见的方法是表面处理法。表面刷漆，刷一道底漆、一道面漆；对于薄壁钢材采用热浸镀锌，或镀锌后涂塑料涂层；也可在钢材表面均匀喷涂粘性液态防腐油，以形成一层透明保护薄膜；或是采用其他金属层覆盖钢材表面，如用电镀和喷镀法覆盖其他金属等，都是有效的防腐方法。制成合金钢是最有效的防锈方法，但成本高。在钢中加入能提高抗腐蚀能力的元素，如低碳钢或低合金钢中加入铜；铁合金中加入镍、铬制成不锈钢。钢材的优缺点强度高材质均匀塑性好加工安装性能好耐火性差易锈蚀维护保养费用高二．木材木材是一种历史悠久的建筑材料。在我国，木材、钢材与水泥构成三大建筑材料。在工程建筑中，木材用途极广。屋架、梁、门窗、地板、桥梁、混凝土模板及室内装饰等，都可以使用木材。木材是轻质高强材料，弹性、韧性好，清晰、美观，易加工。但我国森林资源缺乏，木材价格昂贵，一般的结构都不选用木材。木材的种类和特点树木分为针叶树和阔叶树，针叶树有红松、白松、和杉木等树种。其材质多松软、纹理直、容重小、强度高、易加工，针叶树是主要建筑用材。阔叶树常用树种有水曲柳、桦木等。材质较硬、容重高、胀缩大、易变形、易开裂。其加工困难，但纹理美观，常用于制成胶合板，用于室内装饰和制作家具。木材的物理性质木材的主要物理性质是指其含水率、湿胀干缩性、表观密度等。其中含水率是最重要的指标。1.含水率含水率为木材中含水量与干燥木材重量百分比。2.干缩湿胀吸附水的增加和减少将影响干缩和湿胀，而自由水对干缩湿胀不产生影响。纤维饱和点则是产生干缩和湿胀的界限。木材的力学性质由于木材呈各向异性，顺纹、横纹强度的差异较大，木材各向强度值的大概对比关系如表所示(设顺纹压强为100)。木材各向强度值的对比关系木材处理为改善木材腐朽、虫害、易燃等不利因素，对木材要进行加工处理，以提高其耐久性。1.防腐处理主要措施是通风和防潮，使木材的存在环境不适于真菌寄生和繁殖。当木材含水率在20%以下时，腐朽菌停止发育，不会发生腐朽；当含水率在100%以上时，如地下水位以下的木桩也不会腐朽；加强通风使环境湿度降低，经常处于干燥状态；表面涂油漆起隔热防菌作用。另一种防腐方法是涂抹防腐剂，其毒性断绝了木材供给真菌的养料，并将其毒死。多数防腐剂也可以同时防虫，二者互相结合使用的是防腐防虫剂。2.木材阻燃木材的燃烧温度在260～290℃之间，但若在100～150℃的温度条件下持续较常时间，木材也可能被点燃。因此除按规范的要求进行木结构设计外，对防火要求较高的建筑物可采用防火涂料处理，使其变为难燃木材。木材的优缺点质轻而高强弹性韧性好各向异性胀缩变形大易燃、易腐导热系数小装饰性好易于加工一．混凝土及钢筋混凝土混凝土是由水泥、水、砂、石按一定比例混合，经过搅拌、浇筑成形、凝固硬化形成的人造石材。混凝土中的砂和石在混凝土中起骨架作用。水泥为胶结材料，水使水泥水化，水和水泥相互作用则产生物理、化学变化，形成凝胶体将骨料胶结在一起形成混凝土块材。混凝土强度的主要影响因素水灰比（W/C）是混凝土中用水量和用水泥量的重量比。它是配制混凝土的重要指标参数，是影响混凝土抗压强度的重要因素石材砂有海砂、河砂、山砂，砂的颗粒在0.15～5mm之间，它和水泥拌和在一起用以填充石子间的空隙，而不与水泥发生化学作用。石有碎石、卵石。碎石表面粗糙、多棱角，与水泥浆粘合较好，但拌和物和易性差。卵石表面圆滑，多为圆形、椭圆形石块，因此与水泥浆之间粘结性能较差。但其拌和物的和易性较好。混凝土的配制配合比是指1m3混凝土中，水泥、砂子、石子和水的用量比。混凝土配合比设计的基本要求是：强度高，耐久性、和易性好，满足各项指标要求，同时节约水泥，降低混凝土的成本。新材料一、纳米技术二、喷涂聚氨酯三、新过滤膜四、液体木材五、新吸声材料六、高效阻燃材料建筑机械建筑机械是工程建设和城乡建设所用机械设备的总称，在我国又称为“建设机械”、“工程机械”等。按我国标准的规定，建筑机械分为以下几种类型：(1)挖掘机械：包括单斗挖掘机、多斗挖掘机、挖掘装载机。(2)铲土运输机械：推土机、铲运机、翻斗机等。(3)压实机械：包括压路机、夯实机等。(4)工程起重机械：包括塔式起重机、履带起重机、施工升降机等。(5)桩工机械：包括振动桩锤、液压锤、压桩机等。(6)路面机械：包括沥青洒布机、沥青混凝土摊铺机等。(7)混凝土机械：包括混凝土搅拌机、混凝土搅拌输送车、混凝土泵等。(8)混凝土制品机械：包括混凝土砌块成型机、空心板挤压成型机等。(9)钢筋及预应力机械：包括钢筋强化机械、钢筋成型机械、钢筋连接机械、钢筋预应力机械等。(10)装修机械：包括灰浆制备及喷涂机械、涂料喷刷机械、地面修整机械、装修吊蓝、手持机动工具等。(11)高空作业机械：包括高空作业车、高空作业平台等。第3章土木工程的基本结构形式3.1板、梁和柱板的特点或特征？——受弯工作梁的特点或特征？——受弯工作柱的特征？——受压工作板、梁和柱的受力模型一、板、梁的受力模型3.2拱拱是中国古老的主要结构形式之一，较为典型的结构为拱桥1、石拱桥2、混凝土及其他材料拱3、拱的主要特点3.3桁架一、铰接桁架杆件之间用铰链（理想状态下考虑）连接而成的。二、刚接桁架杆件之间都为刚性（整体浇筑）连接而成的。3.4框架在房屋建筑中，由梁或屋架和柱连接而成的结构称为框架。框架节点有铰接和刚接，铰接的称为排架，刚接的称为刚架。•排架：装配式工业厂房结构，柱子与屋架为铰接，柱脚与基础为刚性连接。•刚架：现浇的房屋结构梁柱结构体系（梁与柱、柱子与基础整体浇注形成刚性连接）。第4章土木工程与工程结构4-3房屋建筑建筑包含有两个含义：它既表示建造活动同时又表示这种活动的成果。建筑的目的是取得一种人为的环境，供人们从事各种活动。建筑的成果通常分为两类：建筑物和构筑物。4.3房屋建筑•建筑物：可供人们在其中进行生产、生活或其他活动的房屋或场所，如学校、影剧院、厂房等；•构筑物：而人们不在其中生产、生活的建筑，如水塔、烟囱、堤坝、电塔等。4.3房屋建筑房屋建筑的基本程序一、初步设计1.建设单位提出使用要求2.初步设计构思3.明确各种功能要求二、施工图设计阶段1.形成总体设计方案2.处理各种设计工种的技术问题3.进行各种设计工种的细部设计4.绘制施工图，书写设计说明，完成总体设计三、施工及验收阶段（实施阶段）1.交付施工，同时进行施工监理2.竣工，房屋落成，交付使用建筑的分类（1）按建筑使用功能分：•①民用建筑—非生产性建筑•②工业建筑—工业生产性建筑•③农业建筑—农副业生产建筑•（2）按主要承重结构材料分•土、石结构、木结构、砌体结构、钢筋混凝土结构、钢-混凝土组合结构、钢结构、薄膜充气结构•（3）按层数分•①住宅建筑中：低层为1～3层；多层为4～６层；中高层为７～９层；高层为10～30层。•②公共建筑及综合性建筑：建筑物总高度大于24m者为高层建筑（不包括高度超过24m的单层主体建筑）。•③建筑物高度超过100m时，不论住宅或公共建筑均为超高层建筑。•④工业建筑（厂房）：单层厂房、多层厂房、混合层数的厂房。第4章土木工程与工程结构4-4特种结构特种结构是指具有特种用途的工程结构，包括高耸结构、海洋工程结构、管道结构和容器结构等。一、烟囱烟囱是工业中常用的构筑物，是把烟气排入高空的高耸结构，能改善燃烧条件，减轻烟气对环境的污染。烟囱分为砖烟囱、钢筋混凝土烟囱和钢烟囱三类。二、水塔水塔是储水和配水的高耸结构，是给水工程中常用的构筑物，用来保持和调节给水管网中的水量和水压。一般由水箱、塔身和基础三部分组成。三、水池、冷却塔水池同水塔一样用于储水，不同的是：水塔用支架或支筒支撑，而水池多用在地面或地下。冷却塔是为了冷却各种液体、气体和蒸汽的塔形结构，发电厂、化工厂经常性出现或使用。四、料斗、料仓和储罐贮存粒状和粉状松散物体的立式容器。可做为生产调节短期使用的附属设施，也可做为长期贮存粮食、材料等的仓库。五、污泥消化池、塔桅结构、标志塔等六、展望由于工业的发展，不但在陆地上，而且在海中和地下，各种特种结构不断涌现。例如对放射性废料处理的容器，在岸上填满和封闭后运至近海沉入海底并将被监测。混凝土和预应力混凝土制作。4-5桥梁工程学习指导：1.由各种桥梁的形式，思考其受力的传递路线，分析其用于不同跨度的原因；2.将桥梁基础与其他建筑基础相比较，分析其区别；3.分析桥梁与其他建筑的各个组成部分的相对应关系。本章重点：1.各种桥梁的形式、适用范围和受力特点；2.各种类型桥墩和桥台的适用范围；3.沉井、沉箱基础的施工方法。一、概述桥梁是线路的重要组成部分。桥梁工程是土木工程中属于结构工程的一个分支学科,它与房屋建筑工程一样,也是用砖、石、木、混凝土、钢筋混凝土和各种金属建造的结构工程。桥梁：功能建筑、造型艺术工程、景观工程。二、桥梁工程的总体规划和设计要点桥梁工程是一项复杂的建设工程，它的规划所涉及的因素很多。我国现今一般采用两阶段设计。三、梁式桥梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构，由于桥上的恒载和活载的作用方向