第2讲 土木工程材料

1、任务任务1：土木工程材料的分类与性质任务任务2：常用土木工程材料简介重点内容任何土木工程建（构）筑物（包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等）都是用材料按一定的要求打造成的，土木工程中所使用的各种材料都统称为土木工程材料。长期以来人类一直在从事着土木工程材料的各类研究工作，并不断开发新的材料。几乎世界上的各种材料都可用作土木工程材料。土木工程材料的发展历程天然材料土、草、苇、木材、石材、泥等 烧土制品 砖、瓦、石灰、玻璃 钢铁、水泥、钢筋砼、人造板、砼、平板玻璃、黏结剂塑料、铝合金、不锈钢、外加剂节能新型墙体材料、高性能砼等原始材料诞生 现代建筑发展最早人工材料新型材料发展最早的穴居、巢居

2、用粘土烧制砖瓦 用石灰石烧制石膏 大规模的生产 发明创新 一、土木工程材料分类二、土木工程材料的性质 土木工程材料是土木工程的物质基础，材料的性质与质量很大程度上决定了工程的性能与质量。在工程实践中，选择、使用、分析和评价材料，通常是以其性质为基本依据的。 土木工程材料的性质，可分为物理性质物理性质、力力学性质学性质和耐久性耐久性。1、 材料的物理性质材料的物理性质（1） 材料的密度与孔隙率材料的密度与孔隙率 密度密度(俗称比重)：材料的质量与其体积的比值。分为密度、表观密度和堆积密度。 在常用的土木工程材料中，除钢、玻璃、沥青等可近似认为不含孔隙外，绝大多数含有孔隙。二、土木工程材料的性质

3、表观密度表观密度：材料在自然状态下，单位体积材料的质量。 堆积密度堆积密度：散粒材料在堆积状态下，单位体积材料的质量。如砂、水泥、碎石等散粒材料。 孔隙率孔隙率：材料中孔隙体积占材料总体积的百分率。 材料孔隙率的大小反映了材料的密实程度，孔隙率大，则密实度小。 工程中对保温隔热材料和吸声材料，要求其孔隙率大，而高强度的材料，则要求孔隙率小。 空隙率空隙率：是散粒材料在堆积状态下，颗粒间的空隙体积占堆积体积的百分率。其反映的是散粒材料堆积时的致密程度。（2）材料与水有关的性质）材料与水有关的性质亲水性亲水性与与憎水性憎水性 材料表面能被水湿润或浸润的性质，称为亲水性。其为亲水性材料。 材料表面不

4、能被水湿润或浸润的性质，称为憎水性。其为憎水性材料。 土木工程材料中石材、金属、水泥制品、陶瓷等无机材料和部分木材为亲水性材料；沥青、塑料、橡胶和油漆等为憎水性材料，工程上多利用材料的憎水性来制造防水材料。（2）材料与水有关的性质）材料与水有关的性质吸湿性吸湿性与与吸水性吸水性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质，称为吸湿性。 材料与水接触能吸收水分的性质，称为吸水性。耐水性耐水性与与抗渗性抗渗性 材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质，称为耐水性。用软化系数表示。 材料抵抗压力水渗透的性质，称为抗渗性。用渗透系数或抗渗等级表示。 材料的抗渗性越高，水及有害介质越不易进入材料内部，则材料

5、的耐久性越高。抗冻性抗冻性：指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不被破坏，强度也不显著下降的性质。 （3 3）材料的热工性质）材料的热工性质 导热性导热性：指材料传导热量的能力。 耐燃性耐燃性：指材料能经受火焰和高温的作用而不破坏，强度也不显著降低的性能。是影响建筑物防火、结构耐火等级的重要因素。 耐火耐火性性：指材料在长期高温作用下，保持其结构和工作性能的基本稳定而不损坏的性能。用耐火度表示。 热变形性热变形性：指材料在温度变化时产生的体积变化的性质。 多数材料在温度升高时体积膨胀，温度下降时体积收缩。 材料一般有以下几种受力状态：材料一般有以下几种受力状态： 材料材料的的力学性质力学性质

6、是指材料在外力作用下抵抗弯曲、是指材料在外力作用下抵抗弯曲、变形和破坏的性质。用强度和变形性表示。变形和破坏的性质。用强度和变形性表示。（1 1）材料）材料的强度的强度强度强度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。以单位面积上所能承受的荷载大小来衡量。 根据材料的受力状态，材料的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗弯(折)强度和抗剪强度。 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度的计算式如下：重要哦重要哦为了掌握材料性能、便于分类管理、合理选用材料、正确进行设计、控制工程质量，常将材料按其强度的大小，划分成不同的等级，称为强度等级强度等级，它是衡量材料力学性质的主要技术指标。弹性与塑性弹性与塑性 弹性变形弹性变形

7、：指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能完全恢复到原来形状的性质。 弹性变形的大小与所受应力的大小成正比，所受应力与应变的比值称为弹性模量，用“E”表示，它是衡量材料抵抗变形能力的指标。在材料的弹性范围内，E是一个常数，按下式计算： 式中 E材料的弹性模量，MPa。 材料所受的应力(MPa)。 材料在应力作用下产生的应变，无量纲。 弹性模量越大，材料抵抗变形能力越强，在外力作用下的变形越小。材料的弹性模量是工材料的弹性模量是工程结构设计和变形验程结构设计和变形验算的主要依据之一。算的主要依据之一。 塑性变形塑性变形：指材料在外力作用下产生变形，当外力消失后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且

8、不产生裂缝的性质。 材料的塑性变形是因为其内部的剪应力作用，致使部分质点间产生相对滑移的结果。脆性与韧性脆性与韧性脆性脆性：指材料受外力作用，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，但无明显塑性变形的性质。具有这种性质的材料称为脆性材料，如普通混凝土、砖、陶瓷、玻璃、石材和铸铁等。韧性韧性：指材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生较大的变形而不破坏的性质。具有这种性质的材料称为韧性材料，如低碳钢、低合金钢、铝合金、塑料、橡胶、木材和玻璃钢等。用于道路、桥梁、轨道、吊车梁及其他受振动影响的结构，应选用韧性较好的材料。硬度与硬度与耐久性耐久性硬度硬度：指材料表面抵抗其他硬物压入或刻划的能力

9、。 为保持较好表面使用性质和外观质量，要求材料必须具有足够的硬度。 非金属材料的硬度用摩氏硬度表示，它是用系列标准硬度的矿物块对材料表面进行划擦，根据划痕确定硬度等级。摩氏硬度等级如下表所示： 金属材料的硬度等级常用压入法测定，主要有布氏硬度法(HB)，是以淬火的钢珠压入材料表面产生的球形凹痕单位面积上所受压力来表示；洛氏硬度法(HR)，是用金刚石圆锥或淬火的钢球制成的压头压入材料表面，以压痕的深度来表示。 硬度大的材料其强度也高，工程上常用材料的硬度来推算其强度，如用回弹法测定混凝土强度，即是用回弹仪测得混凝土表面硬度，再间接推算出混凝土的强度的。 耐久性耐久性：是指材料在长期使用过程中，材

10、料能抵抗环境的破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。 工程上通常用材料抵抗使用环境里主要影响因素的能力来评价耐久性，如抗渗性、抗冻性、抗老化和抗碳化等性质。1、工程常用钢材：一、钢材型材型材钢结构用常用常用钢材钢材线材线材钢筋砼用型钢钢轨钢板钢管钢筋钢丝圆钢带肋钢筋为低碳钢和低合金钢常用型材：常用型材： 主要有槽钢、钢管、角钢、工字钢、方钢、吊车轨道、金属门窗、钢板桩型钢等。槽钢钢管角钢工字钢H型钢一、钢材2.2.1 2.2.1 钢材钢材常用线材：常用线材：有圆钢、带肋钢筋（螺纹钢）。一、钢材圆钢带肋钢筋2、钢材的力学性质：一、钢材屈服强度屈服强度是指钢材完成弹性变形，开始塑性变

11、形时的抵抗应力。力学力学性质性质抗拉强度抗拉强度是指钢材在拉伸时，试件在破坏前的最大应力值。伸长率伸长率指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，伸长的长度与原来长度的百分比。这这4个概念个概念很重要很重要抗压强度抗压强度是指钢材在无侧限状态下所能承受的最大压力值。钢筋混凝土用的钢材主要指钢筋。钢筋等级：一级钢一级钢 指屈服强度为300MPa(N/mm2)的圆钢。二级钢二级钢 指屈服强度为335MPa(N/mm2)的螺纹钢。三级钢三级钢 指屈服强度为400MPa(N/mm2)的螺纹钢。四级钢四级钢 指屈服强度为500MPa(N/mm2)的螺纹钢。2.2.1 2.2.1 钢材钢材3、钢筋的分类和强度：

12、一、钢材重要哦重要哦设计图纸中钢筋用此符号表示，如10100表示使用HPB300钢筋间距为100mm。重要哦重要哦重要哦重要哦重要哦重要哦超过此总伸长率的钢筋为不合格钢筋超过此总伸长率的钢筋为不合格钢筋。重要哦重要哦钢筋绑扎钢筋试验视频任务2：二、混凝土（简写“砼”）1、混凝土的定义：混凝土混凝土：是由胶凝材料、骨料和水，必要时掺入化学外加剂和矿物质混合材料，按适当比例配合、拌制成拌和物，经硬化而成的人造石材。二、混凝土按胶凝材料砼砼分类分类2、混凝土的分类普通砼(水泥砼)沥青砼石膏砼聚合物砼按密度重砼（2600kg/m3）普通砼（=19502600kg/m3）轻砼（1950kg/m3）按使用

13、功能结构砼道路砼水工砼耐热砼防辐射砼胶凝材料胶凝材料：水泥、沥青、石膏、化学聚合物二、混凝土1、原材料丰富、成本低：砂石占80%以上，就地取材。砼砼特点特点2、混凝土材料的作用与特点2、利用模板可浇筑成任意形状。3、抗压强度较高：10100MPa。4、与钢筋黏结牢固，形成钢筋砼，克服了砼抗拉强度低的缺陷。5、具有良好的耐久性。二、混凝土品种水泥水泥2、混凝土材料的组成硅酸盐水泥 一般工程使用砼=水泥+砂+碎石+水+外加剂（可选）普通硅酸盐水泥水下、抗渗矿渣硅酸盐水泥耐热、耐磨粉煤灰硅酸盐水泥耐腐蚀火山灰硅酸盐水泥抗渗强度强度硅酸盐水泥(分三个等级6个类型)：42.5、42.5R、52.5、52

14、.5R、62.5、62.5R。其他水泥(分三个等级6个类型)： 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R 。R表示早强型水泥重要哦重要哦配合比二、混凝土砂2、混凝土材料的组成常用中细砂 0.25mm粒径5mm，含泥量5%，以天然河砂最好。砼=水泥+砂+碎石+水+外加剂（可选）山砂含泥量大，适用于砂浆。海砂含氯离子、盐分等，腐蚀钢筋。碎石常用13石：即1cm粒径3cm 。种类：以新鲜花岗岩、玄武岩、石灰岩等硬质岩石为最佳。水使用不含腐蚀性离子的清澈地表水或地下水。外加剂减水剂、引气剂、早强剂、絮凝剂、缓凝剂等，按需要添加，掺入量980mm980mm规格：390mm190m

15、m190mm290mm190mm190mm190mm190mm190mm190mm190mm90mm用途：非承重墙规格：290mm190mm190mm190mm190mm190mm190mm190mm90mm用途：非承重墙抗压强度等级（MPa）： 10级、 25级、 35级、 50级、 75级用途：实心砖6层以下承重墙和所有非承重墙用途：墙体承重砌块和非承重砌块抗压强度等级（MPa）： MU3.5、 MU5、MU7.5 、MU10、 MU12、 MU20砌筑砂浆砌筑砂浆常用粘结材料的主要成分常用粘结材料的主要成分水泥、砂、石灰膏水泥、砂、石灰膏水泥砂浆水泥砂浆水泥和砂。常用配比（水泥：砂）为水

16、泥和砂。常用配比（水泥：砂）为1:2、1:3等等混合砂浆混合砂浆在水泥砂浆中加入石灰膏。常用配比（水泥：石在水泥砂浆中加入石灰膏。常用配比（水泥：石灰：砂）为灰：砂）为1:1:6、1:1:4等等石灰砂浆石灰砂浆石灰膏和砂。常用配比（石灰膏：砂）为和砂。常用配比（石灰膏：砂）为1:2、1:3强度强度砂浆为刚性材料，强度等级分为：砂浆为刚性材料，强度等级分为：M0.4、M1、M2.5、M5、M7.5、M10、M15等等7个等级个等级水泥砂浆的水泥砂浆的强度强度和和防水性能防水性能要高于混合要高于混合砂浆；混合砂浆的砂浆；混合砂浆的和易性和易性优于水泥砂浆优于水泥砂浆和易性和易性保持合适的流动性、黏

17、聚性和保水性，以达到易于保持合适的流动性、黏聚性和保水性，以达到易于施工操作，并成型密实、质量均匀的性能。施工操作，并成型密实、质量均匀的性能。0.00以下用以下用水泥砂浆水泥砂浆砌筑，砌筑，0.00以上用以上用混合砂浆混合砂浆砌筑，不能采用石灰砂砌筑，不能采用石灰砂浆。浆。影响木材强度的主要因素为含水率（一般含水率高，强度降低），温度（温度高，强度降低），荷载作用时间（持续荷载时间长，强度下降）及木材的缺陷（木节、腐朽、裂纹、翘曲、病虫害等）。木材的主要性质：木材的性质包括物理性质和力学性质，如含水率、热胀干缩、密度、强度(抗拉、抗压、抗弯和抗剪等四种强度)，其中抗拉、抗压、抗剪强度又有顺纹和横纹之分。顺纹和横纹强度有很大的差别。四、木材四、木材主要用途柱模板楼梯模板楼面和梁模板四、木材主要用途红板黑板四、木材主要用途木方条纵横水平方条四、木