材料与机械课件

1、第二章第二章 土木工程中的材料土木工程中的材料 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所有材料的总称，其中建筑材料费约占建筑物造价的50%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。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建筑材料的基本性质物理性质物

2、理性质：密度、含水率、孔隙率、导热性：密度、含水率、孔隙率、导热性力学性质力学性质：强度、变形、弹性、塑性、韧性：强度、变形、弹性、塑性、韧性耐久性质耐久性质：抵抗外界环境变化和条件的能力：抵抗外界环境变化和条件的能力建筑材撙 1.碳素钢碳素钢 根据含碳量的大小分为低碳钢、中碳钢、和高碳钢。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。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

3、、锰、镍、钛等。合金元素总含量小于合金钢。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。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相近。所以在桥梁、电视塔、高层建筑中得到广本却与普通碳素钢相近。所以在桥梁、电视塔、高层建筑中得到广泛的应用泛的应用。一一钢材钢材 钢按其化学成分分为两大类，即碳素钢和合金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，当碳含量小于钢，其主要成分为铁和碳，当碳含量小于2.06%称称钢。大于钢。大于2.06%称为生铁或

4、铸铁。称为生铁或铸铁。 建筑钢材的品种建筑钢材的品种1.1.钢板钢板 2.2.型钢型钢 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。热轧型钢有角钢、工字钢和槽钢等。3.3.钢管钢管 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压力管道。 4.4.钢筋钢筋 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

5、构构件。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构。上多用中板与各种型钢组成钢结构。图图a 有明显流幅钢材的应力有明显流幅钢材的应力-应变图应变图 图图b b 没有明显流幅钢材的应力没有明显流幅钢材的应力- -应变图应变图 钢材的强度和变形钢材的强度和变形 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

6、钢材能。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。金相组织，获得所需要的性能要求。 退火退火：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、除钢筋内应力、改善钢的显微结构、提高塑性和韧性性能提高塑性和韧性性能等。等。 正火正火：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。度、硬度提高，塑性减小。 淬火淬火：将钢材加热到一定温度，在水中或油中淬冷，即迅速投入其中将钢材

7、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。淬火可使钢材急速冷却。淬火可使钢材硬度大大提高，塑性、韧性明显降低硬度大大提高，塑性、韧性明显降低。 回火回火：将淬火后的钢材重新加热，加热温度愈高，回火后的硬度降低将淬火后的钢材重新加热，加热温度愈高，回火后的硬度降低就愈多，塑性、韧性恢复愈好。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，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

8、缩小，承载能力降低或完全丧失承载能，在高温下使钢材表面变质，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。锈蚀速度更快。 防止钢材锈蚀的最常见的方法是防止钢材锈蚀的最常见的方法是表面处理法表面处理法。表面刷漆，刷一道底。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，都是有用其他金属层覆盖钢材表面，

9、如用电镀和喷镀法覆盖其他金属等，都是有效的防腐方法。效的防腐方法。 制成合金钢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，如低碳钢或低合金钢中加入铜；铁合金中加入镍、铬制腐蚀能力的元素，如低碳钢或低合金钢中加入铜；铁合金中加入镍、铬制成不锈钢。成不锈钢。钢材的防锈处理钢材的防锈处理钢材的优缺点钢材的优缺点二二 木木 材材 木材是一种历史悠久的建筑材料。在我国，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

10、、门窗、地板、桥梁、混凝土模用途极广。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森林资源缺乏，木材价格昂贵，一般的结构都不选用木材。木材。 树木分为树木分为针叶树针叶树和和阔叶树阔叶树，针叶树有红松、白，针叶树有红松、白松、和杉木等树种。其材质多松软、纹理直、容郍松、和杉木等树种。其材质多松软、纹理直、容郍小、小、?度高度高 易加工，易加工，蒀蒀树是主要建筑用材树是主要建筑

11、用材。 阔叶树常用树种有水曲柳、桦木等。材质较硬、阔叶树常用树种有水曲柳、桦木等。材质较硬、容重高、胀缩大、易变形、昒开裂。其加工困难，容重高、胀缩大、易变形、昒开裂。其加工困难，但纹理美观，常用于制成胶合板，用于室内装饰和但纹理美观，常用于制成胶合板，用于室内装饰和制作制作具。具。 木材的种类和特点木材的种类和特点 木材的主要物理性质是指其含水率、湿胀干缩性、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。表观密度等。其中含水率是最重要的指标。1. 1. 含水率含水率 含水率为木材中含水量与干燥木材重量百分比。含水率为木材中含水量与干燥木材重量百分比。 2.

12、 2. 干缩湿胀干缩湿胀 吸附水的增加和减少将影响干缩和湿胀，而自由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。和湿胀的界限。 木材的物理性质木材的物理性质 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材各向强度值的大概对比关系如表所示( (设顺纹压强为设顺纹压强为100)100)。 木材各向强度值的对比关系木材各向强度值的对比关系 木材的力学性质木材的力学性质 为改善木材腐朽、虫害、易燃等不利因素，对木材

13、要进行加工处理，为改善木材腐朽、虫害、易燃等不利因素，对木材要进行加工处理，以提高其耐久性。以提高其耐久性。 1.1.防腐处理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。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。当木材含水率在当木材含水率在20%20%以下时，腐朽菌停止发育，不会发生腐朽；当含水率以下时，腐朽菌停止发育，不会发生腐朽；当含水率在在100%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。另一种防腐度降低，经常处于干燥

14、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。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。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。 2.2.木材阻燃木材阻燃木材的燃烧温度在木材的燃烧温度在260260290290之间，但若在之间，但若在100100150150的温度条件下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采用防火涂

15、料处理，使其变为难燃木计外，对防火要求较高的建筑物可采用防火涂料处理，使其变为难燃木材。材。 木材处理木材处理 木材的优缺点木材的优缺点 三三混凝土及钢筋混凝土混凝土及钢筋混凝土 混凝土是由混凝土是由水泥、水、砂、石水泥、水、砂、石按一定比例混合，经过搅拌、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泥相互作用则产生物理、化学变化，形成凝胶体将骨

16、料胶结在一起形成混凝土块材。一起形成混凝土块材。 水灰比（水灰比（W/CW/C）是混凝土中用水量和用水泥量的重量比。它是配）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. . 图图 混凝土强度与水灰比的关系曲线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混凝土强度的主要影响因素砂砂 有海砂、河砂、山砂，砂的颗粒在有海砂、河砂、山砂，砂的颗粒在0.155mm之之间，它和水泥拌和在一起用以填充石子间的空隙，而间，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。不与水泥发

17、生化学作用。 石石 有碎石、卵石。碎石表面粗糙、多棱角，与水泥有碎石、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。差。但其拌和物的和易性较好。 配合比是指配合比是指1m3混凝土中，水泥、砂子、石子混凝土中，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：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，强度高，耐久性、和易性好，满足各项指标要求，

18、同时节约水泥，降低混凝土的成本。同时节约水泥，降低混凝土的成本。混凝土的配制混凝土的配制混凝土的强度等级混凝土的强度等级 混凝土的强度是指混凝土在承受各种力作用时，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，为级共十个等级，为C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C60。 C30表示边长为表示边长为15cm的混凝土立方体，在温度的混凝土立方体，在温度20和相对湿度和相对湿度90%以上潮湿空气中养护以上潮湿空气中养护28天所测的强度天所测的强度为为30MPa其保证

19、率为其保证率为95%。 混凝土的优缺点混凝土的优缺点 砌体是由石材、粘土、混凝土、工业废料等材料做成的板块，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。使用的大致有空心砖和实心砖两类。 四四砌体砌体 优点优点价格低廉价格低廉施工简便施工简便隔热性好隔热性好耐火性好耐火性好缺点缺点强度低强度低毁坏耕地毁坏耕地质量问题多质量问题多 瓦是建筑房屋

20、的材料，目前种类很多，有粘土瓦、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。烯波纹瓦、玻璃钢波形瓦、沥青瓦和琉璃瓦等。 粘土瓦粘土瓦 主要原料为粘土，经加水拌匀，压模成型、干燥、陪烧而成。主要原料为粘土，经加水拌匀，压模成型、干燥、陪烧而成。水泥瓦水泥瓦 以水泥、砂子为主要原料，经压模成型、养护而成。以水泥、砂子为主要原料，经压模成型、养护而成。石棉水泥瓦石棉水泥瓦 是以水泥、温石棉为原料，经配制、搅拌、压滤成型、养护而成。是以水泥、温石棉为原料，经配制、搅

21、拌、压滤成型、养护而成。钢丝网水泥大波瓦钢丝网水泥大波瓦 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。成。 瓦瓦 石材用于很多古建筑，如我国的长城、赵洲桥，以及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。一些石塔等。 石材按岩石的分类有花岗岩、砂岩、辉长岩、石灰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。岩、大理岩、片麻岩和石英岩等。石材按加工种类分有石材按加工种类分有毛石、碎石、料石、板石、条石等。毛石、碎石、料石、板石、条石等。 毛石毛石是在采石场爆破采得的形状不规则的石

22、块，常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。用于围墙、基础、挡土墙、勒角等。 料石料石由人工或机械开采出六面体石块，略加凿琢而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。成，用途同毛石，但砌体表面平整。 石板石板用于地面和饰板，一般用于大理石和花岗岩加用于地面和饰板，一般用于大理石和花岗岩加工成无裂缝、色彩美观的板材，工成无裂缝、色彩美观的板材， 长条石长条石可作台阶、路面、地面等。可作台阶、路面、地面等。 石材石材 按我国标准的规定，建筑机械分为以下几种类型：按我国标准的规定，建筑机械分为以下几种类型：(1)(1)挖掘机械挖掘机械：包括单斗挖掘机、多斗挖掘机、挖掘装载机。：包括单斗挖掘机、多斗挖掘机、挖掘装载机。(2)(2)铲土运输机械铲土运输机械：推土机、铲运机、翻斗机等。：推土机、铲运机、翻斗机等。(3)(3)压实机械压实机械：包括压路机、夯实机等。：包括压路机、夯实机等。(4)(4)工程起重机械工程起重机械：包括塔式起重机、履带起重机、施工升降机等。：包括塔式起重机、履带起重机、施工升降机等。(5)(5)桩工机械桩工机械：包括振动桩锤、液压锤、压桩机等。：包括振动桩锤、液压锤、压桩机等。(6)(6)路