土木工程概论 第2版 课件 任建喜 1绪论、2土木工程材料

第1章绪论

1.1土木工程的概念

1.2土木工程的历史与发展

1.3土木工程专业规范

1.4注册师制度1.1土木工程和土木工程专业1.土木工程概念土木工程是指建造各类工程设施的科学、技术和工程的总称。土木工程的含义可从两方面去理解：一层含义是指与人类生活、生产活动有关的各类工程设施；建筑工程道路工程铁路工程桥梁工程隧道工程土木工程另一层含义是指为了建造工程设施应用材料、工程设备在土地上所进行的勘察、设计、施工等工程技术活动。2.土木工程具有四个基本属性⑴

社会性随社会不同历史时期的科学技术和管理水平而发展。⑵综合性土木工程是运用多种工程技术，进行勘测、设计施工工作的成果。⑶实践性由于影响土木工程的因素错综复杂，使土木工程对实践的依赖性很强。⑷技术、经济和艺术的统一性土木工程是为人类需要服务的，它必然是每个历史时期技术、经济、艺术统一的见证。1.2.1古代土木工程时间跨度长。大致从新石器时代（约公元前5000年起开始至17世纪中叶)。具有代表性的工程有：我国黄河流域的仰韶文化（约公元前5000-3000）遗址。埃及帝王陵墓建筑群—吉萨金字塔群。1.2土木工程发展历史简述建于公元前2700-2600年，其中以古王国第四王朝法老胡夫的金字塔最大。塔基呈方形，边长约230.5m,高约146m，用230余万块巨石砌成。最早修筑长城的是楚国，称为“方城”。公元前214年，由秦始皇扩建完成。随后，各朝代都进行过修筑、扩建。其中以明代修筑规模最大，工程技术水平也最高。通常称的明长城为东起山海关，西到嘉峪关。北京故宫太和殿。建于明永乐18年，(1420年)是故宫最壮观的建筑，也是我国现存最大的木构殿堂。

赵州桥隋代赵州安济桥，又称赵州桥。桥为敞肩圆弧石拱，拱券并列28道，净跨37.02米，矢高7.23米，上狭下宽总宽9米。主拱券等厚1.03米，主拱券上有护拱石。在主拱券上两侧，各开两个净跨分别为3.8米和2.85米的小拱，以泻泄洪水，减轻自重,桥面呈弧形。桥始建于隋开皇十五年(公元595年），完工于隋大业元年(公元605年），距今已有1406年。

山西应县木塔，建于公元1056年，塔高67.3m，八角形，底层直径30.27m。该塔共9层，是我国保存至今的唯一木塔，也是现存的最高的木结构之一。它虽经多次大地震仍完整无损，足以证明我国历史上木结构的辉煌成就。巴黎圣母院建于1163-1250年，是法国早期哥特建筑的典型。平面宽约47m，长约125m，可容近万人。圣坛上部的尖塔高达90m。正面是一对高60余米的塔楼，下部有三个尖卷门洞。科隆大教堂是欧洲北部最大的哥特式教堂，始建于13世纪中叶。在德国科隆。平面呈拉丁十字形，长136.5m，宽45.7m，东端为7个小圆龛组成的半圆形卷廊，西立面有一对八角形塔楼，建于1842-1880年，高达150多米。1.2.2近代土木工程近代土木工程的时间跨度为从17世纪中叶至20世纪中叶的300年间。主要特征是：力学和结构理论作指导砖、瓦、木、石等建筑材料广泛使用；混凝土、钢材、钢筋砼以及早期的预应力砼得到发展。施工技术进步很大该历史时期，土木工程在理论、材料、施工领域出现的具有重大意义大事有：意大利科学家伽利略在1638年出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中论述了建筑材料的力学性质和梁的强度，首先用公式表达了梁的设计理论。英国科学家牛顿在1687年总结了力学三大定律，它们是土木工程设计理论的基础。瑞士数学家欧拉在1744年出版的《曲线的变分法》建立了柱压屈理论，为分析土木工程结构物稳定问题奠定了基础。1825年纳维建立了土木工程中结构设计的容许应力法；19世纪末里特尔等人提出了极限平衡的概念。这为土木工程的结构理论分析打下了基础。1824年英国人阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开始生产。20世纪初，有人发表了水灰比等学说，才初步奠定了混凝土强度的理论基础。1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法，使钢材得以大量生产，并广泛应用于土木工程。1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制成花盆，并推广到工程中，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋砼的开端。1875年，他主持建造了第一座长16m的钢筋砼桥。1886年美国人杰克逊首先应用预应力混凝土制作建筑配件，后又制作楼板。1930年法国工程师弗涅希内将高强度钢丝用于混凝土。土木工程在铁路、公路、桥梁建设中得到了大规模发展；

1825年在英国人斯蒂芬森在英格兰北部斯托克顿和达灵顿之间修筑了世界第一条长21km的铁路，1863年在伦敦又建造了世界第一条地下铁道。伦敦塔桥1931-1942年，德国率先修筑了长达3860km的高速公路网。1906年美国旧金山大地震，1923年日本关东大地震，这些自然灾害推动了结构动力学和工程抗震技术的发展。1.2.3现代土木工程时间跨度为20世纪中叶第二次世界大战结束后至今。其特点表现为：(1)土木工程功能化即土木工程日益同它的使用功能或生产工艺紧密结合。公共和住宅建筑物要求建筑、结构、给水排水、采暖、通风、供燃气、供电等现代技术设备结合成整体。巴西国会大厦。建于1957-1959巴西首都巴伐里亚。由国会上下议院、办公楼和各部分厅室、服务房间等组成。建筑造型讲究构图形式，体型简洁而对比强烈。蓬皮杜国家艺术和文化中心-综合性文化建筑。建于1972~1977年。特点：建筑外观、结构、设备均暴露。沿街立面满是彩色管道。(2)城市建设立体化

20世纪中叶以来，城市建设有三个趋向：高层建筑的大量兴起由于城市人口大量积聚，密度猛增，用房紧张，地价昂贵，建筑物向空间发展。美国的高层建筑最多，高度在160-200m的就有100多幢。近10年来，我国、马来西亚、新加坡等东南亚国家的高层建筑有很大发展。地下工程高速发展。如地下铁道、商业街、停车库、体育馆、影剧院、工业厂房、地下仓库等。城市高架公路、立交桥大量涌现。(3)交通运输高速化高速公路的大规模修建。据统计，至1993年底，全世界有50多个国家和地区拥有高速公路，其中有近20个国家和地区拥有1000km以上。铁路电气化的形成和大量发展南昆电气化铁路

1964年10月世界铁路运营史第一高速在日本诞生，时速为210km。1994年12月22日，我国第一条准高速铁路-广深高速铁路建成通车，时速为160km。规划中的我国第一条高速铁路-京沪高速铁路，全长约1300km，实施全封闭、全立交，为客运专线，设计时速为300km。长距离的海底隧道的出现如日本越过津轻海峡连接本州（青森）与北海道（函馆）的青函海底隧道长达53.85km，是世界最长的海底隧道。1990年贯通的英法海峡隧道长50.5km。土木工程的功能化、城市建设的立体化、交通运输的高速化必然使得构成土木工程的三个要素：材料、施工、理论出现了新的发展趋势：(4)建筑材料的轻质高强化发展迅速的是普通混凝土向轻骨料混凝土、加气混凝土和高性能混凝土方向发展。抗压强度由20-40Mpa提高到60-100Mpa。一批轻质高强材料如铝合金、建筑塑料、玻璃钢也得到迅速发展；同时也要重视环保节能材料的研究和发展。(5)施工过程中的工业化、装配化(6)设计理论的精确化、科学化主要表现在理论分析由线形到非线形分析；由平面分析到空间分析；由单个到系统的综合整体分析；由静态到动态分析；由经验定值分析到随机分析；由数值分析到模拟实验分析；由人工手算、人工做比较方案、人工制图到计算机辅助设计、计算机优化设计、计算机制图等。1.2.4土木工程的发展趋势日本拟建的SKYCITY1.重大工程项目将陆续兴建2.土木工程将向太空、海洋、荒漠开拓

在建设与使用土木工程中与能源消耗，资源利用，环境保护，生态平衡有密切关系，对贯彻我国的国策-可持续发展原则影响很大。3.土木工程的可持续发展1.3土木工程专业规范1.3.1历史沿格解放前工科学科的设置实行学年学分制，读满四年，大致满130-140分始可毕业，取得（工）学士学位。土木工程没有明确的专业，没有统一的教学计划和教学大纲。1952年后学习原苏联，设立工业与民用建筑专业专攻房屋建筑，道路专业专攻道路，采用学年学时制，即学习四年并满足一定的学时后即可毕业。“文化大革命”后恢复招生，学制改为四年。由于各方面原因，专业划分过细，专业范围过窄，门类之间专业重复设置等问题十分突出。1998年,国家进行了本科目录调整,将建筑工程、交通土建、矿井建设、公路工程等近十个专业合并成为目前的“土木工程专业”。1.3.2特色专业方向办学98年后的土木工程专业教学至少要分为2个特色方向进行教学。目前开设的特色专业方向有：建筑工程、工程管理、岩土工程、地下工程、矿井建设、公路工程、道路与桥梁工程、桥梁工程、交通土建、机场工程、铁路工程、城市地下工程等。2010年住房与城乡建设部土木工程专业规范制定的《土木工程专业规范（建议稿）》建议的土木工程专业三个方向是：建筑工程、道路与桥梁工程、地下工程。1.3.3培养目标适应社会主义现代化建设需要德智体全面发展掌握学科基本理论和基本知识获得土木工程师基本训练具有创新精神的高级工程科学技术人才毕业后能从事土木工程设计、施工与管理工作，有初步工程规划与研究开发能力1.3.4培养规格1.政治思想具有高尚的道德品质和良好的科学素质和人文素养，具有科学的世界观和正确的人生观2.知识结构1）基础知识基础理论+应用理论2）专业知识与技术建筑结构设计理论与方法+土木工程施工技术与管理3）相关知识给排水+暖通+电工+工程机械4）要掌握的技能与工具制图+测量+外语+计算机3.能力结构1)自主学习能力要自主学习、扩大知识面，向老师学、向书本学，善于实践2)综合解决问题能力多数是单科教学，珍惜训练综合解决问题能力的综合训练及毕业设计3)创新进取能力社会进步，经济发展，对人才创新能力的要求日益提高4)协调管理能力现代土木工程需成千上万人共同努力才能完成4.身体素质具有健全的心理和健康的体魄，能够履行建设祖国和保卫祖国的神圣义务。

1.3.5专业教学内容1.土木工程专业知识体系掌握核心知识及其运用方法，具备从事工程的理论分析、设计、规划、建造、维护保养和管理、研究和教学等方面的基础

2.专业教育实践体系各类实验、实习、设计和社会实践以及科研训练等多种领域和形式

3.大学生创新训练知识、能力、素质协调发展，创新思维、创新方法和创新能力培养

1.4注册师制度注册师制度的建立将对学校的专业建设、人才培养规格及能力培养要求等方面产生极大的影响，这主要体现在对学生职业和实践能力的培养方面，这就要求学校在专业的办学思想、专业教学内容、教学方法及实践性教学环节等各个方面，紧紧围绕注册师制度对专业人员的要求而开展教学活动。注册师制度的建立将要求各校通过评估把专业建设向更高水平发展注册师制度，作为一种个人职业资格制度，它要求参加职业注册的专业技术人员必须具备注册师所规定的要求，包括专业教育要求和职业实践要求。我国实施注册建筑师制度的意义实施注册制度是市场经济发展的需要是我国建筑师走向国际的需要是保护国内建筑设计行业发展的需要是深化设计管理体制改革的需要是对外开放和开拓国际设计市场的需要是提高建筑师队伍及个人素质的需要是提高建筑设计质量和水平的需要1.4.1注册结构师

在建筑工程设计中，建筑师虽然起着龙头作用，但结构工程师对工程的质量和安全负有比建筑师更直接、更重大的责任。如果仅实行注册建筑师制度，不推行结构工程师注册制度，将不能有效地保证建筑工程的质量和安全，也给建筑设计单位的内部管理，各专业、各工种的职责分工、协调与配合造成一定的困难。为了与注册建筑师制度相配套，提高工程设计质量，强化结构工程师法律责任，保障公众生命和财产安全，维护国家利益，经建设部、人事部研究决定，我国勘察设计行业实行注册结构工程师执业资格制度。注册结构工程师资格制度纳入专业技术人员执业资格制度，由国家确认批准。

所称注册结构工程师，是指取得中华人民共和国注册结构工程师执业资格证书和注册证书，从事房屋结构、桥梁结构及塔架结构等工程设计及相关业务的专业技术人员。

注册结构工程师分为一级注册结构工程师和二级注册结构工程师。

注册结构工程师的执业范围：

（一）结构工程设计；

（二）结构工程设计技术咨询；

（三）建筑物、构筑物、工程设施等调查和鉴定；

（四）对本人主持设计的项目进行施工指导和监督；

（五）建设部和国务院有关部门规定的其他业务

一级注册结构工程师的执业范围不受工程规模及工程复杂程度的限制。注册结构工程师执行业务，应当加入一个勘察设计单位。因结构设计质量造成的经济损失，由勘察设计单位承担赔偿责任；勘察设计单位有权向签字的注册结构工程师追偿。

结构师注册考试分为基础课（闭卷）、专业课（开卷）执业注册建筑师在高等教育阶段的所对应的主要专业是土木工程。1.4.2注册建造师

2002年12月5日，人事部、建设部联合印发了《建造师执业资格制度暂行规定》（人发[2002]111号），这标志着我国建立建造师执业资格制度的工作正式建立。该《规定》明确规定，我国的建造师是指从事建设工程项目总承包和施工管理关键岗位的专业技术人员

建造师是以专业技术为依托、以工程项目管理为主业的执业注册人员，近期以施工管理为主。建造师是懂管理、懂技术、懂经济、懂法规，综合素质较高的复合型人员，既要有理论水平，也要有丰富的实践经验和较强的组织能力。建造师注册受聘后，可以建造师的名义担任建设工程项目施工的项目经理、从事其他施工活动的管理、从事法律、行政法规或国务院建设行政主管部门规定的其他业务一级建造师执业资格考试设《建设工程经济》、《建设工程法规及相关知识》、《建设工程项目管理》和《专业工程管理与实务》4个科目。《专业工程管理与实务》科目分为：房屋建筑、公路、铁路、民航机场、港口与航道、水利水电、电力、矿山、冶炼、石油化工、市政公用、通信与广电、机电安装和装饰装修14个专业类别，考生在报名时可根据实际工作需要选择其一建筑师的执业范围：

(一)担任建设工程项目施工的项目经理。

(二)从事其他施工活动的管理工作。

(三)法律、行政法规或国务院建设行政主管部门规定的其他业务。执业注册建造师在高等教育阶段的所对应的专业根据考试的14个专业有差别。对有土木工程专业教育的技术人员一般以房屋建筑、公路、铁路、民航机场、港口与航道、水利水电、市政公用和装饰装修等专业类别为主1.4.3注册监理工程师全国监理工程师执业资格考试是由人事部与建设部共同组织的全国统一的执业资格考试，考试分4个科目，考试采用闭卷形式。《工程建设监理案例分析》科目为主观题，《工程建设合同管理》、《工程建设质量、投资、进度控制》、《工程建设监理基本理论和相关法规》3个科目均为客观题。

参加全部4个科目考试的人员，必须在连续两个考试年度内通过全部科目考试；符合免试部分科目考试的人员，必须在一个考试年度内通过规定的两个科目的考试，方可取得监理工程师执业资格证书。取得执业资格证书后需到相关部门注册才能正式执业。和其他执业资格不同的是，注册监理工程师除了要求执业年限外，对职称也有要求。1.4.4造价工程师

考试内容：(1)工程造价管理相关知识;(2)工程造价的确定与控制;(3)建设工程技术与计量(土建或安装,考生可根据工作实际选择其一);(4)工程造价案例分析。所称造价工程师，是指经全国造价工程师执业资格统一考试合格，并注册取得《造价工程师注册证》，从事建设工程造价活动的人员。造价工程师执业范围包括：（一）建设项目投资估算的编制、审核及项目经济评价；（二）工程概算、工程预算、工程结算、竣工决算、工程招标标底价、投标报价的编制、审核；（三）工程变更及合同价款的调整和索赔费用的计算；（四）建设项目各阶段的工程造价控制；（五）工程经济纠纷的鉴定；（六）工程造价计价依据的编制、审核；（七）与工程造价业务有关的其他事项。1.4.5注册土木工程师(岩土)

注册土木工程师（岩土），是指取得《中华人民共和国注册土木工程师（岩土）执业资格证书》和《中华人民共和国注册土木工程师（岩土）执业资格注册证书》，从事岩土工程工作的专业技术人员。注册考试分为基础和专业考试。参加基础考试合格并按规定完成职业实践年限者，方能报名参加专业考试。注册土木工程师（岩土）的执业范围：（一）岩土工程勘察；（二）岩土工程设计；（三）岩土工程咨询与监理；（四）岩土工程治理、检测与监测；（五）环境岩土工程和与岩土工程有关的水文地质工程业务；（六）国务院有关部门规定的其他业务。

注册土木工程师(岩土)执业资格证书实行定期注册登记制度。资格证书持有者应按有关规定到北京市规划委员会或其指定的机构办理注册登记手续。1.4.6注册土木工程师(港口与航道工程)

国家对从事港口与航道工程设计活动的专业技术人员实行执业资格制度，纳入全国专业技术人员执业资格制度统一规划。适用于从事港口与航道工程（包括港口工程、航道工程、通航建筑工程、修造船厂水工工程等）设计及相关业务的专业技术人员。

所称注册土木工程师（港口与航道工程），是指取得《中华人民共和国注册土木工程师（港口与航道工程）执业资格证书》和《中华人民共和国注册土木工程师（港口与航道工程）执业资格注册证书》，从事港口与航道工程设计及相关业务的专业技术人员。

注册土木工程师（港口与航道工程）的执业范围：

（一）港口与航道工程设计；

（二）港口与航道工程技术咨询；

（三）港口与航道工程的技术调查和鉴定；

（四）港口与航道工程的项目管理业务；

（五）对本专业设计项目的施工进行指导和监督；

（六）国务院有关部门规定的其他业务。第2章土木工程材料2.1概述土木工程中所使用的各种材料及其制品统称为土木工程材料，它是一切土木工程的物质基础，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而成的，正确选择和合理使用土木工程材料，对土木工程建（构）筑物的安全、实用、美观、耐久及造价有着重大的意义。1、分类：土木工程材料的品种很多，一般分为金属材料和非金属材料两大类。材料也可按功能分类，工程上通常根据材料组成物质的种类及化学成分将材料分为三大类，如表2-1所示。2、发展：土木工程材料是随着人类社会生产力和科学技术水平的提高而逐步发展起来的。古代：金属冶炼、陶瓷工艺、天然石料、砖瓦、木材、油漆和粘结材料近代：钢材的大量运用、水泥混凝土的兴起

现代：原材料—充分利用再生资源和工业废料

生产工艺—降低能耗和环境污染

产品性能—轻质、高强、耐久、绿色及多功能

产品形式—预制技术，构件化，单元化无机材料金属材料黑色金属（铁、钢）、有色金属（铝、铜及其合金等）非金属材料天然石材（砂、石及各种石材制品），烧土制品（砖、瓦、陶瓷、玻璃），胶凝材料（石灰、石膏、水玻璃、水泥），混凝土、砂浆及硅酸盐制品有机材料植物材料木材、竹材等沥青材料石油沥青、煤沥青及其制品高分子材料塑料、涂料、胶粘剂、合成橡胶等复合材料钢筋混凝土、聚合物混凝土、玻璃钢、纸面或纤维石膏板等表2-1土木工程材料的分类(a)古塔(b)万里长城(c)现代高层建筑图2-1典型古代与现代建筑2.2土木工程材料的基本性质参数土木工程建（构）筑物使用的各种材料要受到各种不同的作用，从而要求材料具有相应的不同性质。用于各种承力结构中的材料，要受到各种外力的作用；长期暴露于大气中或与侵蚀介质相接触的建（构）筑物中的材料，还会受到冲刷、磨损、化学侵蚀、生物作用、干湿循环、冻融循环等破坏作用。为了保证建（构）筑物能经久耐用，要求设计人员必须掌握材料的基本性质，并能合理的选用和使用材料。

2.2.1材料的基本物理性质材料的基本物理性质是表示材料物理状态特征的指标，

1、材料的密度、表观密度和堆积密度

2、材料的孔隙率和空隙率3、材料的亲水性和憎水性4、材料的吸湿性和吸水性

5、材料的耐水性6、材料的抗渗性和抗冻性

7、材料的导热性、热容量和耐燃性2.2.2材料的基本力学性质材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。根据变形的特点，分为弹性变形和塑性变形。材料的破坏指当外力超过材料的承受极限时，材料出现断裂等丧失使用功能的变化。根据破坏形式的不同，材料可分为脆性材料和韧性材料。

1．强度

2、弹性与塑3、韧性与脆性4、硬度图2-2材料的受力形式(ａ)抗压(ｂ)抗拉(ｃ)抗折(ｄ)抗剪2.2.3材料的耐久性与环境协调性土木工程材料的发展方向要求除具有良好的使用性能外，还须具有良好的环境协调性能，即具有好的耐久性、低的环境负荷值和高的可循环再生率，强调环保绿色建材。1、材料的耐久性：材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、不破坏的性质，统称之为耐久性，它是一种复杂的、综合的性质,包括材料的抗冻性、耐热性、大气稳定性和耐腐蚀性等。2、材料的环境协调性：材料的环境协调性是指材料在生产、使用和废弃全寿命周期中要有较低的环境负荷，包括生产中废物的利用、减少三废的产生，使用中减少对环境的污染，废弃时有较高可回收率。

图2-3酸雨腐蚀2.2.4材料的组成、结构、构造及其对性能的影响材料的组成是指材料的化学成分、矿物组成和相组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料的结构和构造是决定材料性质极其重要的因素，可分为宏观组成结构、细观结构和微观结构。1、材料的微观结构及其对材料性质的影响材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。

2、材料的宏观构造及其对性能的影响材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。常见的构造形式有：密实构造、多孔构造、纤维构造、层状构造、散粒构造、纹理构造。(a)碳含量小于0.2%(b)碳含量为0.2%～0.4%图2-4两种钢材的矿物组成2.3天然石材、砖、瓦天然石材、砖、瓦是最基本的建筑材料。无论是在古代，还是在现代的土木工程领域中都处于不可替代的地位。2.3.1天然石材凡采自天然岩石，经过加工或未经加工的石材，统称为天然石材。天然石材是最古老的土木工程材料之一。由于天然石材具有很高的抗压强度，良好的耐磨性和耐久性，经加工后表面美观富于装饰性，资源分布广蕴藏量丰富，便于就地取材，生产成本低等优点，是古今土木工程中修建城垣、桥梁、房屋、道路及水利工程的主要材料。天然石材经加工后具有良好的装饰性，是现代土木工程的主要装饰材料之一。土木工程主要应用的天然石材品种有：毛石、料石、饰面石、色石渣、混凝土用砂、石子等。2.3.2砖砖是一种常用的墙体材料。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（见图2-8）。图2-8各种墙体砖材2.3.3瓦瓦，一般指粘土瓦。中国瓦的生产比砖早，因称“秦砖汉瓦”。中国目前生产的粘土瓦有小青瓦、脊瓦和平瓦等（如图2-9）。粘土瓦只能应用于较大坡度的屋面。由于材质脆、自重大、片小，施工效率低，且需要大量木材等缺点，在现代建筑屋面材料中的比例已逐渐下降。由于建筑工业的发展，对屋面材料也提出了新的发展要求。目前，瓦的种类较多，按成分分，有粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃钢瓦、沥青瓦等；按形状分有平瓦和波形瓦两类。图2-9典型的古代汉瓦2.4无机胶凝材料凡能在物理、化学作用下，从浆体变为坚固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。胶凝材料包括有机胶凝材料与无机胶凝材料。无机胶凝材料按硬化条件不同可分为气硬性和水硬性两类。水硬性胶凝材料：拌和水后既可在空气中硬化亦可于水中硬化，并保持及发展强度。（水泥）气硬性胶凝材料：只能在空气中硬化，并保持和继续发展强度者称为气硬性胶凝材料。（石灰、石膏等）2.4.1石灰石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。

1、石灰的生产及分类将主要成分为碳酸钙的天然岩石，在900℃～1100℃下燃烧，排除分解出的二氧化碳后，所得以CaO为主要成分的产品即为生石灰。工程常用的石灰种类有生石灰粉、消石灰粉、石灰膏。

2、石灰的熟化与硬化

生石灰（CaO）与水反应生成氢氧化钙称为石灰的熟化。石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化两个过程，后者过程缓慢。

3、石灰的性质与技术要求

石灰的性质：可塑性好；硬化较慢、强度低；硬化时体积收缩大；耐水性差；石灰吸湿性强。国家对生石灰、生石灰粉及消石灰粉的主要技术指标有相关的规定。4、石灰的应用石灰在建筑上的用途很广，主要用于制作石灰乳涂料、配制混合砂浆、拌制石灰土和石灰三合土、生产硅酸盐制品等。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。

1、石膏的种类⑴天然二水石膏—（CaSO4·2H2O）矿石是生产石膏胶凝材料的主要原料⑵化工石膏—含有CaSO4·2H2O与CaSO4混合物的化工副产品及废渣⑶天然无水石膏—（CaSO4）结晶紧密，结构比天然二水石膏致密，质地较硬，难溶于水，又称天然硬石膏。一般作为生产水泥的原料。⑷建筑石膏（半水石膏）—是以β半水石膏（β-CaSO4·1/2H2O）为主要成分，其反应式为：

CaSO4·2H2O→β-CaSO4·1/2H2O＋3/2H2O建筑石膏晶体较细，调制成一定稠度的浆体时，需水量较大，因而强度较低。⑸高强石膏—将二水石膏置于具有0.13MPa、124℃的过饱和蒸汽条件下蒸压，或置于某些盐溶液中沸煮，可获得晶粒较粗、较致密的α型半水石膏（α-CaSO4·1/2H2O），高强石膏晶粒粗大，调制成浆体时需水量较小，因而强度较高。2.4.2石膏2、建筑石膏的性质与应用性质：建筑石膏具有良好的可塑性、防火性能、隔热性能、吸音性能、装饰性和可加工性。但强度较低、耐水性能差。用途：建筑石膏的应用很广，除用于室内抹面、粉刷外，更主要的用途是制成各种石膏制品，广泛应用于各种装修装饰工程（如图2-10）。图2-10石膏制品的应用(a)石膏雕塑(b)室内装饰2.4.3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化，可将其它材料胶结成整体，并形成坚硬石材的材料。

1、水泥的分类：水泥按其用途及性能分：通用水泥、专用水泥、特性水泥。水泥按其主要水硬性物质名称分：硅酸盐系水泥（波特兰水泥）、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、氟铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥和以火山灰性或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥。

2、通用水泥：硅酸盐系列水泥。根据活（非）混合材料的种类和比例不同硅酸盐系水泥主要品种有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。

3、特性水泥和专用水泥特性水泥是指某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥；专用水泥是指专门用途的水泥，如道路硅酸盐水泥。（1）快硬硅酸盐水泥：3d抗压强度表示标号，适用于紧急抢修工程、低温施工工程和高标号混凝土预制件等.

（2）快凝快硬硅酸盐水泥：小时强度增长快，主要用于军事工程、机场跑道、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程。（3）白色硅酸盐水泥：根据白度及标号，分为优等品、一等品和合格品。用于建筑物的内外装修工程，（4）高铝水泥：铝酸盐系水泥，是一种快硬、高强、耐热及耐腐蚀的胶凝材料。主要用于国防、道路和特殊抢修工程等，但不宜用于永久性工程。

（5）膨胀水泥：具有膨胀性，按水泥的主要成分不同，分为硅酸盐、铝酸盐和硫铝酸盐型膨胀水泥；按水泥的膨胀值及其用途不同，又分为收缩补偿水泥和自应力水泥两大类。可用于制作大口径输水管和各种输油、输气管，有抗渗要求的工程。要求补偿收缩的混凝土结构、要求早强的工程结构节点浇筑等。（6）中热水泥和低热矿渣水泥：主要特点为水化热低，适用于大坝和大体积混凝土工程（7）道路水泥:由较高铁铝酸钙含量的硅酸盐道路水泥熟料，0％～10％活性混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥。特点是抗裂性能好。

4、水泥的贮存、运输和保管（1）分类贮存：不同品种、不同标号的水泥应分别存放，不可混杂。（2）防潮防水：水泥受潮后即产生水化作用，凝结成块，影响水泥的正常使用。（3）贮存期不宜过长：贮存期过长，由于空气中的水汽、二氧化碳作用而降低水泥强度。一般来说，贮存三个月后的强度约降低10％～20％。所以，通用水泥存放期一般不应超过三个月。快硬水泥、高铝水泥的规定贮存期限更短（分别为一、二个月）。过期水泥，使用时必须经过试验，并按试验重新确定的标号使用。2.5混凝土与砂浆2.5.1混凝土混凝土也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料，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。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

1、混凝土的种类与发展混凝土的种类很多。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；按施工工艺不同分：喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浆混凝土等。为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，人们还将水泥混凝土与其他材料复合，出现了钢筋混凝土，预应力混凝土，各种纤维增强混凝土及聚合物浸渍混凝土等。此外，随着混凝土的发展和工程的需要，还出现了膨胀混凝土，加气混凝土，纤维混凝土等各种特殊功能的混凝土。泵送混凝土，商品混凝土以及新的施工工艺给混凝土施工带来方便。目前，混凝土仍向着轻质、高强、多功能、高效能的方向发展，发展复合材料，不断扩大资源，发展预制混凝土和使混凝土商品化也是今后发展的重要方向。

2、普通混凝土图2-11混凝土织构

(1)组成材料与结构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。其织构如图2-11。

(2)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，包括流动性（稠度）、粘聚性和保水性三个主要方面。强度是反映混凝土抵抗荷载的量化能力。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（化学收缩、干湿变形及温度变形等）和荷载作用下的变形。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。

2.5.2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。按用途分砌筑砂浆、抹面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆和其它特种砂浆等。

1、砌筑砂浆

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。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面上铺设成均匀的薄层，而且能够和底面紧密粘结。

硬化后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。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、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。3、装饰砂浆：涂抹在建筑物内外墙表面，能具有美观装饰效果的抹面砂浆通称为装饰砂浆。要选用具有一定颜色的胶凝材料和骨料以及采用某种特殊的操作工艺，使表面呈现出各种不同的色彩、线条与花纹等装饰效果。4、防水砂浆：制作防水层的砂浆叫做防水砂浆，又叫刚性防水层。5、其它特种砂浆绝热砂浆是采用胶凝材料与膨胀珍珠岩砂，膨胀蛭石或陶粒砂等轻质多孔骨料，按一定比例配制的。绝热砂浆具有质轻和良好的绝热性能。吸声砂浆是由轻质多孔骨料制成。吸声砂浆用于室内墙壁和平顶的吸声。耐酸砂浆是用水玻璃（硅酸钠）与氟硅酸钠拌制而成，防射线砂浆是在水泥浆中掺入重晶石粉，配制成有防x射线能力的砂浆；2.6.1建筑钢材的分类

建筑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、管材和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。建筑钢材大多为普通碳素结构钢、低碳钢和低合金结构钢。2.6建筑钢材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。图2-12各种型钢和钢板制作的钢结构(a)工字钢(b)角钢(c)槽钢(d)钢管(e)钢筋图2-13土木工程常用钢材2.6.2建筑钢材的主要性能

钢材是在严格的技术控制条件下生产的，品质均匀致密，强度高。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。采用各种型钢和钢板制做的钢结构，具有自重小、安全性大的特点，适用于大跨及多层结构。（如图2-12）。钢筋与混凝土组成的钢筋混凝土结构，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。由于各类建筑物、构筑物对在各种复杂条件下的使用功能的要求日益提高，建筑用金属材料的发展趋势：一是以高效钢材为主体的低合金钢将得到进一步的发展和应用；二是随着冶金工业生产技术的发展，建筑钢材将向具有高强、耐腐蚀、耐疲劳、易焊接、高韧性或耐磨等综合性能的方向发展；三是各种焊接材料及其工艺将随低合金钢的发展不断完善和配套。

2.6.3土木工程常用的钢材土木工程钢材可划分为钢结构用材和钢筋混凝土用材两大类1、钢结构用钢材：主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢。2、钢筋混凝土用钢材：按生产工艺性能和用途可分为下列各类。(1)热轧钢筋：钢筋混凝土结构，对热轧钢筋的要求是机械强度较高，具有一定的塑性、韧性、冷弯性和可焊性。分Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ与Ⅳ级钢筋。(2)冷加工钢筋：冷拉后钢筋的强度提高，但塑性、韧性变差。不宜用于受冲击或重复荷载作用的结构。（3）热处理钢筋：热处理钢筋是用热轧螺纹钢筋经淬火和回火的调质处理而成的，其强度大幅度提高，目前主要用于预应力钢筋混凝土。（4）碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线：碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线是预应力混凝土专用钢丝，它们由优质碳素结构钢经过冷加工、热处理、冷轧、绞捻等过程制得。它们的特点是强度高、安全可靠、便于施工。2.7木材木材是古老而永恒的土木工程材料。古代木构建筑在我国历史上创建了千古不朽的功绩。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。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。

2.7.1木材的分类与构造1、分类：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、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。外面部分颜色较浅，称为边材。

(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）。

(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。年轮中夏材所占的比例越大，木材的强度越高。

(图2-14)。图2-14树木的年轮

2.7.2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；强度可分为：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。抗压抗拉抗弯抗剪顺纹横纹顺纹横纹顺纹横纹11/10～1/32～31/20～1/31.5～21/7～1/31/2～1

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）。表2-3木材各种强度的关系2.7.3木材的应用木材在土木工程材料领域是一种供不应求的材料。我国是少林国家，林木生长速度缓慢。与我国环境保护需要和建设事业大量耗用木材的矛盾十分突出。因此，要求土木工程中在经济合理的条件下，尽可能的少用木材，避免大材小用，长材短用，优材劣用。充分利用木材的边角废料，生产各种人造板材，提高木材的综合利用率。木材在土木工程材料中可被用作桁架、梁、柱、桩、门窗、地板、脚手架、混凝土模板以及其他一些装饰、装修。木材的综合利用就是将木材加工过程中的边角、碎料、刨花、木屑、锯末等，经过再加工处理，制成各种人造板材。主要品种有：胶合板、纤维板、刨花板等。近年来，利用植物废料开发的各种人造板材相继问世，不但节约木材，也推动土木工程材料领域的发展。2.8其他功能材料2.8.1建筑防水堵水材料防水材料是指具有防止建筑工程结构免受雨水、地下水、生活用水浸蚀的材料。

1、防水材料的分类与组成建筑防水材料依据其外观形态可分为防水卷材、防水涂料、密封材料和刚性防水材料四大系列。防水卷材是建筑工程防水材料的主要品种之一，目前的防水卷材主要包括沥青防水卷材、高聚物改性沥青防水卷材和合成高分子防水卷材等三大类。防水涂料广泛适用于工业与民用建筑的屋面防水工程、地下室防水工程和地面防潮、防渗等。主要有：沥青胶、冷底子油、乳化石油沥青。建筑密封材料是能承受位移嵌人建筑接缝中起气密或水密作用的定形和不定形的材料。主要有：建筑防水沥青嵌缝油膏、聚氨酯密封材料、有机硅增水剂（防水涂料）。刚性防水材料是一种既能防水又兼作承重、围护结构的多功能材料。其耐久性好、不燃、无毒、无味。主要有：防水砂浆和防水混凝土。

3、建筑堵水材料建筑堵水材料主要用于房屋建筑、构筑物、水土建筑等在有水或潮湿环境下的防水堵漏。柔性嵌缝材料（止水橡皮及橡胶止水带、自粘性橡胶、丁基不干性密封材料、塑料止水带）：刚性止水材料和刚性抹面材料（无机复合堵漏剂、无机铝盐防水剂、有机硅防水砂浆、阳离子氯丁胶乳、水泥防水砂浆等）。2.8.2绝热材料在建筑中，习惯上把用于控制室内热量外流的材料叫做保温材料；把防止室外热量进入室内的材料叫做隔热材料。保温、隔热材料统称为绝热材料。

1、绝热材料的性能要求导热性指材料传递热量的能力。材料的导热能力用导热系数表示。材料导热系数越大，导热性能越好。工程上将导热系数λ<0.23W/m·K的材料称为绝热材料。影响因素有：材料组成、微观结构、含水率、孔隙特征等。绝热材料除应具有较小的导热系数外，还应具有适宜的或一定的强度、抗冻性、耐水性、防火性、耐热性和耐低温性、耐腐蚀性，有时还需具有较小的吸湿性或吸水性等。辐射传热也是一种重要的传热方式，铝箔等金属薄膜，由于具有很强的反射能力，具有隔绝辐射传热的作用，因而也是理想的绝热材料。

2、绝热材料的种类绝热材料按照它们的化学组成可以分为无机绝热材料和有机绝热材料。常用无机绝热材料有多孔轻质类无机绝热材料、纤维状无机绝热材料和泡沫状无机绝热材料；常用有机绝热材料有泡沫塑料和硬质泡沫橡胶。2.8.3吸声材料