材料与土木工程

1、. 材料与土木工程摘要：土木工程是个庞大的学科，但最主要的是建筑和桥梁。土木工程作为最古老的工程之一，既有着悠久的发展史，又有着美好的未来。材料作为土木工程的物质基础，在工程建设中有着举足轻重的作用。从古代的泥土砖瓦，到近代的钢材混凝土，直到现代的高分子材料的初步应用，材料的发展是土木工程发展的风向标。可以这么说，是材料的发展带动了土木工程的发展。关键词：土木工程 建筑 桥梁 材料土木工程是一种与人们的衣、食、住、行有着密切关系的工程。其中与“住”的关系是直接的。因为，要解决“住”的问题必须建造各种类型的建筑物。而解决“行、食、衣”的问题既有直接的一面，也有间接的一面。要“行”，必须建造铁路、

2、道路、桥梁；要“食”，必须打井取水、兴修水利、进行农田灌溉、城市供水排水等，这是直接关系。而间接关系则不论做什么，制造汽车、轮船也好，纺纱、织布、制衣也好，乃至生产钢铁、发射卫星、开展科学研究活动都离不开建造各种建筑物、构筑物和修建各种工程设施。高楼、厂房、道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等土木工程都是用各种材料按一定的要求建造而成的，土木工程中所使用的各种材料都成为土木工程材料。它们直接影响建筑物或构筑物的性能、功能、使用年限和经济成本，从而影响人类生活空间的安全性和舒适性。早在上古时代，人类就野处穴居，新石器时代后期仰韶文化遗址中已发现用木骨泥墙构成的居室，到公元前20世纪，已发现有夯土

3、的城墙，商代时已逐渐采用粘土做成的版筑墙，西周时期已有烧制的瓦，战国墓葬中发现有烧制的大尺寸空心砖，这些都是土木工程的雏形。随着文明的不断进步，土木工程材料也在不断的更新、发展，各种桥梁，水利工程建筑应运而生。土木工程材料的发展大致可以分为三个阶段：早期土木工程材料，近代土木工程材料，现代土木工程材料。一.早期土木工程材料：1.木材：木材是人类使用最早的土木工程材料之一，具有轻质高强、耐冲击、弹性和韧性好，导热性低，纹理羌观、装饰性好等特点。但存在各向异性，可能受含水率和天然疵病的影响较大，易燃、易虫蛀等缺点。木材易于加工，并且通过加工处理远可以克服或减轻各向异性、含水率和天然疵病等对性能的不

4、良影响。因此，木材在古建筑及现代建筑中都得到了极为广泛的应用。公元前55年，恺撒曾因行军需要在莱茵河上修建一座长达300多米的木排架桥。日本岩国市至今保存的5孔锦带木拱桥，跨度为27.5米，始建于1673年，其图样来自中国。我国关于木桥梁最早文献记载见于公元前13世纪，但均不详细。水经注记有春秋时晋国公平年间（公元前556前532年）曾在汾水上建木梁木柱桥。在宋代名画清明上河图上绘有宋代汴京(今河南开封)的虹桥，其承重结构实际由两套多铰木拱各若干片相间排列，配以横木，以篾索扎成。2.石材：天然石是最古老的土木工程材料之一，由于天然石有很高的抗压强度，良好的耐磨性和耐久性；资源分布广泛，蕴藏量及

5、其丰富，便于就地取材，生产成本低等优点。是土木工程中修筑城垣，桥梁，房屋，道路和水利工程的主要材料。例如古埃及的金字塔和中国的赵洲桥以及古长城等。纵观世界乃至我国建筑历史及其成就，几乎无不基于石而立的建筑，石在土木工程材料中可以算是基本的材料但是却相当的重要，不管是在抗洪抗震等方面还是在美观美学等方面。罗马时代的石拱桥，拱圈呈半圆形，拱石经过细凿,砌缝不用砂浆。西班牙境内有一座6孔石拱桥，建成于公元98年，桥墩建在岩石上，至今完好。二.近代土木工程材料： 1. 混凝土是近代最主要的土木工程材料之一，它是有胶结材料，骨料和水按一定的比例配制，经搅拌振捣成型，在一定情况下养护成型的人造石材。混凝土

6、具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单等特点，因而使用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高耐久性好，强度等级范围宽等优点。按材料可分为水泥混凝土，沥青混凝土，石膏混凝土及聚合物混凝土等。为了克服混凝土抗压强度低的缺陷，将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等。在桥梁方面由于钢筋结构特征适于混凝土的受拉特性，在20世纪中在施工工艺上又摆脱了膺架法的桎梏，发展了悬吊安装、平转、竖转、浮运以及刚性骨架等手段后，使钢筋混凝土拱桥的跨度由世纪初的100m发展到万县长江大桥的420m。这也是一项重大的发展。在预应力混凝土桥梁方面，直到20世纪末已超过300m大关。值得我们

7、关注的是钢管混凝土桥的发展。1940年前苏联已开始研究采用这种复合型构件组成的桥梁，尤其是拱桥，并有了一定成就。钢管混凝土构件在受压及小偏心受压条件下由于钢管的套箍作用有很多优点，同时在施工上可以先完成钢结构体系，然后在结构中逐步填充混凝土，简化了施工工艺，所以，最近20年来这种结构在我国有了长足的发展。到20世纪末已完成的钢管混凝土桥跨度达273m。三.现代土木工程材料：1.绿色建材：在1988年第一届国际材料科学研究会上日本学者首次提出“绿色建材”这一概念。绿色建材，指健康型、环保型、安全型的建筑材料，技术生产的无公害、无污染、无放射性、有利于环境保护和个人身体健康安全，在国际上也称为“健

8、康建材”或“环保建材”，绿色建材不是指单独的建材产品，而是对建材“健康、环保、安全”品性的评价。在国内它只作为一个概念刚开始为大众所认识。绿色建材是采用清洁生产技术，使用工业或城市固态废弃物生产的建筑材料，它具有消磁、消声、调光、调温、隔热、防火、抗静电的性能，并具有调节人体机能的特种新型功能建筑材料。2.20世纪出现了高分子材料、新型金属材料和各种复合材料。在最新的建筑中，水立方是一个很能够吸引我们眼球的案例。在外形设计和构筑上，它应用了物理学上的“气泡理论”，而在外部材料上,它应用了一种比较新颖的材料在国内是第一次ETFE（聚乙 烯四氟乙烯共聚物）充气薄膜。在国外，由于ETFE 薄膜耐腐蚀

9、性、保温性俱佳、自清洁能力强，欧洲有 600 至800 个建筑都用了这种材料。随着航空工业及原子能工业的发展，人们在20世纪中已经研制出了各种类型的纤维增强塑料（FRP）。它们具有自重轻、强度高等优异性能，必将成为桥梁今后主要采用的材料。如采用FRP的模拔型材已在试用，更有发展前途的是用纤维增强塑料（FRP）来制成力筋及缆索材料。四.土木工程材料现状及其优缺点：随着工程技术的发展和建筑材料的开发，新型材料可以更加清洁、轻便、环保。但是绿色建筑并没有普遍的应用，不仅仅是因为新型材料的难以发现，还有大量运用新型材料的高昂价格，所以现在的建筑材料大多都以旧型建筑材料为主，而一个建筑的建成需要很多的材

10、料，大多数材料并不环保，施工量大，沉重，运输危险麻烦，但是总的来说比新型材料价格要低。所以，我们迫切的想要找到既环保又节能的新型材料。五.土木工程材料的发展：如果说19世纪钢材和混凝土作为结构材料的出现使土木工程的规模产生了飞跃性的发展，那么20世纪出现的高分子材料、新型金属材料和各种复合材料，使土木工程的功能和外观发生了根本性的变革。现代土木工程材料中混凝土的强度等级比以往的混凝土更高，并且出现了高性能混凝土和纤维混凝土。在1988年日本学者首次提出“绿色建材”这一概念。“绿色”可以归纳为八个字“环保、健康、安全、节能”。众多现象表明进入 21 世纪以后，在我国甚至是全世界范围内，土木工程材

11、料的发展应具有以下的一些趋向：1.研制高性能材料，例如研制轻质、高强、高耐久性、优异装饰性和多功能的材料，以及充分利用和发挥各种材料的特性，采用复合技术，制造出具有特殊功能的复合材料。2.充分利用地方材料，尽量减少天然资源，大量使用尾矿、废渣、垃圾等废弃物作为生产土木工程材料的资源，以及保护自然资源和维护生态环境的平衡。3.节约能源，采用低能耗、无环境污染的生产技术，优先开发生产低能耗的材料以及能降低建筑物使用能耗的节能型材料。4.材料生产中不得使用有损人体健康的添加剂和颜料，如甲醛、铅、镉、铬及其化合物等，同时要开发对人体有益的材料，如抗菌、灭菌、除臭、除霉、防火、调温、消磁、防辐射、抗静 电等。 5