02-1土木工程材料

1、前言2、传统土木工程材料3、近代土木工程材料4、现代土木工程材料主要内容一、前言土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料或建筑材料。土木工程材料直接影响建筑物或构筑物的性能、功能、寿命和经济成本，从而影响人类生活空间的安全性、方便性、舒适性。土木工程材料的作用主要应从三方面认识：(1)材料对保证工程质量的作用；(2)材料对工程造价的影响；(3)材料对工程技术进步的促进。

按化学成分分类（1）无机材料

金属材料：

黑色金属材料——钢、铁 有色金属材料——铝、铜、合金

非金属材料：天然石材——大理石、花岗石 陶瓷和玻璃——砖、瓦、卫生陶瓷、玻璃 无机胶凝材料——石灰、石膏、水玻璃 砂浆、混凝土——水泥、砂浆、混凝土土木工程材料的分类（2）有机材料木材、沥青、塑料、涂料、油漆（3）复合材料金属与非金属复合—钢筋混凝土、钢纤维混凝土有机与无机复合—玻璃钢、沥青混凝土、聚合物混凝土按用途分类

结构材料：砖、石材、砌块、钢材、混凝土防水材料：沥青、塑料、橡胶、金属、聚乙烯胶泥饰面材料：墙面砖、石材、彩钢板、彩色混凝土吸音材料：多孔石膏板、塑料吸音板、膨胀珍珠岩绝热材料:塑料、橡胶、泡沫混凝土石器、铁器时代——石材、大砖、石灰砂浆、石膏

金字塔（2000-3000BC)

万里长城（200BC)18世纪中叶——钢材、水泥19世纪——钢筋混凝土（1890-1892）20世纪——预应力混凝土、高分子材料21世纪——轻质、高强、节能、高性能绿色建材建筑材料的发展-随生产力发展而发展胡夫金字塔（2000-3000BC)，高146.59m,底部232m

232m，用230多万块、每块重2.5T的岩石砌成。万里长城（200BC):条石、大砖、石灰砂浆早期使用土木工程材料主要有：

砖、瓦、石、灰、木材等。至今仍在土木工程材料中占有主要地位。二、传统土木工程材料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，所以至今仍然广泛的用于墙体、基础、柱等砌体建筑中。1砖1911年建造的清华学堂，感觉柔和，更容易使人接近。粉煤灰（左）和普通（右）烧结多孔砖烧结空心砖按生产工艺：烧结砖、非烧结转；按所用材料：粘土砖、页岩砖、煤矸石砖等；依生产形状：实心砖、多孔砖、空心砖等。

生产粘土砖毁田取土量大、能耗高、砖自重大，生产中劳动强度高、功效低。近年来国内外都在研制非烧结砖。非烧结粘土砖是利用不适合种田的山泥、废土、砂等，加人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。粘土瓦水泥瓦钢丝网石棉水泥小波瓦玻璃钢瓦按所用材料：粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、玻璃钢瓦等；依生产形状：平瓦、波形瓦。2瓦3石天然石材（1）花岗岩硬石材，用于外墙饰面。（2）大理石硬度不大，对风化抵抗较弱，用于室内。人造石材（1）仿大理石饰面石膏板以石膏为主要原料，经压制、磨光而成的人造大理石。（2）水磨石饰面板将白水泥和白色石子及适量耐碱颜料，加水拌合后浇注，经打磨、修补、抛光而成。（3）装饰混凝土在混凝土预制或现浇的同时，完成自身的饰面处理的产物。欧洲最大的皇宫—法国凡尔赛宫，宫殿中建筑物的墙体以及外部的地面全部使用石块建成砂是组成混凝土和砂浆的最主要组成材料之一，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。粒径大于5mm的的岩石颗粒，称为碎石或碎卵石。

砂石材料按形状分类：1）块状石料：简称石料，如块石、片石等。2）粒状石料：简称集料，集料又按大小分为：粗集料：如碎石、卵石细集料：如砂、石屑砂石材料按来源分类：1）天然石料2）人工轧制的集料3）工业冶金矿渣4砂石砂石料生产流程5灰：石灰和石膏（1）石灰石灰石:

主要成分为碳酸钙（CaCO3）；生石灰：以石灰石为原料经过煅烧而成的，其主要成分为氧化钙（CaO），又称为建筑石灰；熟石灰：工地上使用生石灰时，都要进行熟化过程。即将生石灰加水进行水化，使之消解为熟石灰-氢氧化钙（Ca(OH)2）。石灰的技术性质：（1）用石灰调成的石灰砂浆突出的优点是具有良好的可塑性；在水泥砂浆中掺入石灰浆，可塑性显著提高；（2）石灰不宜在潮湿的环境下使用，也不宜单独用于建筑物的基础；（3）常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩和节约石灰；（4）贮存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜贮存过久，储存和运输生石灰时还要注意安全。石灰在土木建筑工程中的应用：(1)配制水泥石灰混合砂浆、石灰砂浆等；(2)拌制灰土或三合土；(3)生产硅酸盐制品。（2）石膏石膏是以水合硫酸钙CaSO4·2H2O为主要成分的矿物，当石膏中含有的结晶水不同时可形成多种性能不同的石膏。根据石膏中含有结晶水的多少不同可分为：1、无水石膏（ＣaSO4）2、天然石膏（ＣaSO4·2H2O）

3、建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）建筑石膏是将天然石膏（生石膏）加热至107～170℃的温度条件下煅烧脱水成为半水石膏（熟石膏），然后把半水石膏磨细而制成的白色粉末。建筑石膏凝结硬化过程是半水石膏与水发生水化反应。建筑石膏特点：（1）凝结速度快，早期强度高；（2）硬化初期不出现收缩和干燥裂缝，略有膨胀且不开裂；（3）具有抗火性；（4）耐水性差。建筑石膏用途：室内粉刷涂料；石膏板、装饰制品；石膏雕塑等。木材是一种古老的工程材料。由于具有一些独特的优点，当今木材仍然在工程中占主要地位。木材在大气环境下性能稳定，不易变质，许多木造建筑物可使用上千年。作落在杭州钱塘江湖畔的六合塔，至今已有1000多年的历史了。杭州六合塔6木材树木分为针叶树和阔叶树两大类。针叶树的树干通直而高大，纹理平顺，材质均匀，木质较软而易加工，故又称为软木材，承重构件。阔叶树的树干通直部分一般较短，木质较硬，较难加工，故又称为硬木材，内部装修。木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多，所以工程上均充分利用它们的顺纹强度。影响木材强度的主要因素：(1)含水量的影响；(2)负荷时间的影响；

(3)温度的影响；(4)疵病的影响。近代使用土木工程材料主要有:

钢材、水泥、混凝土等。在现代土木工程材料中仍占有主要地位。三、近代土木工程材料1钢材19世纪初，人类开始将钢材用于建造桥梁和房屋。当前以钢结构为主体的建筑已在高层楼房中比比皆是。特点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的能力，可焊接、锚接或螺栓连接，便于装配。缺点：容易锈蚀、维修费用高。香港中银大厦按化学成分分类：碳素钢：低碳钢（含碳量<

0.25％）中碳钢（0.25～0.6％）高碳钢（含碳量>0.6％）普通碳素钢（硫

0.055％，磷

0.045％）优质碳素钢（硫

0.040％，磷

0.040％）高级优质碳素钢（硫

0.035％，磷

0.030％）合金钢：低合金钢（合金元素<

5％）中合金钢（合金元素5～10％）高合金钢（合金元素>

10％）土木工程用的钢材是指用于钢结构的各种型材、钢板、管材、和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。槽钢钢管H型钢角钢工字钢型钢2水泥

水泥是粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌和成塑性浆体，能在空气中和水中凝结硬化，可将其他材料胶结成整体，并形成坚硬石材的材料。

按其用途及性能分为：通用水泥、专用水泥按化学成分为：①硅酸盐类水泥（有六大类）硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。②铝酸盐类水泥专用水泥

(1)快硬硅酸盐水泥快硬水泥凝结硬化快，故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。但储存和运输中要特别注意防潮，施工时不能与其他水泥混合使用。(2)快凝快硬硅酸盐水泥（简称双快水泥）双快水泥主要用于军事工程、机场跑道、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程。同样不得与其他品种水泥混合使用，并注意放热量大而迅速的特点。(3)白色硅酸盐水泥(简称白水泥)白水泥强度高，色泽洁白，可配制彩色砂浆和涂料、白色或彩色混凝土、水磨石、斩假石等，用于建筑物的内外装修。白水泥也是生产彩色水泥的主要原料。(4)高铝水泥高铝水泥是一种快硬、高强、耐热及耐腐蚀的胶凝材料。主要特性有:早期强度高、耐高温和耐腐蚀。高铝水泥主要用于工期紧急的工程。如国防、道路和特殊抢修工程等，也可用于冬季施工的工程。(5)膨胀水泥由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为膨胀水泥。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。混凝土是指以胶凝材料（胶结料）、集料（骨料）、水及其他材料为原料，按适当比例配制而成的混合物，再经硬化形成的复合材料。根据所用胶凝材料的不同，土木工程中常用的混凝土有水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土和聚合物混凝土等。高性能水泥混凝土(HPC)将是未来混凝土的主要发展方向之一。绿色高性能混凝土(GHPC）也是未来的发展方向。3混凝土混凝土的优点：

混凝土组成材料来源广泛；新拌混凝土有良好的可塑性；可按需要配制各种不同性质的混凝土；具有较高的抗压强度，且与钢筋具有良好的共同工作性；具有良好的耐久性，可抵抗大多数环境破坏作用。与其他结构材料相比，其维修费用很低；具有较好的耐火性。混凝土存在的缺点：抗拉强度小，一般只有其抗压强度的1/10～1/15，属于一种脆性材料，很多情况下，必须配制钢筋才能使用。自重大，不利于提高有效承载能力，也给施工安装带来一定困难。生产周期长。结硬前需要较长时间的养护，从而延长了施工期。这些缺陷正随着混凝土技术的不断发展而逐渐得以改善，但在目前工程实践中还应注意其不良影响。19世纪钢材和混凝土作为结构材料的出现使土木工程的规模产生了飞跃性的发展；20世纪出现的高分子材料、新型金属材料和各种复合材料，使土木工程的功能和外观发生了根本的变革。四、现代土木工程材料4.1沥青、沥青制品沥青：一种憎水性的有机胶凝材料，构造致密，与石料、砖、混凝土及砂浆等能牢固的黏结在一起。沥青制品具有良好的隔潮、防水、抗渗、耐腐蚀等性能。在地下防潮、防水和屋面防水等建筑工程中及铺路等工程中得到广泛的应用。地沥青主要包括石油沥青和天然沥青；焦油沥青包括煤沥青、木沥青等。建筑工程中主要用的是石油沥青和煤沥青。防水卷材防水密封材料防水材料是建筑业及其它有关行业所需要的重要功能材料，是建筑材料工业的一个重要组成部分。4.2防水密封材料4.3陶瓷、玻璃（1）陶瓷材料传统的陶瓷、建筑陶瓷、电瓷等是采用粘土类及其它天然矿物原料经过粉碎加工、成型、烧结等过程而得到的器具。现代陶瓷材料是以特种陶瓷为基础由传统陶瓷发展起来的又具有与传统陶瓷不同时鲜明特点的一类新型陶瓷。具有透明性的玻璃用于饰面，使建筑物具有现代气息。除建筑行业外，玻璃还用于轻工、交通、医药、化工、电子、航天等领域。玻璃是以石英砂、纯碱、石灰石和长石等为原料，于1550～1600℃高温下烧至熔融，成型、急冷而形成的一种无定形非晶态硅酸盐物质。玻璃已广泛地应用于建筑物，它不仅有采光和防护功能，而且是良好的吸声、隔热及装饰材料。（2）玻璃上海信息港玻璃幕墙4.4人造板材采用小木块、碎木屑、刨花等木质材料为基材，使用胶凝材料、胶粘剂或夹层材料加工而成的各种人造板材，模仿天然木材的纹理和走向，可达到以假乱真的程度。这些板材用作建筑物的地板、内隔墙板、护壁板、门面板以及各种家具等，大大改善了天然木材尺寸的有限、材质不均，提高了木材的利用率和功能。常用的人造板材有：胶合板、纤维板、木丝板和木屑板。4.5塑料及制品塑料：以合成或天然高分子有机化合物为主要原料，在一定条件下塑化成型，且在常温常压下能保持产品形状不变的材料。塑料的特点：（1）密度小；（2）比强度高；（3）耐腐蚀性好；（4）装饰性好；（5）耐磨性好（6）电绝缘性好；（7）抗震、消声、隔音性能好；（8）易老化塑料的组成主要有：合成树脂、填充料、增塑剂、固化剂、着色剂、稳定剂等。塑料的应用塑料在工业与民用建筑中可生产塑料管材、板材、门窗、壁纸、地毯、器皿、绝缘材料、装饰材料、防水材料及保温材料等。在基础工程中可制作塑料排水板或隔离层、塑料土工布或加筋网等。在其它工程中可制作管道、容器、粘结材料或防水材料等，有时可以制作结构材料。4.6绝热材料将主要作为保温、隔热使用的材料通称为绝热材料。无机绝热材料石棉及其制品。石棉是一种天然矿物纤维，主要化学成分是含水硅酸镁，具有耐火、耐热、耐酸碱、绝热、防腐、隔音及绝缘等特性。矿棉及其制品。矿棉一般包括矿渣棉和岩石棉。矿渣棉所用原料有高炉硬矿渣、铜矿渣等，并加一些调节原料（钙质和硅质原料）。玻璃棉及其制品。玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成纤维状材料，包括短棉和超细棉两种。膨胀珍珠岩及其制品。膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩、黑耀岩或松脂岩为原料，经煅烧体积急剧膨胀（约20倍）而得蜂窝状白色或灰白色松散颗料。有机绝热材料软木板。软木也叫栓木。软木板是用栓皮、栎树皮或黄菠萝树皮为原料，经破碎后与皮胶溶液拌和，再加压成型，在80℃的干燥室中干燥一昼夜而制成。蜂窝板。蜂窝板是由两块较薄的面板，牢固地粘结在一层较厚的蜂窝状芯材两面而制成的板材，亦称蜂窝夹层结构。植物纤维复合板。系以植物纤维为主要材料加入胶结料和填料而制成。4.7吸声隔声材料建筑工程中常用吸声材料有：石膏砂浆（掺有水泥、玻璃纤维、石棉纤维）、水泥膨胀珍珠岩板、玻璃棉、泡沫塑料、软木板、木丝板、穿孔纤维板、工业毛毡、地毯等。薄板共振吸声结构系采用薄板钉牢在靠墙的木龙骨上，薄板与板后的空气层构成了薄板共振吸声结构。穿孔板吸声结构是用穿孔的胶合板、纤维板、金属板或石膏板等为结构主体，与板后的墙面之间的空气层（空气层中有时可填充多孔材料）构成吸声结构。现代的吸声材料冲孔镀锌板冲孔钢板大理石吸声板木质吸音孔板4.8新型复合材料新型复合材料具有强度大、刚度好、重量轻、性能稳定、安全可靠等特点,可以制造出具有较好性价比的特殊机构的产品.如:建筑业、造纸工业、汽车工业、航空航天业.军事等中得到应用。复合钢管钢丝网水泥类夹芯复合板材它是以两片钢丝网将聚氨醋、聚苯乙烯、脉醛树脂等泡沫塑料、轻质岩棉或玻璃棉等芯材夹在中间，两片钢丝网间以斜穿过芯材的“之”字形钢丝相互连接，形成稳定的三维彬架结构，然后再用水泥砂浆在两侧抹面，或进行其他饰面装饰。彩钢夹芯板材彩钢夹芯板材是以硬质泡沫塑料或结构岩棉为芯材，在两侧粘上彩色压型镀锌钢板，其中外露的彩色钢板表面涂以高级彩色塑料涂层，使其具有良好的耐候性和抗腐蚀能力。4.9绿色建筑材料1988年第一届国际材料科学研究会上首次提出。1992年国际学术界给绿色材料定义为：在原料采取、产品制造、应用过程和使用以后的再生循环利用等环节中对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的材料。（1）绿色材料的概念（2）绿色建材的基本特征生产所用原料尽可能少用天然资源，大量使用尾矿、废渣、垃圾、废液等废弃物。采用低能耗制造工艺和无污染环境的生产技术。

产品中不得含有汞及其化合物；不得用铅、镉、铬等种金属及其化合物的颜料和添加剂量剂。产品的设计是以改善生产环境、提高生活质量为宗旨：即产品应有益于人体健康，产品具有多功能化，如抗菌、灭菌、防霉