1、土木工程概论 第3章 土木工程中的材料,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,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
2、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。,与工程有关的力学性质,主要工程材料的简介,钢材 混凝土 木材 砌体,1.碳素钢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。 2.合金钢 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。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
3、相近。所以在桥梁、电视塔、高层建筑中得到广泛的应用。,钢材,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。,建筑钢材的品种,1.钢板,2.型钢型钢分为热轧型钢、焊接型钢和冷轧或冷弯成型的薄壁型钢。常用热轧型钢有角钢、工字钢和槽钢等。,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。,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
4、构。,图a 有明显流幅钢材的应力-应变图,图b 没有明显流幅钢材的应力-应变图,钢材的强度和变形,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
5、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
6、碳钢或低合金钢中加入铜；铁合金中加入镍、铬制成不锈钢。,钢材的防锈处理,强度高 材质均匀 塑性好 加工安装性能好,钢材的优缺点,耐火性差 易锈蚀 维护保养费用高,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。,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
7、、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。,木材的种类和特点,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。,木材的物理性质,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,木材的力学性质,为改善木材腐朽、虫害、易燃等不利因
8、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260290之间，但若在100150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
9、采用防火涂料处理，使其变为难燃木材。,木材处理,质轻而高强 弹性韧性好 导热系数小 装饰性好 易于加工,木材的优缺点,各向异性 胀缩变形大 易燃、易腐,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。,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.,图 混凝土强度与水灰比的关系曲线,混凝土强度的主要影响因素,砂有海砂、河砂、
10、山砂，砂的颗粒在0.155mm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。,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。,混凝土的配制,混凝土的强度等级,混凝土的强度是指混凝土在承受各种力作用时，所能承受的极限应力值。我国规范规定的混凝土等级共十个等级，为C10、C15、C20、C25、C
11、30、C35、C40、C45、C50、C60。,C30表示边长为15cm的混凝土立方体，在温度20和相对湿度90%以上潮湿空气中养护28天所测的强度为30MPa其保证率为95%。,价格低廉 可塑性好 配制灵活 抗压强度高 耐火性好 耐久性好 与钢筋粘结好,混凝土的优缺点,自重大、比强度低 抗拉强度低 导热系数大 硬化较慢，生产周期长,砌体是由石材、粘土、混凝土、工业废料等材料做成的板块，和水泥、石灰膏等胶凝材料与砂、水混合而成的砂浆，叠合粘结而成的复合材料。结构所使用的基本材料，种类繁多，目前使用的大致有空心砖和实心砖两类。,砌体,优点 价格低廉 施工简便 隔热性好 耐火性好,缺点 强度低 毁
12、坏耕地 质量问题多,瓦是建筑房屋的材料，目前种类很多，有粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、大波瓦、聚氯乙烯波纹瓦、玻璃钢波形瓦、沥青瓦和琉璃瓦等。,粘土瓦主要原料为粘土，经加水拌匀，压模成型、干燥、陪烧而成。 水泥瓦以水泥、砂子为主要原料，经压模成型、养护而成。 石棉水泥瓦是以水泥、温石棉为原料，经配制、搅拌、压滤成型、养护而成。 钢丝网水泥大波瓦原料为水泥和砂子，拌和浇模时中间放一层冷拔钢丝网成型养护而成。,瓦,石材用于很多古建筑，如我国的长城、赵洲桥，以及一些石塔等。石材按岩石的分类有花岗岩、砂岩、辉长岩、石灰岩、大理岩、片麻岩和石英岩等。石材按加工种类分有毛石、碎石、料石、板石、
13、条石等。,毛石是在采石场爆破采得的形状不规则的石块，常用于围墙、基础、挡土墙、勒角等。料石由人工或机械开采出六面体石块，略加凿琢而成，用途同毛石，但砌体表面平整。石板用于地面和饰板，一般用于大理石和花岗岩加工成无裂缝、色彩美观的板材，长条石可作台阶、路面、地面等。,石材,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
14、青洒布机、沥青混凝土摊铺机等。,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。,(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。,挖掘机械,单斗液压挖掘机,铲土运输机械,推土机,铲运机,履带起重机,起重机械,塔式起重机,卷扬机（绞车）,滑车（葫芦）,平地机,碾压机械,光轮压路机,轮胎压路机,振动压路机,振动冲击夯,混凝土搅拌站,基础工程机械,落锤 柴油锤,静力压桩机,振动锤,隧道施工机械,全断面隧道掘进机,
