土木工程概论第二章土木工程材料

土木工程概论第二章土木工程材料第1页，课件共31页，创作于2023年2月简述纵观我国历史，劳动人民在土木工程材料的生产和使用方面，曾经取得重大的成就。在金属冶炼、木材防腐和陶瓷工艺等方面，都曾居世界领先地位。我国历代许多有名的建筑物如万里长城、都江堰水利工程、明故宫和一些宏伟壮观的寺庙、楼阁、塔等都说明当时我国土木工程材料特别是天然石料、砖瓦、木材、油漆和粘结材料的生产和应用技术都达到了很高的水平。每当出现新的建筑材料时，土木工程就有飞跃式的发展。土木工程的三次飞跃发展是砖瓦的出现、钢材的大量运用、混凝土的兴起。第2页，课件共31页，创作于2023年2月任何土木工程建（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统称为土木工程材料。材料的品种很多，一般分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括黑色金属（钢、铁）与有色金属；而非金属材料，按其化学成分，则有无机（矿物质）与有机之别。材料也可按功能分类，一般分为结构材料（承受荷载作用的材料，如基础、柱、梁所用的材料）和功能材料（具有其它功能的材料，如起围护作用的材料；起防水作用的材料；起装饰作用的材料；起保温隔热作用的材料等）。材料还可按用途分类，如建筑结构材料；桥梁结构材料；水工结构材料；路面结构材料；建筑墙体材料；建筑装饰材料；建筑防水材料；建筑保温材料等。工程上通常还按材料的化学成分将材料分为三大类，如表。简述第3页，课件共31页，创作于2023年2月材料的分类无机材料金属材料黑色金属（铁、钢、不锈钢等）有色金属（铝、铜及合金等）非金属材料天然石材（砂、石及各种岩石加工成的石材）烧土制品及熔融制品（砖、瓦、玻璃）胶凝材料（石灰、石膏、水玻璃、水泥）混凝土及硅酸盐制品（混凝土、砂浆等）有机材料植物材料沥青材料高分子材料木材、竹材等石油沥青、煤沥青及其制品塑料、涂料、胶粘剂复合材料无机非金属材料与有机材料复合（玻璃纤维增强塑料、沥青混合物等）金属材料与无机非金属材料复合（钢材混凝土、夹丝玻璃等）金属材料与有机材料复合（轻质金属夹芯板）第4页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质材料是构成土木工程建筑物的物质基础。直接关系建筑物的安全性、功能性以及使用寿命和经济成本。一般来说，材料的性质可分为四个方面：(1)物理性质包括表示材料物理状态特征及与各种物理过程有关的性质。(2)力学性质指材料在应力作用下,有关抵抗破坏和变形的能力的性质。(3)耐久性指材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力。第5页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质(1)材料的物理性质一.材料密度与孔隙率1.实际密度密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的干质量。计算公式：ρ=m/v其中：材料在绝对密实的状态下的体积用V表示第6页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质2.表观密度（视密度）指材料包括闭口孔隙条件下单位体积的干质量，下式计算：ρo=m/V'其中：材料自然状态下的体积用V'表示:V'=V+闭口孔隙体积3.体积密度（容重）是指材料在自然状态下单位体积所具有的干质量，下式计算ρo=m/VoVo=V+闭口孔隙体积+开口空隙体积第7页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质4.堆积密度指砂、石等散粒材料在自然堆积状态下，单位体积的质量。计算公式：ρo'=m/Vo'其中：材料在自然堆积状态下的体积Vo'=V+V孔（开口孔隙体积+闭口孔隙体积）+V空（颗粒间的孔隙体积）。第8页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质

4.材料的密实度和孔隙率密实度是指材料体积内固体物质填充的程度。密实度的计算式如下：密实度D反映材料的密实程度，D值越大材料越密实。孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。孔隙率计算式如下：材料的孔隙率与密实度有关，两者之和D+P=1。完全密实的材料，孔隙率P=0，密实度D=1.材料的许多性质，如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性都与孔隙率及孔隙特征有关。第9页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质二.材料与水有关的性质1.亲水性和憎水性

亲水性：如果材料表面可以被水湿润或侵润，这种性质称为亲水性。具备这种性质的材料称为亲水性材料（如，砖、木材等等）。憎水性：如果材料表面不能被水湿润或侵润，这种性质称为憎水性。具备这种性质的材料称为憎水性材料（如，沥青，石蜡等等）。2.吸湿性和含水率

吸湿性：材料在潮湿的空气中吸收水分的性质称为吸湿性，吸湿性用含水率表示：式中

Wh——材料含水率（%）

ms——材料吸湿状态下的质量；

mg——材料干燥状态下的质量。

第10页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质3.吸水性和吸水率：

吸水性：材料与水接触吸收水分的性质，称为吸水性。吸水性用吸水率表示，此时又分质量吸水率和体积吸水率两种。

质量吸水率——材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时重量的百分率。计算式如下：

体积吸水率——材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥状态时体积的百分率，计算式如下：式中Wm——材料的质量吸水率（%）mb——材料吸水饱和时的质量（g）mg——材料在干燥状态下的质量（g）第11页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质4.耐水性和软化系数：耐水性：指材料长期在水的作用下不被破坏、强度不明显的下降的性质，材料的耐水性用软化系数表示，计算式如下：·式中：K——材料的软化系数f1——材料在饱和吸水状态下的抗压强度（MPa）

f——材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）

5.抗渗性和抗渗等级：抗渗性：指材料抵抗压力水渗透的性质，抗渗性用渗透系数表示，也可以用抗渗等级表示。三.材料的热工性质；热工性质包括材料的导热性、耐燃性和热变形性。第12页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质（2）材料的力学性质一、材料的受力变形

材料受外力作用，其内部会产生一种用来抵抗外力作用的内力，同时伴随材料的变形，根据变形特点，可分为：弹性变形：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种能够完全恢复的变形称为弹性变形。塑性变形：若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性，此种不可恢复的变形称为塑性变形。二、材料的强度材料在外力（即荷载）的作用下抵抗破坏的能力，称为强度。分类：抗拉强度抗压强度抗弯拉强度抗剪强度影响因素：结构、试件的形状、尺寸、加荷速度、试件表面状况、含水情况、环境温度等等。第13页，课件共31页，创作于2023年2月2.1土木工程材料的基本性质三、脆性和韧性脆性：材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质，称为脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。韧性（冲击韧性）：材料在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质。（3）材料的耐久性材料的耐久性是指在长期使用过程中，材料能抵抗坏境破坏作用，并保持原有性质不变、不破坏的一项综合性质。由于环境作用因素复杂，耐久性也难以用一个参数来衡量。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、抗老化性、抗碳化性等性质。第14页，课件共31页，创作于2023年2月2.2常用土木工程材料简介

一、钢材（一）、概述土木工程中应用量最大的金属材料是钢材，它广泛应用于铁路、桥梁、建筑工程等各种结构工程中，在国民经济建设中发挥着重要作用。土木工程用的钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢等）、钢板、管材和用于钢材混凝土中的各种钢材、钢丝等。钢材是在严格的技术控制条件下生产的，品质均匀致密，抗拉、抗压、抗弯、抗剪切强度都很高。常温下能承受较大的冲击和振动荷载，有一定的塑性和很好的韧性。钢材具有良好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割，便于装配。还可以通过热处理方法，在很大范围内改变或控制钢材的性能。（二）钢材的分类土木工程中使用的钢材，其材质包括普通碳素钢和普通低合金钢两大类。（三）加工形式1.冷加工（a）冷拉为了提高强度以节约钢材，工程中常按施工规程对钢材进行冷拉。冷拉后钢材的强度提高，但塑性、韧性变差，因此，冷拉钢材不宜用于受冲击或重复荷载作用的结构。第15页，课件共31页，创作于2023年2月（b）冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝是用6.5mm～8mm的碳素结构钢通过拔丝机进行多次强力拉拔而成。冷拔低碳钢丝由于经过反复拉拔强化，强度大为提高，但塑性显著降低，脆性随之增加，已属硬钢类钢材。（c）冷轧使低碳素钢丝通过硬质轧辊，在钢丝表面轧制成扎痕呈一定规律分布的钢筋的加工工艺。钢丝经过冷拔和冷轧处理后，其强度、硬度明显提高，但塑性、任性明显降低

2、热处理钢材热处理钢材是用热轧螺纹钢材经淬火和回火的调质处理而成的，公称直径分别为6mm、8mm、2mm和10mm；其强度要求均为屈服点不低于1,325MPa，抗拉强度不低于1,470MPa；其伸长率要求均不低于6％。热处理钢材目前主要用于预应力混凝土。（三）、采用各种型钢和钢板制做的钢结构，具有自重小、强度高的特点。钢材与混凝土组成的钢材混凝土结构，虽然自重大，但节省钢材。由于混凝土的保护作用，克服了钢材易锈蚀、维护费用高的缺点。（四）、根据土木工程中采用钢材的不同类型，可以考虑钢材连接方式。型钢和钢板的连接方式主要有焊接连接、柳钉连接、螺栓连接三种方式。钢筋的连接方式有绑扎连接、焊接连接和机械连接。

2.2常用土木工程材料简介

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二、混凝土

1、混凝土的定义

混凝土也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，使其使用范围出十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。广义的混泥土是由胶结材料，骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。

普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、细骨料（砂）和水拌合，经硬化而成的一种人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收缩；水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚实的整体。2、混凝土的种类混凝土的种类很多。按胶凝材料不同，分水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混凝土等；按表观密度不同，分重混凝土、普通混凝土、轻混凝土；按使用功能不同，分结构用混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土及防辐射混凝土等；按施工工艺不同，又分喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浆混凝土等。2.2常用土木工程材料简介

第17页，课件共31页，创作于2023年2月3、混凝土的作用和特点1、原材料丰富、成本低，砂石等材料占80%以上，可以就地取材价格便宜2、利用模板的可浇筑成任意形状、尺寸的或整体结构3、抗压强度较高，并可根据需要配制不同强度的混凝土4、与钢筋有牢固的黏结力，可形成钢筋混凝土结构5、具有良好的耐久性。4、混凝土的材料组成及要求（1）、水泥水泥是粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性浆体，能在空气中和水中凝结硬，可将其它材料胶结成整，并形成坚硬石材的材料。水泥不但大量应用于土木工程，还广泛用于工业、农业和国防体建设等工程。水泥品种有5大类：硅酸盐水泥、普通硅酸水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和火山岩硅酸盐水泥。

2.2常用土木工程材料简介

第18页，课件共31页，创作于2023年2月（2）砂砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程的大宗材料。砂一般分为天然砂和人工砂两类。由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成的，粒径在5mm以下的岩石颗粒，称为天然砂。人工砂是由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉状物多，一般不用。砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度。通常有粗砂、中砂、细砂之分。砂的颗粒级配是指砂子大小颗粒的搭配比例。骨料颗粒级配示意图(a)单一颗粒(b)两种粒径(c)多种粒径如图可以看出，如果是同样粗细的砂，空隙最大[图（a）]，两种粒径的砂搭配起来，空隙有所减小[图（b）]，三种粒径的砂搭配，空隙更小[图（c）]。由此可见，砂子的空隙率取决于砂料各级粒径的搭配程度。级配好的砂子，不仅可以节省水泥，还提高了混凝土和砂浆的密实度及强度。砂的粗细用细度模数Ｍx表示。细度模数越大，表示砂越粗。根据细度模数大小范围，把砂划分为粗砂、中砂、细砂、特细砂。第19页，课件共31页，创作于2023年2月

2.2常用土木工程材料简介

（3）石子（粗骨料）在混凝土组成材料中，砂称为细骨料，石子称为粗骨料，石子除用作混凝土粗骨粒外，路桥工程、铁道工程的路基道渣等也常用。石子分碎石和卵石，由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得到的粒径大于5mm的岩石颗粒，称为碎石或碎卵石。岩石由于自然条件作用而形成的，粒径大于5mm的颗粒，称为卵石。（4）混凝土拌和及养护用水拌和及养护混凝土的用水，不得含有影响混凝土凝结与硬化的有害物质，如油脂等；不得含有有损混凝土强度发展及耐久性的因素；不得加快钢筋锈蚀，不引起预应力钢筋脆断，如海水中含有硫酸盐等，对水泥有侵蚀作用，对钢筋也会产生锈蚀，故一般不得用海水拌制混凝土。一般凡能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制和养护混凝土。（5）外加剂混凝土外加剂是指在拌制混凝土过程中掺入的用以改善混凝土性能的物质，除特殊情况外，其掺量不大于水泥重量的5%。常用的外加剂有减水剂、引气剂、早强剂、缓凝剂等等。第20页，课件共31页，创作于2023年2月5、水泥混凝土的主要技术性质混凝土的性质包括混凝土拌合物的和易性、混凝土强度、变形及耐久性等。和易性又称工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工条件下，便于各种施工工序的操作，以保证获得均匀密实的混凝土的性能。和易性是一项综合技术指标，包括流动性（稠度）、粘聚性和保水性三个主要方面。强度是混凝土硬化后的主要力学性能，反映混凝土抵抗荷载的量化能力。混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度。其中以抗压强度最大，抗拉强度最小。混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。非荷载作用下的变形有化学收缩、干湿变形及温度变形等。水泥用量过多，在混凝土的内部易产生化学收缩而引起微细裂缝。混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力。包括混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。2.2常用土木工程材料简介

第21页，课件共31页，创作于2023年2月三、砌体1、砌墙砖砖是一种常用的砌筑材料。砖瓦的生产和使用在我国历史悠久，有“秦砖汉瓦”之称。制砖的原料容易取得，生产工艺比较简单，价格低、体积小便于组合，粘土砖还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点。所以至今仍然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中。但是由于生产传统粘土砖毁田取土量大、能耗高、砖自重大，施工生产中劳动强度高、工效低，因此有逐步改革并用新型材料取代的必要。有的城市已禁止在建筑物中使用粘土砖。砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖；按所用原材料分为粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等；按有无孔洞分为空心砖、多孔砖和实心砖。除粘土外，也可利用粉煤灰、煤矸石和页岩等为原料烧制砖，这是由于它们的化学成分与粘土相近，但因其颗粒细度不及粘土，故塑性差，制砖时常需掺入一定量的粘土，以增加可塑性。

利用煤矸石和粉煤灰等工业废渣烧砖，不仅可以减少环境污染，节约大片良田粘土，而且可以节省大量燃料煤。显然，这是三废利用、变废为宝的有效途径。近年来国内外都在研制非烧结砖。如非烧结粘土砖是利用不适合种田的山泥、废土、砂等，加入少量水泥或石灰作固结剂及微量外加剂和适量水混合搅拌压制成型，自然养护或蒸养一定时间即成。2.2常用土木工程材料简介

第22页，课件共31页，创作于2023年2月2、强用砌块砌块是利用混凝土，工业废料（炉渣，粉煤灰等）或地方材料制成的人造块材，砌块是砌筑用的人造块材，是一种新型墙体材料，外形多为直角六面体，也有各种异型体砌块。砌块系列中主要规格的长度、宽度、或高度有一项或一项以上分别超过365mm、240mm或115mm，但砌块高度一般不大于长度或宽度的6倍，长度不超过高度的3倍。根据材料不同，常用的砌块有普通混凝土与装饰混凝土小型空心砌块、轻集料混凝土小型空心砌块、粉煤灰小型空心砌块、蒸压加气混凝土砌块、免蒸加气混凝土砌块（又称环保轻质混凝土砌块）和石膏砌块。吸水率较大的砌块不能用于长期浸水、经常受干湿交替或冻融循环的建筑部位。

2.2常用土木工程材料简介

第23页，课件共31页，创作于2023年2月四、木材木材是一种古老的工程材料。由于具有一些独特的优点，在出现众多新型土木工程材料的今天，木材仍在工程中占有重要地位，特别在装饰领域。木材具有很多优点，如轻质高强；易于加工（如锯、刨、钻等）；有较高的弹性和韧性；能承受冲击和振动作用；导电和导热性能低；木纹美丽；装饰性好等。但木材也有缺点，如构造不均匀，各向异性；易吸湿、吸水，因而产生较大的湿胀、干缩变形；易燃、易腐等。不过，这些缺陷经加工和处理后，可得到很大程度的改善。木材的分类木材是由树木加工而成的，树木分为针叶树和阔叶树两大类。针叶树树干通直而高大，易得大材，纹理平顺，材质均匀，木质较软而易于加工，故又称软木材。常用树种有松、杉、柏等。阔叶树树干通直部分一般较短，材质较硬，较难加工，故又名硬木材。常用树种有榆木、水曲柳、柞木等。2.2常用土木工程材料简介

第24页，课件共31页，创作于2023年2月木材的构造树木可分为树皮、木质部和髓心三个部分。而木材主要使用木质部。木质部的构造特征如下：1．边材、心材在木质部中，靠近髓心的部分颜色较深，称为心材。心材含水量较少，不易翘曲变形，抗蚀性较强；外面部分颜色较浅，称为边材。边材含水量高，易干燥，也易被湿润，所以容易翘曲变形，抗蚀性也不如心材。2．年轮、春材、夏材横切面上可以看到深浅相间的同心圆，称为年轮。年轮中浅色部分是树木在春季生长的，由于生长快，细胞大而排列疏松，细胞壁较薄，颜色较浅，称为春材（早材）；深色部分是树木在夏季生长的，由于生长迟绶，细胞小，细胞壁较厚，组织紧密坚实，颜色较深，称为夏材（晚材）。每一年轮内就是树木一年的生长部分。年轮中夏材所占的比例越大，木材的强度越高。3．髓心、髓线第一年轮组成的初生木质部分称为髓心（树心）。从髓心成放射状横穿过年轮的条纹，称为髓线。髓心材质松软，强度低，易腐朽开裂。髓线与周围细胞联结软弱，在干燥过程中，木材易沿髓线开裂。2.2常用土木工程材料简介

第25页，课件共31页，创作于2023年2月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。木材各种强度的关系见表。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）。2.2常用土木工程材料简介

树木的年轮

第26页，课件共31页，创作于2023年2月五、砂浆1、砌筑砂浆砂浆是由胶凝材料、细骨料和水等材料按适当比例配制而成的。砂浆与混凝土的区别在于不含粗骨料，可认为砂浆是混凝土的一种特例，也可称为细骨料混凝土。砂浆常用的胶凝材料有水泥、石灰、石膏。按胶凝材料不同砂浆又可分为水泥砂浆、石灰砂浆和混合砂浆。混合砂浆有水泥石灰砂浆、水泥粘土砂浆和石灰粘土砂浆等。用于砖石砌体的砂浆称为砌筑砂浆。它起着传递荷载的作用，因此是砌体的重要组成部分。普通水泥、矿渣水泥、火山灰质水泥等常用品种的水泥都可以用来配制砌筑砂浆。有时为改善砂浆的和易性和节约水泥还常在砂浆中掺入适量的石灰或粘土膏浆而制成混合砂浆。新拌的砂浆主要要求具有良好的和易性。和易性良好的砂浆容易在粗糙的砖石底石面上铺设成均匀的薄层，而且能够和底面紧密粘结。砂浆和易性包括流动性和保水性两个方面。2.2常用土木工程材料简介

第27页，课件共31页，创作于2023年2月硬化后的砂浆则应具有所需的强度和对底面的粘结力，而且其变形性不能过大。根据砂浆的抗压强度划分的若干等级，称为砂浆的强度，并以“M”和应保证的抗压强度值（MPa）表示，其强度等级分别为M2.5、M5.0、M7.5、M10、M15、M20。影响砂浆强度的因素有材料性质、配比、施工质量等，此外还受被粘结块体材料的表面吸水性影响。

2.2常用土木工程材料简介

第28页，课件共31页，创作于2023年2月2、抹面砂浆凡涂抹在建筑物或土木工程构件表面的砂浆，可统称为抹面砂浆。根据抹面砂浆功能的不同，一般可将抹面砂浆分为普通抹面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆和具有某些特殊功能的抹面砂浆（如绝热、耐酸、防射线砂浆）等。（1）.普通抹面砂浆普通抹面砂浆的功能是保护结构主体免遭各种侵害，提高结构的耐久性，改善结构的