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1、土木工程概论,第二章 土木工程材料,纵观我国历史，劳动人民在土木工程材料的生产和使用方面，曾经取得重大的成就。在金属冶炼、木材防腐和陶瓷工艺等方面，都曾居世界领先地位。我国历代许多有名的建筑物如万里长城、都江堰水利工程、明故宫和一些宏伟壮观的寺庙、楼阁、塔等都说明当时我国土木工程材料特别是天然石料、砖瓦、木材、油漆和粘结材料的生产和应用技术都达到了很高的水平。每当出现新的建筑材料时，土木工程就有飞跃式的发展。土木工程的三次飞跃发展是：砖瓦的出现、钢材的大量运用、混凝土的兴起。,概述,土木工程材料是土木工程中所有材料的总称，是土木工程的物质基础，其材料费约占总造价的50%。土木工程材料的选择是否
2、合理十分关键，因为它决定了建筑物或构筑物的性能、功能、寿命和经济成本，从而影响人类生活空间的安全性、方便性、舒适性。,土木工程材料分类,2.1 砖、瓦、砂、石、灰,砖、瓦、砂、石、灰可统称为地方材料，由于其工程用量大，原料价格低，一般都在当地或附近采购。砖、瓦、砂、石、灰这些材料是最基本的建筑材料。无论是在古代，还是在现代的建筑领域中，砖、瓦、砂、石、灰处于不可替代的地位。就好比水是由氢元素和氧元素组成的，建筑都是由砖、瓦、砂、石、灰等基本的建筑材料组成的。,砖是一种常用的砌筑材料。优点:制砖的原料容易取得，生产工艺比较简单，价格低、体积小便于组合，粘土砖还有防火、隔热、隔声、吸潮。所以至今仍
3、然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中。缺点：传统粘土砖毁田取土量大、能耗高、砖自重大，施工生产中劳动强度高、工效低。,那么拿什么来取代它呢？你有什么好办法？,砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖；按所用原材料分：粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等；按有无孔洞分为空心砖、多孔砖和实心砖。,砖的分类,大面,顶面,条面,粘土砖,53,240,115,页岩多孔砖,煤矸石空心砖,粉煤灰实心砖,炉渣实心砖,灰砂实心砖,瓦，一般指粘土瓦。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。中国瓦的生产比砖早。西周时期就形成了独立的制陶业，西汉时期工艺上又取得明显
4、的进步，瓦的质量也有较大提高，因称“秦砖汉瓦”。粘土瓦的生产工艺与粘土砖相似，但对粘土的质量要求较高，如含杂质少，塑性高，泥料均化程度高等。中国目前生产的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦。,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。,瓦是屋面材料。由于建筑工业的发展，对屋面材料也提出了新的发展要求。按成分分: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；按形状分:平瓦和波形瓦。,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。砂一般分为天然砂和人工砂两类。天然砂：由自然条
5、件作用（主要是岩石风化）而形成的，粒径在5mm以下的岩石颗粒。人工砂：由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉状物多，一般不用。砂的颗粒级配是指砂子大小颗粒的搭配比例。,骨料颗粒级配示意图,由此可见，砂子的空隙率取决于砂料各级粒径的搭配程度。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x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。,砂在自然状态下往往含有一定的水分，其含水状态有四种 1完全干燥状态 图（a）在1055下烘干，达恒重时的状态。2.风干状态 图（b）也叫气干状态，指砂子含水率和周围湿度达动态平衡时的
6、状态。3.饱和面干状态 图（c）颗粒表面干燥，内部孔隙吸水达饱和时的状态。4.完成湿润状态 图（d）颗粒内部吸水饱和且表面附有吸附水的状态。显然，砂的含水状态直接影响混凝土或砂浆拌合用水及砂的用量。,凡采自天然岩石，经过加工或未经加工的石材，统称为天然石材。天然石材是最古老的土木工程材料之一。由于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于装饰性，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。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。,一、毛石毛石也称片石，是采石场由爆破
7、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。二、料石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。根据表面加工的平整程度分为毛料石、粗料石、半细料石和细料石四种。料石一般由致密均匀的砂岩、石灰岩、花岗岩加工而成。,三、饰面石材饰面石材从岩石种类分主要有大理石和花岗岩两大类。大理石是指变质或沉积的碳酸盐类岩石花岗石是指可开采为石材的各类岩浆岩。,四、色石渣色石渣也称色石子，是由天然大理石、白云石、方解石或花岗岩等石材经破碎筛选加工而成，作为骨料主要用于人造大理石、水磨石、水刷石、干粘石、
8、斩假石等建筑物面层的装饰工程。,五、石子在混凝土组成材料中，砂称为细骨料，石子称为粗骨料，石子除用作混凝土粗骨粒外，路桥工程、铁道工程的路基道渣等也常用。石子分碎石和卵石，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，称为碎石或碎卵石。岩石由于自然条件作用而形成的，粒径大于5mm的颗粒，称为卵石。,所谓灰是指石灰和石膏。石灰和石膏是无机胶凝材料，土木工程中用胶凝材料将散粒材料（如砂和石子）或块状材料（如砖和石块）粘结为一个整体。,那什么是胶凝材料，是不是就象胶水啊？,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。,一、石膏土木工程中使
9、用最多的石膏品种是建筑石膏，建筑石膏加水后拌制的浆体具有良好的可塑性。建筑石膏具有很好的防火性能、隔热性能和吸音性能，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。常见的有：纸面石膏板、石膏装饰板、纤维石膏板、石膏空心条板、石膏空心砌块和石膏夹心砌块等。石膏还可用来生产各种浮雕和装饰品。如浮雕饰线、艺术灯圈、角花等。,纸面石膏板,石膏装饰板,纤维石膏板轻钢龙骨石膏板隔墙吊顶,石膏空心条板,浮雕,二、石灰石灰石的主要成分是碳酸钙，将石灰石煅烧，碳酸钙将分解成为生石灰。熟化：工程上使用石灰时，将生石灰加水，使之消解成消石灰（氢氧化钙）的过程
10、。,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。土木工程用的钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢等）、钢板、管材和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。,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。,采用各种型钢和钢板制做的钢结构，具有自重小、强度高的特点。钢筋与混凝土组成的钢筋混凝土
11、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.由于各类建筑物、构筑物对在各种复杂条件下的使用功能的要求日益提高，建筑用金属材料的发展趋势将是：1、以高效钢材为主体的低合金钢将得到进一步的发展和应用。2、随着冶金工业生产技术的发展，建筑钢材将向具有高强、耐腐蚀、耐疲劳、易焊接、高韧性或耐磨等综合性能的方向发展。3、各种焊接材料及其工艺将随低合金钢的发展不断完善和配套。,钢材的分类,将生铁在炼炉中冶炼，将含碳量降低到2以下，并使其杂质控制在指定范围即得到钢。钢锭（或钢坯）经过压力加工（轧制、挤压、拉拔等）及相应的工艺处理后得到钢材。土木工程所使用的钢材大多
12、为普通碳素结构钢的低碳钢和属普通钢类的低合金结构钢。,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：1、型材。钢结构用钢，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。,2、板材。主要是钢结构用钢，建筑结构中主要采用中厚板与薄板。3、管材。主要用于桁架、塔桅等钢结构中。4、金属制品。土木工程中主要使用的产品有钢丝、钢丝绳以及预应力钢丝及钢绞线。,H型钢,工字钢,优点：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。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
13、、易腐等。,木材是由树木加工而成的，树木分为针叶树和阔叶树。针叶树：树干通直而高大，易得大材，纹理平顺，材质均匀，木质较软而易于加工，故又称软木材。常用树种有松、杉、柏等。阔叶树：树干通直部分一般较短，材质较硬，较难加工，故又 名硬木材。常用树种有榆木、水曲柳、柞木等。,木材的分类,树木可分为树皮、木质部和髓心三个部分。而木材主要使用木质部。木质部的构造特征如下：1 边材、心材在木质部中，靠近髓心的部分颜色较深，称为心材。心材含水量较少，不易翘曲变形，抗蚀性较强；外面部分颜色较浅，称为边材。边材含水量高，易干燥，也易被湿润，所以容易翘曲变形，抗蚀性也不如心材。,木材的构造,2 年轮、春材、夏材
14、横切面上可以看到深浅相间的同心圆，称为年轮。年轮中浅色部分是树木在春季生长的，由于生长快，细胞大而排列疏松，细胞壁较薄，颜色较浅，称为春材（早材）；深色部分是树木在夏季生长的，由于生长迟绶，细胞小，细胞壁较厚，组织紧密坚实，颜色较深，称为夏材（晚材）。,3髓心、髓线第一年轮组成的初生木质部分称为髓心（树心）。从髓心成放射状横穿过年轮的条纹，称为髓线。髓心材质松软，强度低，易腐朽开裂。髓线与周围细胞联结软弱，在干燥过程中，木材易沿髓线开裂。,树木的年轮,春材,夏材,木材的主要性质,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
15、、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。木材各种强度的关系见表。,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）。,水泥的定义与分类 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。,混凝土,混凝土又称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料，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
16、人造石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，使其使用范围出十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，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。,一、混凝土的种类与发展,按胶凝材料不同，分水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混凝土等；按表观密度不同，分重混凝土、普通混凝土、轻混凝土；按使用功能不同，分结构用混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土及防辐射混凝土等；按施工工艺不同，又分喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浆混凝土等。为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，人们还将水
17、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。目前，混凝土仍向着轻质、高强、多功能、高效能的方向发展，发展复合材料，不断扩大资源，发展预制混凝土和使混凝土商品化也是今后发展的重要方向。,二、普通混凝土,1 组成材料与结构 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
18、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。其结构如图：,2 主要技术性质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。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。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。其中以抗压强度最大，抗拉强度最小。混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作
19、用下的变形。非荷载作用下的变形有化学收缩、干湿变形及温度变形等。水泥用量过多，在混凝土的内部易产生化学收缩而引起微细裂缝。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。包括混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。,砌筑砂浆,砂浆是由胶凝材料、细骨料和水等材料按适当比例配制而成的。砂浆与混凝土的区别在于不含粗骨料，可认为砂浆是混凝土的一种特例，也可称为细骨料混凝土。砂浆常用的胶凝材料有水泥、石灰、石膏。按胶凝材料不同砂浆分为：水泥砂浆、石灰砂浆和混合砂浆。混合砂浆有水泥石灰砂浆、水泥粘土砂浆和石灰粘土砂浆等。用于砖石砌体的砂浆称为砌筑砂浆。,新
20、拌的砂浆主要要求具有良好的和易性。和易性良好的砂浆容易在粗糙的砖石底石面上铺设成均匀的薄层，而且能够和底面紧密粘结。砂浆和易性包括流动性和保水性两个方面。硬化后的砂浆则应具有所需的强度和对底面的粘结力，而且其变形性不能过大。根据砂浆的抗压强度划分的若干等级，称为砂浆的强度，并以“M”和应保证的抗压强度值（MPa）表示，其强度等级分别为M2.5、M5.0、M7.5、M10、M15、M20。影响砂浆强度的因素有材料性质、配比、施工质量等，此外还受被粘结块体材料的表面吸水性影响。,抹面砂浆,凡涂抹在建筑物或土木工程构件表面的砂浆，可统称为抹面砂浆。根据抹面砂浆功能的不同，一般可将抹面砂浆分为普通抹面
21、砂浆、装饰砂浆、防水砂浆和具有某些特殊功能的抹面砂浆（如绝热、耐酸、防射线砂浆）等。1.普通抹面砂浆普通抹面砂浆的功能是保护结构主体免遭各种侵害，提高结构的耐久性，改善结构的外观。常用的普通抹面砂浆有石灰砂浆、水泥砂浆、水泥混合砂浆、麻刀石灰浆或纸筋石灰浆。,2.装饰砂浆涂抹在建筑物内外墙表面，能具有美观装饰效果的抹面砂浆通称为装饰砂浆。要选用具有一定颜色的胶凝材料和骨料以及采用某种特殊的操作工艺，使表面呈现出各种不同的色彩、线条与花纹等装饰效果。装饰砂浆所采用的胶凝材料有普通水泥、矿渣水泥、火山灰质水泥、白水泥、彩色水泥，或是在常用水泥中掺加些耐碱矿物颜料配成彩色水泥以及石灰、石膏等。,3.
22、防水砂浆制作防水层的砂浆叫做防水砂浆。砂浆防水层又叫刚性防水层。这种防水层仅适用于不受振动和具有一定刚度的混凝土或砖石砌体工程。对于变形较大或可能发生不均匀沉陷的结构，都不宜采用刚性防水层。防水砂浆可以用普通水泥砂浆来制作，也可以在水泥砂浆中掺入防水剂来提高砂浆的抗渗能力。,4.其它特种砂浆采用水泥、石灰、石膏等胶凝材料与膨胀珍珠岩砂，膨胀蛭石或陶粒砂等轻质多孔骨料，按一定比例配制的砂浆称为绝热砂浆。绝热砂浆具有质轻和良好的绝热性能。一般绝热砂浆是由轻质多孔骨料制成的，都具有吸声性能。还可以配制用水泥、石膏、砂、锯末（其体积比约为1135）拌成的吸声砂浆，吸声砂浆用于室内墙壁和平顶的吸声。耐酸砂浆是用水玻璃（硅酸钠）与氟硅酸钠拌制而成，水玻璃硬化后具有很好的耐酸性能。耐酸砂浆多用作衬砌材料、耐酸地面和耐酸容 器的内壁防护层。在水泥浆中掺入重晶石粉和砂，可配制成有防x射线能力的砂浆；如在水泥浆中掺加硼砂、硼酸等可配制有抗中子辐射能力的砂浆。此类防射线砂浆应用于射线防护工程。,思考题,1.简述砖的优缺点。2.建筑钢材的种类有那些？3.什么是胶凝材料？怎么分类（列出代表材料）？4.分析混凝土的组成成分。5.简述木材的优缺点。,
