第3章：土木工程材料

1、第第 三三 章：土木工程材料章：土木工程材料 3.1 .1 无机胶凝材料无机胶凝材料 3.2 3.2 水泥水泥 3.3 3.3 混凝土混凝土 3.4 3.4 建筑砂浆建筑砂浆 3.5 3.5 钢材钢材 建建 筑筑 工工 程程 3.6 3.6 木材木材 3.7 3.7 建筑塑料建筑塑料 3.8 3.8 墙体材料和屋面材料墙体材料和屋面材料 3.9 3.9 防水材料防水材料 3.10 3.10 装饰材料装饰材料 3.11 3.11 建筑功能材料建筑功能材料第三章第三章 土木工程材料土木工程材料2土木工程材料的发展历程土木工程材料的发展历程天然材料天然材料 土、草、苇、木材、土、草、苇、木材、石材、

2、泥等石材、泥等 烧土制品烧土制品 砖、瓦、石灰、玻璃砖、瓦、石灰、玻璃 钢铁、水泥、钢筋砼、人造板、钢铁、水泥、钢筋砼、人造板、砼、平板玻璃、黏结剂砼、平板玻璃、黏结剂塑料、铝合金、不锈钢、外加塑料、铝合金、不锈钢、外加剂节能新型墙体材料、高性能剂节能新型墙体材料、高性能砼砼等等原始原始材料诞生材料诞生 现代现代建材发展建材发展最早最早人工材料人工材料新型新型材料发展材料发展最早的穴居、巢居最早的穴居、巢居 用粘土烧制砖瓦用粘土烧制砖瓦 用石灰石烧制石用石灰石烧制石膏膏 大规模的生产大规模的生产 发明创新发明创新 33.1 气硬性胶凝材料和砂浆1、气硬性胶凝材料：和水混合成浆后在空气中能硬化为

3、坚实整体的矿物粉状材料，石灰、石膏、水玻璃等。石膏：石膏以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。我国石膏资源丰富，已探明天然石膏储量为471.5亿吨，居世界之首。常见的有：建筑石膏、高强石膏、无水石膏水泥、高温煅烧水泥等。建筑石膏是以天然二水石膏为主要成分，不预加任何外加剂的粉状胶结料。石膏还可用来生产各种浮雕和装饰品。如浮雕饰线、艺术灯圈、角花等。 4石膏制品石膏吊顶5石灰：是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。石灰石的主要成分是碳酸钙，将石灰石煅烧，碳酸钙将分解成为生石灰。 工程上使用石灰 时，通常将生石灰加水，使之消解成消石灰（氢氧化钙），这个过程称为石灰的消化或熟化。石灰的特性主要有：

4、1.生石灰水化时水化热大，体积增大；2.可塑性和保水性好；3.硬化缓慢；4.硬化时体积收缩大；5.硬化后强度低，耐水性差。6水玻璃：水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐，有不同比例的碱金属和二氧化硅组成，常见的水玻璃有硅酸钠和硅酸钾，其中以硅酸钠水玻璃最常见。 水玻璃有良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有堵塞毛细空隙而防水渗透的作用。水玻璃不燃烧，有高度的耐酸性能等。783.2 水泥9101314工艺流程图：影响水泥性能的因素：1.水泥组成成分的影响 （最主要因素）2.水泥细度的影响（水泥越细，水化越充分，凝结硬化越快，早期强度较高，但成本高，不宜保存。）3.养护条件的影响（温度和湿度）

5、若缺少水分，会导致水泥水化的停止，出现干粉或产生裂缝；在0以下，水泥的水化停止。4.龄期的影响（28d内发展较快）5.拌合用水量的影响6.存储条件的影响（水泥有效存储期为3个月）石灰石粘土铁矿粉生料石膏熟料水泥煅烧1450按比例混合磨细磨细153.3 混凝土混凝土由凝胶材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制而成经过一定时间硬化而成的人造石材。混凝土的优点：1.可根据不同要求配制各种不同性质的混凝土；2.凝结前有良好的塑性；3.与钢筋有牢固的粘结力；4。抗压强度高和耐久性良好；5.符合就地取材和经济的原则；混凝土的缺点：抗拉强度低，受拉时变形能力小，容易开裂，自重大等。 163.3 混凝土 一

6、、混凝土种类 水泥混凝土 1、按成分分类 沥青混凝土 石膏混凝土 聚合物混凝土 重混凝土 容重2600kg/m3 2、按表观密度分类 普通混凝土 容重=1950-2600kg/m3 轻混凝土 容重1950/m3 结构用混凝土 道路用混凝土 水工混凝土 喷射混凝土 3、按使用功能分类 耐热混凝土 4、按施工方法分 泵送混凝土 耐酸混凝土 振动灌浆混凝土 防辐射混凝土 17新拌的混凝新拌的混凝土土18混凝土构件19二、普通混凝土 水泥： 成分 骨料：细骨料（砂5mm) 粗骨料（石35mm) 水：不含酸、碱、盐、油及污物的水。20三、钢筋混凝土、预应力混凝土 组成：钢材、混凝土特点：既高强、耐久，又

7、具有很好的韧性。 钢筋混凝土的优点：（5条） 预应力混凝土 组成：预应力钢筋、混凝土 特点：刚度大，变形小。 张拉方法：机械法、电热法、化学法 张拉顺序：先张法、后张法三、特种混凝土 1、轻骨料混凝土 ： =C60 5、自密实混凝土 21223.4 3.4 建筑砂浆建筑砂浆建筑砂浆的基本组成：胶凝材料、细骨料、水按适当的比例建筑砂浆的基本组成：胶凝材料、细骨料、水按适当的比例配制而成的建筑材料。在工程上起配制而成的建筑材料。在工程上起粘接、衬垫、传递应力粘接、衬垫、传递应力的作用。的作用。按照胶凝材料的不同按照胶凝材料的不同，砂浆可以分为砂浆可以分为水泥砂浆水泥砂浆、石灰砂浆、石灰砂浆、混合砂

8、浆混合砂浆。根据用途不同，建筑砂浆分为砌筑砂浆、抹面砂浆、特种砂根据用途不同，建筑砂浆分为砌筑砂浆、抹面砂浆、特种砂浆。浆。1. 1.砌筑砂浆：用于砖石砌体的砂浆，起着粘结砖石和传递应力砌筑砂浆：用于砖石砌体的砂浆，起着粘结砖石和传递应力的作用。的作用。2.2.抹面砂浆：涂抹于土木工程构件表面的砂浆。分为普通抹抹面砂浆：涂抹于土木工程构件表面的砂浆。分为普通抹面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆等。面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆等。3.3.特种砂浆：耐酸砂浆、防辐射砂浆等。特种砂浆：耐酸砂浆、防辐射砂浆等。3.5 钢材钢是以铁和碳为主要成分的合金，其中铁是最基本的元素，碳和其他元素占的比例很少。钢材的生产可

9、分为炼铁、炼钢和轧制三道程序。工程中常用的钢材有钢结构用钢（型材）和钢筋混凝土用钢（线材）。品种： 钢板（板材）： 厚板、中厚板、薄板 型钢（型材） ： 角钢、槽钢、工字钢、 扁钢、管钢 钢筋（线材）： 热轧钢筋 冷拉钢筋、热处理钢筋、钢丝 25263.5.1、钢结构的特点：1）钢材强度高，结构质量轻。2）材质均匀，塑性、韧性好。3）有良好的加工性能和焊接性能。4）密封性好5）可重复使用（绿色建筑材料）6）钢材耐热但不耐火。7）耐腐蚀性差8）低温冷脆倾向273.5.2、钢结构的应用：1）大跨结构。钢材强度高、结构质量轻优势适用大跨度结构。2）工业厂房。3）受动力荷载影响的结构。4）多层和高层建

10、筑5）高耸结构（如塔架、桅杆）6）可拆卸的结构（脚手架、模板）。7）容器及其他构筑物（油罐、煤气罐、海上采油平台）8）轻型钢结构9）钢和混凝土的组合结构28钢筋混凝土常用的钢材：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素钢制成。热轧钢筋：经热轧成形并自然冷却的成品钢筋，分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。带肋又可分为月牙肋和等高肋。提高混凝土与钢筋的粘结力。29光圆钢筋光圆钢筋变形钢筋变形钢筋30钢绞线钢绞线313.6 3.6 木材木材木材作为装饰材料有很多优良性质：木材作为装饰材料有很多优良性质：轻质高强、弹性好、韧性轻质高强、弹性好、韧性好、能承受冲击和振动作用，因导热性低而具有较好的隔热、好、能承

11、受冲击和振动作用，因导热性低而具有较好的隔热、保温性能，纹理美观，色调温和古朴，极富装饰性，易于加保温性能，纹理美观，色调温和古朴，极富装饰性，易于加工，可制成各种形状的产品，绝缘性好，无毒性，在水中或工，可制成各种形状的产品，绝缘性好，无毒性，在水中或干燥的环境中有良好的耐久性。干燥的环境中有良好的耐久性。木材也有很多缺点：木材也有很多缺点：受材料尺寸的制约较大，构造受材料尺寸的制约较大，构造 不均匀，呈不均匀，呈各向异性，湿涨干缩大，处理不当易翘曲和干裂，天然缺陷各向异性，湿涨干缩大，处理不当易翘曲和干裂，天然缺陷较多而降低了材质和利用率，耐火性差，易着火燃烧，使用较多而降低了材质和利用率

12、，耐火性差，易着火燃烧，使用保养不当时易腐蚀、虫蛀保养不当时易腐蚀、虫蛀。3.6 3.6 木材木材333.6.1 木材的分类与构造木材的分类与构造3.6.2 木材的性能及应用木材的性能及应用 3.6.3 木材的防护与防火木材的防护与防火343.63.6.1 .1 木材的分类与构造木材的分类与构造 树木的分类树木的分类：树木树木针叶树针叶树阔叶树阔叶树35特点特点：树叶细长，树干通直高大，易得大材树叶细长，树干通直高大，易得大材， 纹理顺直，材质均匀，木质较软纹理顺直，材质均匀，木质较软，易于易于 加工，故又称加工，故又称软木材软木材。 针叶树针叶树应用应用：强度较高，表观密度和胀缩变形较小强度

13、较高，表观密度和胀缩变形较小， 耐腐性较强，是建筑工程中的主要用耐腐性较强，是建筑工程中的主要用 材，广泛用作承重构件、制作模板、材，广泛用作承重构件、制作模板、 门窗等。常用树种有松、杉、门窗等。常用树种有松、杉、柏等。柏等。 36特点特点：树叶宽大，多数树种的树叶宽大，多数树种的树干通直部分树干通直部分 较短较短，材质坚硬，较难加工，故又，材质坚硬，较难加工，故又称称 硬木材硬木材 。 阔叶树阔叶树应用应用：表观表观密度较大密度较大，胀缩和翘曲变形大，胀缩和翘曲变形大， 易开裂，在建筑中常用作尺寸较小易开裂，在建筑中常用作尺寸较小的的 装修和装饰装修和装饰 。 种类种类(1)(1)材质较硬

14、，纹理清晰美观材质较硬，纹理清晰美观（樟（樟木、木、 水曲柳、桐木、柞木、榆木水曲柳、桐木、柞木、榆木等）等）(2)(2)材质不很坚硬，纹理也不很清晰材质不很坚硬，纹理也不很清晰， 但质地较针叶木要更为细腻但质地较针叶木要更为细腻 （桦木、椴木、山杨、青杨等桦木、椴木、山杨、青杨等） 37阔叶黄檀阔叶黄檀松木松木38橡木橡木黄花梨黄花梨39木材的构造木材的构造 木材的构造决定其性质木材的构造决定其性质，针叶树针叶树和阔叶树的构造略有不同，其性质和阔叶树的构造略有不同，其性质也也有差异。有差异。图图3.10 木材宏观结构木材宏观结构1.1.木材的宏观构造木材的宏观构造 如图如图3.103.10，

15、树木是由树木是由树皮、木质树皮、木质部和髓心部和髓心三部分组成三部分组成。 通常从树干的三个切面进行剖析，即通常从树干的三个切面进行剖析，即横切面横切面 ( (垂直于树轴垂直于树轴) )、径切面径切面( (通过树轴通过树轴) )和和弦切面弦切面( (平行于树轴平行于树轴) )。40 2.2.木材的微观结构木材的微观结构 木材是由无数木材是由无数管状细胞管状细胞紧密结合而成，它们绝大部分紧密结合而成，它们绝大部分为纵向排列，少数横向排列为纵向排列，少数横向排列( (如木射线如木射线) )。 每个细胞又由每个细胞又由细胞壁细胞壁和和细胞腔细胞腔两部分组成，两部分组成，细胞壁细胞壁是是由细纤维组成，

16、细纤维由细纤维组成，细纤维之间可以吸附和渗透水分之间可以吸附和渗透水分，细胞腔，细胞腔是由细胞壁包裹而成的空腔是由细胞壁包裹而成的空腔。 41松木显微构造立体图松木显微构造立体图1管胞；管胞；2木射线；木射线；3树脂道树脂道枫香显微构造立体图枫香显微构造立体图1导管；导管；2木射线；木射线；3木纤维木纤维42木材的管胞和木纤维木材的管胞和木纤维 43木材木射线木材木射线44影响木材强度的主要因素：含水率、温度、荷载作用时间、木材的缺陷。45纤维饱和点（纤维饱和点（fiber saturation point,FSP）是木材仅细胞壁中的吸附水达饱和，而细胞腔和细胞间隙中无自由水存在是木材仅细胞壁

17、中的吸附水达饱和，而细胞腔和细胞间隙中无自由水存在时的含水率。其值随树种而异。时的含水率。其值随树种而异。它是木材物理力学性质是否随含水率而发生变化的它是木材物理力学性质是否随含水率而发生变化的转折点转折点。木材含水量大于纤维饱和点时，表示木材的含水率除吸附水达到饱和外，木材含水量大于纤维饱和点时，表示木材的含水率除吸附水达到饱和外，还有一定数量的自由水。此时，木材如受到干燥或受潮，只是自由水改变，还有一定数量的自由水。此时，木材如受到干燥或受潮，只是自由水改变，故不会引起湿胀干缩。当含水率小于纤维饱和点时，能引起木材的湿胀干故不会引起湿胀干缩。当含水率小于纤维饱和点时，能引起木材的湿胀干缩。

18、缩。当木材的含水率在当木材的含水率在 纤维饱和点纤维饱和点 以下时，随着含水率的增大，木材体积产以下时，随着含水率的增大，木材体积产生膨胀，随着含水率的减小，木材体积收缩。生膨胀，随着含水率的减小，木材体积收缩。平衡含水率平衡含水率Environmental Moisture Content潮湿的木材能在干燥的空气中失去水分；干燥的木材也能从周围的空气中潮湿的木材能在干燥的空气中失去水分；干燥的木材也能从周围的空气中吸取水分，如果木材长时间处于一定温度和湿度的空气中，便达到某一相吸取水分，如果木材长时间处于一定温度和湿度的空气中，便达到某一相对稳定的含水率，这时木材的含水率称为对稳定的含水率，

19、这时木材的含水率称为平衡含水率平衡含水率。46 木材的木材的性能及应用性能及应用 木材的性能木材的性能 1.1.木材的含水率及吸湿性木材的含水率及吸湿性 新伐木材的含水率常在新伐木材的含水率常在35%35%以上；风干木材的含水率为以上；风干木材的含水率为15%15%25%25%；室内干燥木材的含水率为室内干燥木材的含水率为8%8%15% 15% 。 2.2.木材的湿胀干缩与变形木材的湿胀干缩与变形 木材的湿胀干缩具有一定规律：含水率木材的湿胀干缩具有一定规律：含水率小于小于纤维饱和点纤维饱和点时，随着含水率的增加，木材体积产生膨胀，随着含水率减时，随着含水率的增加，木材体积产生膨胀，随着含水率

20、减小，木材体积收缩；而含水率小，木材体积收缩；而含水率大于大于纤维饱和点时，只是自由纤维饱和点时，只是自由水的增减，木材的体积不发生变化。水的增减，木材的体积不发生变化。 47含水率对木材胀缩的影响含水率对木材胀缩的影响截面不同位置木材干燥引起的不同变化截面不同位置木材干燥引起的不同变化48 3.3.木材的强度木材的强度 木材的强度主要是指其抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。木材的强度主要是指其抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度。由于木材的构造各向不同，致使各方向强度有很大差异由于木材的构造各向不同，致使各方向强度有很大差异，因此因此，木，木材的强度有顺纹强度和横纹强度之分。材的强度有顺纹强度和横纹强度之分

21、。 当设顺纹抗压强度为当设顺纹抗压强度为100100时，木材无缺陷时各强度大小时，木材无缺陷时各强度大小的关系见表。的关系见表。 抗压抗压抗拉抗拉抗弯抗弯抗剪抗剪顺纹顺纹横纹横纹顶纹顶纹横纹横纹顺纹顺纹横纹切断横纹切断100100101030302002003003005 5303015015020020015153030505010010049顺纹抗压顺纹抗压横纹抗压横纹抗压顺纹抗拉顺纹抗拉横纹抗拉横纹抗拉抗弯抗弯顺纹抗剪顺纹抗剪横纹切断横纹切断11/101/3231/201/33/221/71/31/21木材各项强度值的比较木材各项强度值的比较(以顺纹抗压强度为以顺纹抗压强度为1)(a)

22、顺纹剪切顺纹剪切 (b) 横纹剪切横纹剪切 (c) 横纹切断横纹切断 木材的剪切木材的剪切501顺纹抗拉；顺纹抗拉；2抗弯；抗弯；3顺纹抗压；顺纹抗压；4顺纹抗剪顺纹抗剪含水率对木材强度的影响含水率对木材强度的影响513.6.2 3.6.2 木材的应用木材的应用 在建筑工程中直接使用木材常有在建筑工程中直接使用木材常有圆木圆木、锯锯木木和和人造板材。人造板材。1 1）圆木：去除根、梢、枝、皮并加工成一定）圆木：去除根、梢、枝、皮并加工成一定长度和直径的木段。用于屋架、柱、桁条等。长度和直径的木段。用于屋架、柱、桁条等。2 2）锯木：已经加工成一定尺寸的木料，有板）锯木：已经加工成一定尺寸的木料

23、，有板材、方材。板材用于隔断、屋面板、地板等；材、方材。板材用于隔断、屋面板、地板等；方材用于檩条、隔断木筋、屋架等。方材用于檩条、隔断木筋、屋架等。3 3）人造板材：利用木材或者含有一定纤维量）人造板材：利用木材或者含有一定纤维量的其他作物做原料，采用物理和化学的方法加的其他作物做原料，采用物理和化学的方法加工而成的。工而成的。52原木53方木5455拼花木地板拼花木地板56胶胶合板合板57木屑板木屑板58细木工板细木工板(大芯板大芯板) 59杉木集成材杉木集成材60木材的防护木材的防护：防腐、防虫、防火。：防腐、防虫、防火。 木材的腐朽与防腐木材的腐朽与防腐原因：原因：木材的腐朽是真菌侵害

24、所致。木材的腐朽是真菌侵害所致。 真菌在木材中生存和繁殖的三个真菌在木材中生存和繁殖的三个必要必要条件条件：水分水分、适宜的适宜的温度温度和空气中的和空气中的氧氧。木材完全干燥和完全浸入水中。木材完全干燥和完全浸入水中都不易腐朽。都不易腐朽。防腐措施：防腐措施： 1. 1.使木结构、木制品和储存的木材处于经常保持通风使木结构、木制品和储存的木材处于经常保持通风干燥的状态，并对木结构和木制品表面进行油漆处理，油干燥的状态，并对木结构和木制品表面进行油漆处理，油漆涂层既使木材隔绝了空气，又隔绝了水分漆涂层既使木材隔绝了空气，又隔绝了水分； 2. 2.化学防腐剂注入木材中，使真菌无法寄生。化学防腐剂

25、注入木材中，使真菌无法寄生。 613.7 建筑塑料塑料3.7.1 塑料的分类根据塑料受热后形态性能表现的不同，可分根据塑料受热后形态性能表现的不同，可分为为热塑性塑料热塑性塑料和和热固性塑料热固性塑料两大类。两大类。热塑性热塑性塑料受热后软化，冷却后又变硬，塑料受热后软化，冷却后又变硬，这种软化这种软化和变硬和重复进行和变硬和重复进行。热固性热固性塑料受热软化，塑料受热软化，发生化学变化发生化学变化，生成交联聚合物而硬化成形，生成交联聚合物而硬化成形，再受热不能恢复可塑性状态。再受热不能恢复可塑性状态。3.7.2 玻璃钢玻璃钢又称为玻璃钢又称为玻璃纤维增强塑料（玻璃纤维增强塑料（FRP）.玻璃

26、钢的玻璃钢的特性：特性：1）轻质高强；）轻质高强；2）耐腐蚀性能）耐腐蚀性能好；好；3）电性能良好；）电性能良好；4）热性能良好；）热性能良好；5）可）可设计性好；设计性好；6）工艺性优良。）工艺性优良。玻璃钢玻璃钢 的不足的不足：1）弹性模量低；）弹性模量低；2）长期耐温）长期耐温性差；性差；3）老化现象；）老化现象；4）层间剪切强度低。）层间剪切强度低。3.8 墙体材料和屋面材料墙体墙体材料多为材料多为.砖、砌块、板材。砖、砌块、板材。屋面屋面材料为各种材质的材料为各种材质的瓦瓦。3.8.2 屋面材料瓦1、粘土瓦：以粘土为材料模压成型、干燥焙烧而成，有红、青二种。 平瓦：400240 360220 脊瓦：3001802、水泥瓦：以水泥、砂子为原材料加水搅拌模压成型，加水养护而成。 平瓦：38523514 脊瓦：46917.53、石棉水泥瓦：水泥、石棉配料搅拌压制成型，养护而成。 大、中、小波瓦：4种规格 脊瓦：2种规格4、钢丝网水泥瓦：用水泥砂子加水拌和，浇模时中间铺一层冷拔低炭钢丝网模压成型养护而成。6869703.9 防水