1、第二章第二章 土木工程材料土木工程材料2.1 2.1 概述概述 土木工程材料指土木工程中使用的各種材料及制品，它是一切土木工程的物質基礎。由于組分、結構和構造不同，土木工程材料品種門類繁多、性能各不相同、價格相差懸殊，同時在土木工程中用量巨大，因此，正確選擇和合理使用土木工程材料，對整個土木工程的安全、實用、美觀、耐久及造價等有著重大的意義。 一般來說，優良的土木工程材料具有相應的特征：（1）具備足夠的強度，能夠安全地承受設計荷載；（2）自身的重量以輕為宜，以減少下部結構和地基的負荷；（3）具有與使用環境相適應的耐久性，以便減少維修費用；（4）用于裝飾的材料，應能美化房屋并產生一定的藝術效果；

2、（5）用于特殊部位的材料，應具有相應的特殊功能，例如屋 面材料要能隔熱防水，樓板和內墻材料要能隔聲等。（6）在生產過程中應盡可能保證低能耗、低物耗及環境良好。土木工程材料的種類非常多，可按不同原則分類：（1）材料來源：天然材料、人造材料；（2）材料功能：結構材料、裝飾材料、防水材料、絕熱材料；（3）組成物質的種類及化學成分：無機材料金屬材料非金屬材料黑色金屬有色金屬天然石材燒土制品膠凝材料混凝土及硅酸鹽制品鋼、鐵、不銹鋼等鋁、銅及其合金等砂、石及石材制品等瓦、磚、玻璃、陶瓷等石灰、石膏、水泥等混凝土、砂漿及硅酸鹽制品有機材料植物材料瀝青材料木材、竹材等石油瀝青、媒瀝青、瀝青制品等高分子材料塑料

3、、涂料、膠粘劑、合成橡膠等無機非金屬材料與有機材料復合金屬材料與無機非金屬材料復合金屬材料與有機材料復合玻璃纖維增強塑料、聚合物水泥混凝土、瀝青混合料等鋼纖維增強混凝土等輕質金屬夾芯板等復合材料2.2 2.2 傳統土木工程材料傳統土木工程材料 磚、瓦、砂、石、灰這些材料是最基本的建筑材料，統稱為地方材料，由于其工程用量大，原料價格低，一般都在當地或附近采購。 2.2.1 2.2.1 磚磚 磚是一種常用的砌筑材料，廣泛地用于墻體、基礎、柱等砌筑工程中。 優點優點：制作原料容易取得，生產工藝簡單，價格低、體積小便于組合，還有防火、隔熱、隔聲、吸潮等優點。 缺點缺點：毀田取土量大，能耗高，磚自重大，

4、施工生產中勞動強度高、工效低。磚的分類：標準磚多孔磚砌塊2.2.2 2.2.2 瓦瓦 瓦一般以粘土（包括頁巖、煤矸石等粉料）為主要原料，經泥料處理、成型、干燥和焙燒而制成。 粘土瓦只能應用于較大坡度的屋面。由于材質脆、自重大、片小，施工效率低，且需要大量木材等缺點，在現代建筑屋面材料中的比例已逐漸下降。 由于建筑工業的發展，對屋面材料也提出了新的發展要求。 目前，瓦的種類較多，按成分分類，有粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、鋼絲網水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃鋼瓦、瀝青瓦等。2.2.3 2.2.3 砂砂 砂是組成混凝土和砂漿的主要組成材料之一，是土木工程的大宗材料。一般分為天然砂和人工砂兩類。 天然砂天然

5、砂：由自然條件作用（主要是巖石風化）而形成，粒徑在5 mm以下的巖石顆粒。 人工砂人工砂：是由巖石軋碎而成，由于成本高、片狀及粉狀物多，一般不用。 砂的粗細程度粗細程度是指不同粒徑的砂粒混合在一起的平均粗細程度。如圖所示，如果是同樣粗細的砂，空隙最大（圖a），兩種粒徑的砂搭配起來，空隙有所減小（圖b),三種粒徑的砂搭配，空隙更小(圖c）。 砂的顆粒級配是指砂子大小顆粒的搭配比例。級配好的砂子，不僅可以節省水泥，還提高了混凝土和砂漿的密實度及強度。 砂的粗細粗細用細度模數表示。細度模數越大，表示砂越粗。根據細度模數大小范圍，把砂劃分為粗砂、中砂、細砂、特細砂。2.2.4 2.2.4 石石 石材是

6、最古老的土木工程材料之一，藏量豐富、分布很廣，便于就地取材，生產成本低。 石材具有很高的抗壓強度，良好的耐磨性和耐久性，堅固耐用，是古今土木工程中修建城垣、橋梁、房屋、道路及水利工程的主要材料。 毛石毛石，是采石場由爆破直接獲得的形狀不規劃的石塊。根據平整程度又將其分為亂毛石和平毛石兩類。 毛石可用于砌筑基礎、堤壩、擋土墻等，亂毛石也可用作毛石混凝土的骨料。 料石料石是由人工或機械開采出的較規則的六面體石塊，再略經鑿琢而成。料石外形規則，截面的寬度、高度不小于200 mm，長度不宜大于厚度的4倍。 料石根據加工程度分別用于建筑物的外部裝飾、勒腳、臺階、砌體、石拱等。 石子石子，在混凝土組成材料

7、中稱為粗骨料，此外在路橋工程、鐵道工程的路基道渣等也被常用。石子分碎石碎石和卵石卵石。 碎石碎石：由天然巖石或卵石經破碎、篩分而得到的粒徑大于5mm的巖石顆粒，也稱為碎卵石。 卵石卵石：是巖石由于自然條件作用而形成的，粒徑大于5mm的巖石顆粒。 2.2.5 2.2.5 灰灰 凡能在物理、化學作用下，從漿體變成堅固的石狀體，并能膠結其他物料而具有一定機械強度的物質，統稱為膠膠凝材料凝材料。 膠凝材料分為有機和無機兩大類。石膏、石灰、水泥屬于無機膠凝材料，俗稱為“灰灰”。瀝青和各種樹脂屬于有機膠凝材料。 土木工程中使用最多的是建筑石膏建筑石膏，建筑石膏具有良好的可塑性、防火性能、隔熱性能和吸音性能

8、，而且具有良好的裝飾性和可加工性。 建筑石膏建筑石膏的應用很廣，除用于室內抹面、粉刷外，更主要的用途是制成各種石膏制品。 石灰石灰是在土木工程中使用較早的礦物膠凝材料之一，其原料石灰石分布很廣，生產工藝簡單，成本低廉，因而應用廣泛。 將熟化好的石灰膏加水攪拌稀釋，成為石灰乳，是一種廉價易得的涂料。石灰砂漿是將石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途可分為砌筑砂漿和抹面砂漿。2.4 2.4 木材木材 木材是一種古老的工程材料，由于具有一些獨特的優點，在出現眾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，特別在裝飾領域。 木材具有很多優點，如輕質高強；易于加工（如鋸、刨、鉆等）；有較高的彈性和韌性

9、；能承受沖擊和振動作用；導電和導熱性能低；木紋美麗；裝飾性好等。 木材也有缺點，如構造不均勻，各向異性；易吸濕、吸水，因而產生較大的濕脹、干縮變形；易燃、易腐等。 木材的性質木材的性質包括物理性質和力學性質、如含水率；熱脹干縮；密度；強度（抗拉、抗壓、抗彎和抗剪等四種強度），其中抗拉、抗壓、抗剪強度又有順紋和橫紋之分。順紋和橫紋強度有很大的差別。 影響木材強度的主要因素為含水率含水率（一般含水率高，強度降低），溫度溫度（溫度高，強度降低），荷載作用時間荷載作用時間（持續荷載時間長，強度下降）及木材的缺陷木材的缺陷（木節、腐朽、裂紋、翹曲、病蟲害等）。2.3 2.3 鋼材鋼材 土木工程中應用量最

10、大的金屬材料是鋼材，它廣泛應用于鐵路、橋梁、建筑工程等各種結構工程中，在國民經濟建設中發揮著重要作用。 鋼材是在嚴格的技術控制條件下生產的，品質均勻致密，抗拉、抗壓、抗彎、抗剪切強度都很高。常溫下能承受較大的沖擊和振動荷載，有一定的塑性和很好的韌性。 鋼材具有良好的加工性能，可以鑄造、鍛壓、焊接、鉚接和切割，便于裝配。還可以通過熱處理方法，在很大范圍內改變或控制鋼材的性能。 建筑鋼材的產品種類一般分為型材、板材、管材和金屬制品四類。鋼結構用鋼材鋼結構用鋼材我國鋼結構用鋼材的鋼類主要有普通碳素結構鋼和低合金結構鋼。主要有Q235(A3鋼)、Q315(16Mn鋼)輕鋼廠房土木工程用鋼土木工程用鋼

11、土木工程鋼材可劃分為鋼結構用材鋼結構用材和鋼筋混凝土用材鋼筋混凝土用材兩大類“Q460”鋼材鋼材 是一種低合金高強度鋼，“Q”代表鋼材的強度，“460”代表460MPa。“Q460”就是鋼材受力強度達到460MPa時才會發生塑性變形， “鳥巢”使用的“Q460”厚達110毫米。 鳥巢用鋼量達8萬噸，每平方米大約要用400到400多公斤的鋼材。奧運奧運“鳥巢鳥巢”用鋼簡介用鋼簡介奧運鳥巢鋼筋混凝土用鋼材鋼筋混凝土用鋼材 主要指鋼筋。鋼筋。鋼筋與混凝土組成的鋼筋混凝土結構，雖然自重大，但節省鋼材。由于混凝土的保護作用，克服了鋼材易銹蝕、維護費用高的缺點。鋼筋等級：一級鋼二級鋼三級鋼四級鋼二級鋼一級

12、鋼2.5 2.5 水泥水泥 水泥是粉狀的水硬性膠凝材料，即加水拌合成塑性漿體，能在空氣中和水中凝結硬化，可將其它材料膠結成整，并形成堅硬石材的材料。 水泥不但大量應用于土木工程，還廣泛用于工業、農業和國防體建設等工程。硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥 根據國家標準（GB17592）規定，凡由硅酸鹽水泥熟料、05石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥（波特蘭水泥）。 硅酸鹽系水泥為干粉狀物，加適量的水并拌合后便形成可塑性的水泥漿體，水泥漿體在常溫下會逐漸變稠直到開始失去塑性，這一現象稱為水泥的初凝；隨著塑性的消失，水泥漿開始產生強度，此時稱為水泥的終凝；水泥漿由初凝到終凝的過

13、程稱為水泥的凝結。水泥漿終凝后，其強度會隨著時間的延長不斷增長，并形成堅硬的水泥石，這一過程稱為水泥的硬化。水泥的貯存、運輸和保管水泥的貯存、運輸和保管分類貯存：不同品種、不同標號的水泥應分別存放，不可混雜。防潮防水：水泥受潮后即產生水化作用，凝結成塊，影響水泥的正常使用。所以運輸和貯存時應保持干燥。對袋裝水泥，地面墊板要高出地面30cm，四周離墻30cm，堆放高度一般不超過10袋。存放散裝水泥時，地面要抹水泥砂漿。貯存期不宜過長：貯存期過長，由于空氣中的水汽、二氧化碳作用而降低水泥強度。一般來說，貯存三個月后的強度約降低1020。所以，水泥存放期一般不應超過三個月。2.6 2.6 混凝土混凝

14、土 混凝土也稱砼，是當代最主要的土木工程材料之一。它是由膠凝材料，骨料和水按一定比例配制，經攪拌振搗成型，在一定條件下養護而成的人造石材。 混凝土原料豐富，價格低廉，生產工藝簡單，因而使用量越來越大；同時混凝土抗壓強度高抗壓強度高，耐久性好，強度等級范圍寬，不僅在各種土木工程中廣泛使用，就是造船業，機械工業，海洋的開發，地熱工程等，混凝土也是重要的材料。混凝土的種類混凝土的種類：按膠凝材料分類水泥混凝土 瀝青混凝土 石膏混凝土 聚合物混凝土 按使用功能分類結構用混凝土 道路混凝土 水工混凝土 耐熱混凝土 耐酸混凝土 防輻射混凝土 按表觀密度按施工工藝重混凝土 普通混凝土 輕混凝土 噴射混凝土

15、泵送混凝土 振動灌漿混凝土 為了克服混凝土抗拉強度低的缺陷，人們還將水泥混凝土與其他材料復合，出現了鋼筋混凝土，預應力混凝土，各種纖維增強混凝土及聚合物浸漬混凝土等。 隨著混凝土的發展和工程的需要，還出現了膨脹混凝土，加氣混凝土，纖維混凝土等各種特殊功能的混凝土。泵送混凝土，商品混凝土以及新的施工工藝給混凝土施工帶來方便。 普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、細骨料（砂）和水拌合，經硬化而成的一種人造石材。 砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收縮； 水泥和水形成水泥漿，包裹在粗細骨料表面并填充骨料間的空隙。水泥漿體在硬化前起潤滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后將骨料膠結

16、在一起，形成堅硬的整體。 混凝土的性質性質包括混凝土拌合物的和易性、混凝土強度、變形及耐久性等。和易性和易性又稱工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工條件下，便于各種施工工序的操作，以保證獲得均勻密實的混凝土的性能。和易性是一項綜合技術指標，包括流動性（稠度）、粘聚性和保水性三個主要方面。強度強度是混凝土硬化后的主要力學性能，反映混凝土抵抗荷載的量化能力。混凝土強度包括抗壓、抗拉、抗剪、抗彎、抗折及握裹強度。 混凝土的變形變形包括非荷載作用下的變形和荷載作用下的變形。 混凝土耐久性耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。 2.7 2.7 土木工程材料的未來土木工程材料的未來 未來的土木工程必將在各種苛刻的環境下，實現多功能化，甚至智能化，滿足安全、舒適、美觀、耐久的要求，土木工程材料將面臨可持續發展和人類文明進步的嚴峻挑戰：（1）在原材料方面要最大限度的節約有限資源，充分利用再生資源及工農業廢料；（2）在生產工藝方面要大力引進現代技術，改造或淘汰