工程材料讲义

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1、土木工程材料百问讲义 顾颐 2013.8.26如果说设计理念是建筑的灵魂，那么土木工程材料就是建筑的筋骨与血肉，所以认识和学习土木工程材料的重要性是不言而喻的。土木工程材料百问一书不像其它介绍工程材料的书籍一样从正面解读、剖析各种材料性质，用途。而是巧妙地通过三百多道关于土木工程材料的提问从另一个侧面带动读者了解形形色色的材料特点。这些管中窥豹式的提问更能让人印象深刻。本书分九个章节分别为：土木工程材料概述、建筑金属材料、无机胶凝材料、混凝土与砂浆、砌体材料、沥青和沥青混凝料、合成高分子材料、木材、建筑功能材料，基本概括了构成土木工程实体所需的各种材料。下面就以上九大点结合本书作一个简单的介绍

2、。一.土木工程材料概述土木工程材料概述主要以提问的方式介绍了新型建筑材料、复合材料、绿色建材、纳米材料等新兴材料，与传统材料相比这些新兴材料性能更优越，更环保，更经济。也将逐渐替代传统材料成为今后土木工程材料的主流，所以特别应该引起我们的重视，要与时俱进，多多学习。土木工程材料的总体性质也是概述里重要的内容，材料很大一部分的物理性能取决于材料密度、孔隙率、空隙率、含水率、吸水率、亲水憎水性等，这些物理性质影响了材料的强度、热工性质、声学性质、抗渗性、抗冻性、保温性等。比如对于同一种土木工程材料，一般地孔隙率越大，强度越低、绝热效果越好。再比如相同孔隙率的同一种材料，由于连通孔与封闭孔的差别很大

3、，连通孔则抗渗性较大。理解了这些就会明白人们常说的“材料孔隙率越大，其抗渗性越差。”的说法是不正确的，判断材料的抗渗性不仅要看孔隙率还要看孔隙特征。理解材料各种物理指标对材料性能的影响，知其然知其所以然，就能通过这些指标定量或定性地作出自己的判断，在品种繁多的工程材料中保持清醒分析的头脑。二.建筑金属材料1.钢材的分类建筑钢材分为钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢。前者主要是型钢和钢板，后者主要是钢筋、钢丝、钢绞线等。钢材按化学成分分类可分为碳素钢（低碳钢：含碳量0.25；中碳钢：含碳量为0.250.60；高碳钢：含碳量为0.62.06）和合金钢（低合金钢：合金元素含量5.0；中合金钢：合金元素含

4、量为5.010；高合金钢：合金元素总含量10）。土木工程中常用的钢材主要是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金钢。碳素钢按牌号分为Q195、Q215、Q235、Q275，随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑形和韧性降低，其中Q235碳素钢常用来制作钢筋混凝土用热轧光圆钢筋（级钢HPB235）。而普通低合金钢常用来制做热轧带肋钢筋（级钢HRB335、级钢HRB400、级钢HPB500）。2.钢材的性质与性能钢材的强度、塑性、韧性、可加工性等决定了钢材的用途及施工方式。衡量钢材的强度有屈服强度和极限抗拉强度这两个重要指标，在结构设计中，要求构件在弹性变化范围内工作，即使少量的塑性变形也应尽

5、量避免，所以规定钢材的屈服强度作为设计时容许应力取值的依据，表示钢材在正常工作时承受的应力不超过屈服强度，一旦钢材屈服，变形迅速增长，尽管尚未断裂，已不能满足使用要求（有关钢筋受力后强度-变形曲线可参看相书籍）。屈强比是指屈服点与抗拉强度的比值，是判断和评价钢结构安全可靠程度的参数，屈强比越小可靠性越大，安全性越高，但钢材强度利用率偏低，浪费材料。所以钢材的屈强比最好在0.600.75之间。钢材的塑形使得钢材具有拉弯、轧制等加工性，也能避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，随着材料发生塑性变形使应力充分布，从而避免结构提早破环。反映钢材塑形变化能力的指标通常有伸长率和冷弯性等。钢材的冲击

6、韧性可在冲击荷载下，吸收部分功能，达到抵抗破环的效果。但是钢材的冲击韧性随着环境温度的降低而下降，当达到一定温度范围时，突然下降很多而显出脆性，这被称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。脆性临界温度越低，钢材抗低温冲击性能越好。所以在低温环境下钢结构的选取，尤其是桥梁、铁路受振动荷载作用时，要选用脆性临界温度低和时效敏感性小的钢材。钢材的可加工性决定了钢材的施工条件，比如中碳钢不宜用一般的焊条焊接，因为中碳钢含碳量高，而含碳量正是影响钢材焊接性能的主要因素。所以对于中碳钢的连接宜用铆接或螺栓连接。钢筋的冷拉和冷拔能提高钢筋的屈服强度和硬度，经过时效处理后抗拉强度也会有所提高，起到节约钢

7、材，冷拔还能达到简化工序的目的，增强了经济效益。但是冷加工的钢材也会出现副作用，比如脆性增大，塑形、韧性降低、弹性模量降低等。三、无机胶凝材料 无机胶凝材料的品种繁多，但按硬化条件不同可分为气硬性无机胶凝材料和水硬性无机胶凝材料两大类。根据各自硬化条件不同的特点就可以知道气硬性胶凝材料的软化系数小，抗冻性差，宜用于室内不与水长期接触的工程部位，而不宜用于潮湿环境，更不能用于水中。而且，在储运过程中应注意防潮，储存期也不宜过长。水硬性胶凝材料既适用于干燥环境又适用于潮湿或水下工程。常见的气硬性材料主要有石灰、石膏、水玻璃等。根据材料的化学成分的不同，以上三种材料均有各自的特点和使用功能。石灰膏由

8、于煅烧过程中温度和时间难以把握，会存在欠火石灰和过火石灰两类次品。对于建筑工程而言，过火石灰的危害很大，比如使用掺有过火石灰的石灰膏砌筑或抹面，随着过火石灰的熟化，将引起石灰膏体积膨胀开裂、扭曲或局部脱落而影响工程质量。因此使用生石灰加水马上配置石灰砂浆会出现膨胀性裂缝，使用前应进行大于14天的陈伏。如若工期紧无现成合格的石灰膏也可选用消石灰粉。建筑石膏一般适用于室内装修或作为缓凝剂、膨胀剂加入水泥制品使用。建筑石膏作为室内装修材料应归功于它特殊的优良性质如石膏表面光滑饱满、颜色洁白、质地细腻具有较好的装饰性；硬化后的石膏存在大量微孔，其保温吸声性良好；硬化后的石膏主要成分是二水石膏，当它受到

9、高温时或遇火后会脱出结晶水，并能在表面蒸发形成蒸汽幕，能有效阻止火势蔓延，具有一定的防火性；建筑石膏还有较高的热容和一定的吸湿性，可以调节室内温度和湿度具有“呼吸”的性质，改变室内小气候。但是建筑石膏一般不宜用于室外，因为其耐水性差、吸水率高，抗渗性差。水玻璃俗称泡花碱，是二氧化硅与碱金属（常用Na、K）化合而成的一种可溶于水的硅酸盐。其二氧化硅和碱金属之比成为水玻璃的模数。模数越大，水玻璃的黏度越大、硬化速度越快、干缩越大，硬化后的粘结强度、抗压强度越高，耐水性、抗渗性及耐酸性越好。但模数越高的水玻璃越难溶于水，不易稀释，不便于施工，因此水玻璃的模数一般控制在1.53.5之间。由于液态水玻璃

10、的硬化主要靠吸收空气中二氧化碳进行，但由于空气中二氧化碳浓度较低，所以硬化过程很缓慢，为加速硬化速度常加入氟硅酸钠作为促凝剂。水玻璃具有良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶能堵塞毛细孔隙，从而防水水渗透。如在烧结普通砖表面涂抹水玻璃可使材料更致密，提高其风化能力。但需要注意的是水玻璃不可涂刷在石膏制品表面，因为水玻璃会与石膏反应生成硫酸钠晶体，在制品孔隙中结晶，体积显著膨胀，从而导致制品开裂和破环。水硬性胶凝材料最主要的就是水泥，水泥和钢筋木材并称为三大建筑材料，其用途广泛和重要性可见一斑。水泥品种繁多按其性能及用途可分为三类：通用水泥、专用水泥、特性水泥。通用水泥又可分为硅酸盐水泥、普通硅酸

11、盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥六大品种。由于各水泥混合材料的品种和掺量不同，其适用的范围也不同。对于建筑工程中不同的部位应根据其特点和要求选用适合的水泥。比如处于干燥环境的混凝土楼板、梁柱宜采用硅酸盐和普通硅酸盐水泥，因为其硬化时干缩性小，不易产生干缩裂纹。不宜采用火山灰水泥，因为该水泥干缩较大；高温设备或高炉的混凝土基础宜选优先选用矿渣水泥，因为其耐热耐高温性较强；用于有腐蚀性工程部位的混凝土应选用矿渣水泥或火山灰水泥，因其耐腐蚀性优于硅酸盐水泥；大体积混凝土施工如大体积承台浇筑不宜选用硅酸盐或普通硅酸盐水泥，因为其水化热较大，在承台浇筑完毕后由

12、于内外温差过大产生温度应力而使结构破坏。新出厂的水泥不宜立即使用，一方面新出厂的水泥温度较高，将影响混凝土的工作性，还易产生温度裂缝。另一方面还需检验合格，因若水泥中残存的游离氧化钙未消解，还可能会引起水泥安定性不良。所以新出厂的水泥应放置一段时间但存放期也不宜过长，随着存放时间的长度水泥强度显著下降，水泥一般有效存储期为3个月，超过三个月的水泥使用时必须重新检验，以实测强度为准。水泥使用过程中还应特别注意流动的软水侵蚀（溶出性侵蚀）。四、混凝土与砂浆1.混凝土（水泥混凝土）（1）混凝土的组成：普通混凝土一般由水泥、砂、石和水所组成，为改善混凝土的某些性能还常加入适量外加剂和掺合料。水泥和水组

13、成水泥浆包裹在骨料表面和填充在骨料空隙间起润滑作用，赋予混凝土拌合物流动性便于施工；在混凝土硬化后起胶结作用，把砂石胶结为整体使混凝土具有一定的强度和耐久性。对于普通混凝土水泥的选用应看两方面，一方面应根据混凝土工程的性质、部位、施工条件、环境状况等，按各种品种水泥特性作出合理选择（见第三章水泥部分）；另一方面水泥强度等级的选择，应兼顾经济性和耐久性，选择水泥强度等级标准值为混凝土强度标准值的1.52.0倍为宜（配置高强、高性能混凝土不受约束）。符合规定要求的混凝土拌合及养护用水包括饮用水、地表水、地下水、再生水、混凝土企业设备洗刷水和海水等，拌合用水的水质应符合相关规定要求或经过相关处理方可

14、使用，比如未经处理的海水严禁用于拌制钢筋混凝土和预应力混凝土。海水可拌制素混凝土但不宜用于拌制装饰混凝土。水灰比是控制混凝土质量的一个非常重要的参数，为满足混凝土和易性（流动性、黏聚性、保水性），水灰比不宜过小也不宜过大，但满足和易性要求的混凝土，在水泥强度等级相同的情况下，水灰比越小，水泥石强度越高，与集料粘结力越大，混凝土强度也越高。砂、石对混凝土起骨架作为，可以降低水泥用量，减少干缩提高混凝土的强度和耐久性。砂石作为混凝土骨料应具有良好的级配，不仅能提高混凝土强度、密实度、和易性而且还能使水泥用量减少，具有良好经济性。对于混凝土中的集料选用也应符合有关要求，特别是含泥量和集料中的有害杂质

15、应按规定加以限制。海工混凝土使用的集料要注意需作碱集料反应活性试验，防止发生碱集料反应，破坏混凝土。混凝土中砂占砂石总量的比值称为砂率，砂率对混凝土拌合物的和易性有显著的影响，砂率过小和过大都将导致拌合物流动性变差，因此存在一个合理砂率，当水与水泥用量一定时，能使混凝土拌合物获得最大流动性且能保持良好的黏聚性和保水性的情况下，水泥用量最少，经济效益最大。所以在作混凝土配合比初步设计时，应根据水灰比确定一个合理砂率。混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性能的物质，常见外加剂主要有：减水剂、引气剂、缓凝剂、早強剂、复合型外加剂等，以上各种外加剂在发挥自身的时候有时也起到其它外加剂的

16、作用。外加剂掺入时应了解清楚外加剂的特性及适用范围，比如减水剂中常见的木质素硫磺盐（M型减水剂）就有与水泥相容性的问题，与硬石膏配制水泥会出现急凝现象，影响施工。而采用适应性强的萘系减水剂（FDN减水剂）就能克服这个问题。摸清外加剂特性、适用范围及禁忌是非常必要的一件事，是关乎施工和工程质量的大事。（2）.混凝土的性质成品后的混凝土其抗压强度相对于抗拉强度来说大的多。因此混凝土结构结构主要承担建筑压力。混凝土与钢筋取长补短组成钢筋混凝土在建筑受力方面得到大大的优化。混凝土硬化具有干缩湿胀性，混凝土在水中硬化的微膨胀一般来说是有利的，在空气中的干缩性则会带来裂缝，甚至引起混凝土开裂影响混凝土耐久

17、性。因此对于混凝土的养护要加以重视（尤其是冬季和夏季施工），应在混凝土浇筑完毕后采取一定地保温、保湿措施，定时定量地向混凝土浇水，保证混凝土强度正常发展。对于特殊情况也可采用蒸汽养护、蒸压养护（可提高早期强度）等。硬化后的混凝土质量不仅仅跟后期养护有关，更与混凝土拌合物的和易性及浇筑质量有关。混凝土的和易性是流动性、黏聚性、保水性的矛盾统一体，影响和易性的因素主要是材料与各组成材料用量的配合比。在现场检验混凝土和易性的方法主要以检查拌合物的塌落度为主，不合格的产品应坚决予以退回。在现场浇筑一般采用料斗直灌或泵送混凝土，浇筑时应注意送料口不宜放的过高，以免混凝土在浇筑过程中产生离析现象。对于大体

18、积或大面积构筑物应采取分层浇筑和留置施工带等处理，以保证浇筑的混凝土质量。浇筑过程中要充分重视混凝土的振捣，根据施工特点采用合适的振捣工具，在振捣过程中要注意不能漏振，以免振捣不充分产生蜂窝麻面或贯通孔洞影响混凝土质量。同时也不得过振，混凝土过振将产生泌水或离析现象，大大削弱混凝土结构粘结力及混凝土强度。新拌合的混凝土放置时间不宜过长（尤其是高温天气）以免初凝，若有特殊情况应掺入缓凝剂等。如果送来的混凝土流动性小，较干涉，现场管理人员应坚决给予退回，让搅拌站重新送来符合要求的混凝土料。不得现场随意加水以获得满足施工的流动性。对远距离、长时间、道路不平的混凝土运输，为避免混凝土因长时间受振动而引

19、起离析现象，对离析的混凝土入模前应进行二次搅拌，以保证混凝土的均匀性。2.砂浆 建筑砂浆常用胶结材料有：石灰、石膏、水泥等，如我们在无机胶凝材料中说过，在选择砂浆材料时应考虑到使用环境、用途等合理选用水硬性或气硬性无机胶凝材料。建筑砂浆按使用用途可分为抹面砂浆和砌筑砂浆两类。根据其使用要求和特点，各自都有不同的要求。如抹面砂浆层多为薄层并应分层涂抹，面层要求平整整洁。砌筑砂浆用水泥，为节约材料应在设计要求范围内尽量选用低等级水泥。水泥砂浆采用的水泥等级不宜大于32.5级，混合砂浆采用的水泥等级不宜大于42.5级。为改善砂浆的和易性，经常在砂浆中掺入一些添加料如石灰膏、黏土膏、电石膏、粉煤灰等。

20、稠度是砂浆流动性的重要指标，砂浆稠度的选择与砌体材料的种类、施工条件及气候条件等有关。对于吸水性强的砌体材料和高温干燥的天气，要求砂浆稠度大些；反之，对于密室不吸水的砌体材料及湿冷天气，砂浆稠度可小些。对于一些砖混结构，砖砌体起承担荷载的主要作用，砂浆的选用及施工质量直接影响到砌体的强度，应引起足够的重视。五砌体材料砌体材料较多用作墙体材料，一般分为砖砌体与砌块砌体两类。砖砌体有传统的普通烧结砖，也有各种新型的砖砌体材料如蒸压灰砂砖、烧结多孔砖、烧结空心砖等。烧结砖（包括普通烧结砖、烧结多孔砖、烧结空心砖等）是以粘土为主要原材料。烧结黏土普通砖具有一定的强度，较好的耐久性与隔声性、价格低廉、生

21、产工艺简单等优点，是应用历史最久，应用范围最广的墙体材料。但它也存在很多缺点，如消耗大量黏土资源，大量毁坏良田，自重大能耗高，施工效力低，保温隔热和抗震能力较差等。为了保护珍贵的土地资源,切实作好节能减排,保护存环境,国家有关部门下了建筑行业施工禁止使用普通黏土烧结砖的禁令,大力推广使用空心砖。烧结多孔砖较实心砖，大大地节约了材料的同时，保持了实心砖强度较大的特点，可以作为承重墙使用。烧结多孔砖还具有自重轻、尺寸大、施工效率高及保温隔热效果强等优点。烧结空心砖较实心砖与多孔砖更节省材料，但强度较低，一般只作为非承重墙，隔墙使用。蒸压灰砂砖以石灰与砂为主要原料，与其它材料相比，蓄热能力强，隔声性

22、能优越，生产能耗低。但灰砂砖表面光滑，与砂浆粘结能力差，所以其抗剪强度不如烧结普通砖好，灰砂砖也不宜用于有流水冲刷的地方。砌块砌体主要有混凝土砌块、加气混凝土砌块等。加气混凝土砌块其质轻强度高，耐火耐热性良好，有一定的吸声能力但隔声性较差（质轻），如混凝土一样干燥收缩性大，吸水导湿缓慢，抗渗性良好。加气混凝土可用作多层建筑物的非承重墙和隔墙，也可用作低层建筑的承重墙。为防止风化及冻融破坏，加气混凝土用作外墙时应注意进行饰面处理或憎水处理。砌体抹灰或砌筑时为保证砂浆强度应根据其吸湿性，注意加水湿润。六、沥青及沥青混合料沥青是一种工程上常用的有机胶凝材料，主要用于制作防水防腐材料及沥青混合料等。评

23、价沥青的主要技术指标有：1.黏性，它反映沥青在外力下抵抗变形的能力，在一定温度范围内与温度成反比，试验中以针入度大小来衡量；2.塑形，它反映沥青受外力后产生不可恢复的变形而不破坏的性质，与温度成正比。其良好的塑形是制作柔性防水材料的基础。沥青的塑形对冲击荷载有一定的吸收能力，并能减少摩擦时的噪音，所以是一种优良的道路路面材料。3.温度敏感性，它反映了沥青粘滞性与塑形随温度升降的变化性能。沥青软化点是衡量温度敏感性的重要指标，是沥青由固态变为具有一定流动性的温度点。工程中要求沥青温度敏感性小，以免沥青高温流淌，低温脆裂。为避免高温流淌，用于屋面的沥青材料软化点应比本地区屋面最高温度高20以上，但

24、软化点也不宜过高，过高的软化点将使沥青出现冬期低温脆裂。低软化点的沥青由于黏性大、塑形大，能与基层牢固粘结，且能适应建筑物变形，适用于地下防潮防水工程。4.大气稳定性，即沥青抗老化能力，沥青大气稳定性越好，蒸发损失越小，蒸发后针入度越大。沥青从原料的不同可分为煤沥青和石油沥青。与石油沥青相比，煤沥青的塑性、大气稳定性差，温度敏感性大，但黏性大；煤沥青对人体有害成分较多，臭味较重，施工时要注意。为此煤沥青一般用于防腐工程及地下防水工程，以及较次要的道路。石油沥青中适量掺入煤沥青能增强石油沥青的粘结力，但不应随意混合，否则会产生沉渣、变质现象甚至失去粘结力。为克服石油沥青的一些缺点或达到规定的要求

25、，各种改性沥青出现了，如香蕉改性沥青、树脂改性沥青等。沥青混合料应具有较好的高温稳定性及低温抗裂性，作为沥青混凝土路面材料还应具有抗滑性。跟混凝土一样，要注意原材料的质量、级配、用量等，沥青混凝土摊铺也应注意控制沥青铺撒的均匀度和密实度，避免路面使用后出现拥抱，波浪、车辙等现象。七合成高分子材料合成高分子材料如塑料，与传统建材相比具有质轻、高强、导热系数小、化学稳定性及耐水耐腐蚀性好、绝缘性好等优点但也存在易老化、耐热性差、可燃且燃烧能释放出有毒气体等缺点。如今，因为合成高分子材料的一些优点，工程上已广泛使用合成高分子材料来替代传统材料。如给排水管已从传统的镀锌管改用塑料管，不仅施工便利，给排

26、水性能优越而且使用寿命大大增加。对于不同的管道，也应根据其性质特点选用的不同的塑料。沸水管道的选材应选择热变形温度较高的塑料如硬聚氯乙烯（UPVC）型、聚丙烯PP-R管等；城市燃气管道、天然气管道应选择拥有较高密闭性及较低渗透性的塑料如高密度聚乙烯（HDPE）及中密度聚乙烯（MDPE）；饮用水管、电缆导管、农业喷洒管道、泵站管道特别是一些用于需要移动的管道应选用柔软性、伸长率高的塑料如低密度聚乙烯管。八、木材木材按树叶外观不同可分为针叶树与阔叶树两大类。针叶树（松、杉、柏等）木质较软，易于加工。针叶树强度高，膨胀性小，耐腐蚀性强，广泛用于承重构件、模版、门窗等。阔叶树（樟木、水曲柳、桐木等）材

27、质坚硬，较难加工，膨胀性大，翘曲变形大、易开裂在建筑中常用作尺寸较小的装修装饰。木材的湿胀干缩会导致木材变形，如木地板的翘曲，隆起。对木材使用时应先作湿胀干缩的预处理：预先将木材干燥处理，使木材的含水率达到与使用环境湿度相适应的平衡含水率。木材的强度具有各向异性的特点，顺纹强度要远大于横纹强度，应充分利用。采取不同的制造工艺也能克服各向异性的缺点，如制作实木复合木地板。木材是的使用同时应注意防火防腐，木材的使用环境应保持通风，避免潮湿，铺完木地板后，不宜长时间关闭门窗。木材还应作表面油漆处理，条件允许还可注入防腐剂。九建筑功能材料建筑功能材料是以材料力学性能以外的功能为特征的材料，它赋予建筑物

28、防水、防火、绝热、采光、防腐等功能，如保温隔热材料，防水材料，吸声材料等。选用好的建筑功能材料不仅能增强房屋的使用性、还能起到建筑节能的效果。随着社会的进度发展，人们对自身生活环境质量改善的要求越来越高，建筑功能材料也要随之不断的进步，出现更多的满足人们使用要求的绿色建材、生态建材、环保建材。这将是今后建筑建材的发展趋势。通过对建筑材料的学习，掌握各个建筑材料的特点、性质、施工工艺及用法是建设、管理工程的基础。只有充分了解材料才能做到“因材施工”，才能建造出质量合格的建筑物。土木工程材料种类繁多，既有不少传统材料，还有众多不断涌现的新材料。所以不管是初学者还是资深土木工程技术人员都应不断学习、与时俱进，充分合理地去运用土木工程材料。