土木工程材料－绪论

1、土木工程材料在经济建设中的重要地位： 1、土木工程材料是一切建筑工程的物质基础。 2、土木工程材料的质量直接影响建筑物的质量。 3、土木工程材料的费用在房屋总造价中占有较 大的比重。 4、新技术的革新和新材料的开发密切相关。 一.土木工程材料的分类 用于土建工程的材料总称为建筑材料或土木工程材料。 1.按化学成分分类： 1.1 无机材料：金属材料： 黑色金属材料钢、铁 有色金属材料铝、铜、合金 非金属材料： 天然石材大理石、花岗石 陶瓷和玻璃砖、瓦、卫生陶瓷、 玻璃 无机胶凝材料石灰、石膏、水玻璃 砂浆、混凝土水泥、砂浆、混凝土 1.2 有机材料： 木材、沥青、塑料、涂料、油漆 1.3 复合材

2、料： 金属与非金属复合 钢筋混凝土、钢纤维混凝土 有机与无机复合 玻璃钢、沥青混凝土、聚合物混凝土 2. 按用途分类 结构材料： 砖、石材、砌块、钢材、混凝土 防水材料： 沥青、塑料、橡胶、金属、聚乙烯胶泥 饰面材料： 墙面砖、石材、彩钢板、彩色混凝土 吸音材料： 多孔石膏板、塑料吸音板、膨胀珍珠岩 绝热材料: 塑料、橡胶、泡沫混凝土 卫生工程材料： 金属管道、塑料、陶瓷 二.土木工程材料的发展： 土木工程材料随生产力发展而发展 原始时代天然材料：木材、岩石、竹、粘土 石器、铁器时代 金字塔（2000-3000 BC)：石材、石灰、石膏 万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆 布达拉

3、宫 ：石材、石灰砂浆 罗马园剧场 （70-80 AC):石材、石灰砂浆 18世纪中叶钢材、水泥 (J.Aspdin,1824） 19世纪钢筋混凝土（1890-1892）； 中国，1898 20世纪预应力混凝土、高分子材料 21世纪轻质、高强、节能、高性能绿色建材 胡夫金字塔，高146.59m, 底部232m建方，用 230多万块、每块重2.5T的岩石砌成， 万里长城 （200 BC):条石、大砖、石灰砂浆 布达拉宫 ：石材、石灰砂浆 罗马斗兽场 （70-80 AC):石材、石灰砂浆 三.土木工程材料在国民经济中的地位和作 用 1.土木工程材料是发展建筑业的物质基础 材料费用一般占建筑工程总造价

4、的50-70%； “十五”期间我国全社会固定资产投资总规模为 2224万亿元。固定资产投资的6070用于建筑 设施建设或工程安装，从而转化为建筑业的产值，而 建筑业产值中的3040又要转化为对建材业的需 求，尤其是对水泥产品的需求。2002年，我国共生产 水泥约70000万吨，比2001年大幅增长了12. 7%， 占世界产量的三分之一左右，超过亚洲产量的50%强。 我国水泥行业，为我国经济持续、快速发展做出了重 要贡献。 水泥产量的大幅度增长与我国持续快速稳定增长的 宏观经济形势密切相关，建筑材料工业在国民经济建 设中意义重大。 2.必须恰当选择和合理使用原材料 材料质量的优劣，配制是否合理，

5、选用是否恰当直 接影响建筑工程质量 3.发展绿色建材 四. .土木工程材料课程的作用、任务和学习 方法 1.1.作用 1.1 1.1 为后续课程的学习提供必要的知识 1.2 1.2 为今后从事专业技术工作时，合理选择和使 用建筑材料打下基础 2.2.任务 2.1 2.1 了解材料在建筑物上所起的作用和要求 2.2 2.2 了解常用材料的生产、成分和构造 2.3 2.3 掌握常用材料的技术性质， 以及影响材料性质的主 要因素及其相互关系 2.4 2.4 掌握常用材料的标准，熟悉其分类、分等和规格 2.5 熟悉常用材料的测试仪器，掌握测试方法和技术。 2.6 掌握常用材料的选用原则和方法。 2.7

6、 掌握工地配置材料的配置原理及方法，了解这些材料 的施工注意事项 3.学习方法 3.1 重点掌握材料的基本理论、基本知识、 基本技能 常用材料水泥、砼、石灰、石膏、玻璃、钢材、木 材、沥青、高分子材料 主要的水泥、砼、钢材 每种材料：原料生产工艺组成成分 构造性质应用检验储存以及它们 之间的相互关系 重点：性质和应用， 质检的基本原理（引起材性变化 的内因和外因） 3.2 学习材料的技术标准: 国家标准、行业标准、企业标准 GB-国家标准 GBJ-建筑工程国家标准 JGJ-建设部行业标准 JC-国家建材局行业标准 YB-冶金部行业标准 JTJ-交通部行业标准 SD-水电行业标准 ZB-国家级专

7、业标准 例：国家标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 GB175-1999 标准名称部门代号编号批准年份 ASA- American Standard Association 美国标 准 ASTM American Society for Testing Materials BS- British Standard 英国标准 DIN Deutsch Industrie Normen 德国标准 ISO-International Standard Organization 国际标准协会 3.3 重视学好试验 学习常用土木工程材料的检验方法合格性判断 和验收 对实验数据、试验结果进行分析判别 培养从事科

8、学研究的能力 参考书 1.湖南大学等编土木工程材料， 中国建筑工业出版社 2.苏达根主编. 新世纪网络课程建设工程 土木工程材料 华南理工大学研制 考核办法 1）课堂（考勤、表现）：20% 2）作业、课程小论文：10% 3）期末考试：70% 让我们先回答几个问题： 1. 你们知道那些结构工程 材料(古代；现代)？ 2.目前用量最大，用途最 广的材料应该是哪种？ 它与时代发展有何关系？ 云南下关 天生石桥 总长度大约有十万里以上！ 用建筑材料：土、石、木料、砖、石灰. 其材料运输量之浩大、工程之艰巨世所罕 见。 体现我国古代建筑工程的高度成就， 表现我国古代劳动人民的聪明才智。 建于1300多年

9、前（桥长约51m，净跨 37m）； 建造该桥的石材为青白色石灰岩,比意大 利人建石拱桥晚400多年,但在主拱肋与桥 面间设计“敞肩拱” ，比外国早了1200 多年。敞肩拱不仅减轻自重、节省材料、 减轻桥基负担，使桥台轻巧，且位移很小， 地基下沉甚微，且拱圈内应力很小，是至 今位移和沉陷微小且不坠的重要原因之一； 该桥拱轴线和恒载压力线甚接近，拱圈各 横截面只受压力或微小拉力。 土木工程材料的定义： 土木工程材料是人类建造活动土木工程材料是人类建造活动 所用一切材料的总称。所用一切材料的总称。 1) 改善了人们的生活条件。如：居住地由露天 泥草木屋 砖 石建筑 钢筋混凝土结构楼房。 2) 消耗了

10、自然资源，污染了环境。如：钢铁 铁矿石；水泥 石 灰石；粘土砖 粘土；骨料 砂石。钢铁及水泥生 产过程中将产生大量废气，废渣，对环境造成严重污 染。 例如： u1) 1 吨钢铁消耗标准煤1.66t；水48.6m3 u2) 1 吨水泥消耗标准煤178kg,同时放出约1t二氧化碳（造成温室效应并使地球变暖的主造成温室效应并使地球变暖的主 要气体之一要气体之一,全球二氧化碳的排放大约有全球二氧化碳的排放大约有7%7%来自水泥工业。来自水泥工业。) ) u综上所述： 建筑材料是人类与自然环境之间的重要媒介，一方面大量建造的基础设施显 著地改善了人们的生存条件；另一方面又消耗了大量资源，在相当程度上污染

11、了环境，破 坏了生态平衡。 u结论：大力发展“绿色建材”及可重复使用的材料。 绿色建材： 指在制造过程中对环境无污染 或少污染的建筑材料（环境友好材环境友好材 料料）。 土木工程材料的可持续发展： 土木工程材料生产可以利用许多工、 农业废料，包括有毒或放射性的废料。如 电厂的粉煤灰；冶炼铁、铝、铜排放的矿 渣以及许多农产品的秸杆、谷壳等。 实现混凝土技术的可持续发展，建立与环境友好的混凝土技术是以如下三个要素为基础的： l节约利用混凝土原材料节约利用混凝土原材料 将废弃混凝土破碎后代替天然骨料；预拌混凝土厂已有大量成功地利用循环使用水 的例子，用它作为新鲜拌和水的替代品；掺矿物掺合料。 l提高

12、混凝土结构的耐久性提高混凝土结构的耐久性 掺矿物掺合料：当今燃煤灰烬的年排放量约为6.5亿吨，其中至少70可作为火山灰 材料使用。全球水泥工业和混凝土工业每年的粉煤灰消耗率约停留在0.35亿吨。 土木工程材料 工程结构的 关系 1 . 建筑材料的更新是新型结构出现和 发展的基础 例如：民用住宅的发展： 砖石结构(单层) 砖混结构(多层) 钢混结构(高层) 新型建新型建 材促进材促进 结构工结构工 程发展程发展 古罗马古罗马万神殿万神殿，半球屋顶直径，半球屋顶直径43.5m43.5m，重，重1200012000吨。吨。 波兰钢筋混凝土世纪大厅肋形拱顶直径波兰钢筋混凝土世纪大厅肋形拱顶直径65m6

13、5m，重，重15001500吨。吨。 墨西哥钢混薄壁构件饭店双曲抛物面薄壳屋盖直径墨西哥钢混薄壁构件饭店双曲抛物面薄壳屋盖直径32m32m、厚、厚4cm4cm，重仅，重仅100100吨。吨。 德国玻璃纤维增强水泥园艺展览厅双曲抛物面屋盖，直径德国玻璃纤维增强水泥园艺展览厅双曲抛物面屋盖，直径31m31m、厚、厚1cm1cm，重，重 2525吨。吨。 近年出现彩板轻钢仅厚近年出现彩板轻钢仅厚1mm1mm，现场加工成大跨度屋面，重量进一步减轻。，现场加工成大跨度屋面，重量进一步减轻。 建筑膜搭建厚度仅为建筑膜搭建厚度仅为0.2mm0.2mm的新型膜结构。的新型膜结构。 几种典型的新型建筑材料： 纤

14、维增强材料 轻钢彩板 建筑膜 建筑玻璃与金属结构建筑玻璃与金属结构 从我国桥梁的发展看工程材料与结构的关系 泸定桥 十七孔桥 芦沟桥 玉带桥 钢材、混凝土 钢混凝土复合材料 砖混凝土复合 现代建筑材料 钢桁梁桥钱塘江桥 钢桁梁桥武汉长江大桥 钢桁架桥 简支梁桥 T形刚构桥 T形刚构桥 悬臂梁桥 连续梁桥 连续刚构桥 刚架拱桥 双曲拱桥 桁式组合拱桥 肋拱桥 肋拱桥 混凝土斜拉桥混凝土斜拉桥 结合梁和钢斜拉桥 大连悬索桥 立交桥 2. 结构设计与材料试验 已知结构尺寸 计算承载力； 已知结构受力条件 求解结构尺寸 采用标准试件 测试材料基本 物理力学参数 力学模型 （微观、细观 断裂力学） 科学

15、研究与开发 熟悉建筑材料的基本知识、掌握各种新材 料的特性，是进行结构设计必要的基本条件。 否则会影响结构物的外观和使用功能,甚至 造成重大事故。反之，从事材料研究的人们 由于对结构、对工程环境不够了解，也会事 倍功半，甚至适得其反。 一些结构工程师认为：只要各种规范、手 册在手，就能够做好设计工作。 规范和标准是在总结前人大量实践的基础上制订的，需要尊重，但是并不等于 照抄、照搬。伴随着工程实践的创新和发展，规范和标准也需要不断更新、不断完善。 从这个角度来说，与设计、施工相结合的科研工作，目的就在于将规范和标准不断地 推进，来促进工程实践与理论的发展，这也是培养高层次的结构工程师和设计人才

16、的 需要。 施工是结构设计与建筑材料 之间的重要桥梁之一 土木水利学院 清华大学 Department of Civil Engineering Tsinghua University 组成 结构 性能 基于性能的材料设计 对结构材料的性能要求 强度，力学性能 变形性能 耐久性能 其他性能（快速交付使用；经济性） 材料 变形 对结 构性 能的 影响 矮小的墙壁，砖 直接码放 1020（C）砖砌体 受力方向掺6%连 续聚丙烯纤维 1018（T）纤维增强水 泥制品 结构用木屑板 1011（T） 无节疤、直纹针叶木 18120（T） 针叶木原材 3530（T）木材 普通混凝土28d立 方体强度 15

17、40 （C）混凝土 结构低碳素钢 2460（T）钢材 备 注变异系 数 (%) 平均强 度(MPa) 材料品种 不同建筑材料强度的变异性（C抗压强度，T抗拉强度） 对建筑材料的认识来源： 第一，通过对材料进行力学试验，获得有关性质的数据，例如强度、弹性模量，为 结构设计或分析提供依据。 第二，材料加工、运输和现场施工的实践是非常重要的另一来源。 第三，由于材料科学和检测技术的发展，对材料的物理和化学结构进行深入研究得 到的认识。 教学目的： 本课程将以材料科学理论为基 础，以材料的基本性质为主线，使 学生充分掌握一些材料科学的基本 知识，并能灵活应用，解决在后续 课程中，以及工作实践中所遇见的

18、 各种问题。 建筑材料课程特点 1)1)实践性强 接近工程实际，不像基 础理论课程那样, ,对具体的现象或结构 进行简化、抽象； 2)2)综合性强 面对浩瀚的工程学复杂 问题，需要广泛知识和综合能力。不 像基础理论课程那样，着重深入分析。 一点说明 基础部分还没有形成体系，它只是列举了一些研究材料性质的考察角度，各章之 间的联系是松散的。不必要、也不可能把基础部分的内容都搞清楚，因为我们对具体材 料的了解还很缺乏。只要留下一个印象，知道日后碰到问题时应该翻什么书，看哪些部 分就可以了。在日后具体材料的学习中，多联系前面基础部分的内容，搞清楚材料为什 么有它特有的性质，增强基础部分与后续部分的逻辑连贯性。 教学环节 1.1. 讲课 2. 2. 实验课 3. 3. 讨论课 结束 兰州大学土木工程与力学学院 2.2.任务 2.1 2