工程常用材料基础知识

材料与设备环境工程系王丽芸主讲教学参考书《建筑设备工程》于宗保主编，化学工业出版社，2005年7月第一版；《建筑环境与设备工程概论》卢军主编，重庆大学出版社，2003年8月第1版；《建设工程技术与计量》（土建工程部分）李慧民贾宏俊主编，中国计划出版社，2003年4月第3版；《建设工程技术与计量》（安装工程部分）杨志生主编，中国计划出版社，2003年4月第3版；《建筑材料》李业兰主编，中国建筑工业出版社，1998年1月第1版。《材料和设备》第一章绪论第二章室外给排水工程概论第三章管材及卫生器具第四章建筑给水排水工程第五章供暖工程、热水及煤气供应第六章建筑内通风、空气调节第七章建筑暖卫工程施工技术第八章建筑电气、供配电、电气照明及建筑防雷第一章绪论第一节《材料与设备》课程的目的和作用第二节工程常用材料基础知识第一节本课程的目的和作用本课程含义——《材料与设备》是为了给人们营造一个安全，合理，舒适的生活与生产环境而设置的一门课程。建筑材料和建筑设备的发展是随生产力的发展而发展的。一、建筑材料的发展历史原始时代——天然材料：木材、岩石、竹、粘土石器、铁器时代—— 金字塔（2000-3000BC)：石材、石灰、石膏 万里长城（200BC):条石、大砖、石灰砂浆 布达拉宫：石材、石灰砂浆 罗马园剧场（70-80AC):石材、石灰砂浆18世纪中叶——钢材、水泥(J.Aspdin,1824）19世纪——钢筋混凝土（1890-1892）；中国，189820世纪——预应力混凝土、高分子材料21世纪——轻质、高强、环保节能、高性能绿色建材

胡夫金字塔，高146.59m,底部232m建方，用230多万块、每块重2.5T的岩石砌成，万里长城（200BC):条石、大砖、石灰砂浆布达拉宫：石材、石灰砂浆罗 马斗兽场（70-80AC):石材、石灰砂浆二、建筑设备的发展历史

1、古代的建筑设备①.人类出现以来，就择溪而居，这是因为水是各种生物（包括人类）赖以生存的、不可缺少的物质。当我们游览、参观各种遗址、文物古迹时，我们会发现人类居住的建筑物是这样逐渐演变为我们今天居住的房子的：即山洞——土穴/地窖）——茅草房——土石，砖瓦房——现代建筑。例如：古猿人时代，他们以崖洞，山穴为居。像170万年前的元谋猿人，80～120万年前的蓝田猿人，40～50万年前的北京猿人都是选择天然的、附近有河水的山洞作为居住的场所。山洞——遮雨②.到了母系社会，开始利用土崖为壁体，建造穴居。再发展为用树木、草泥建造简单的穴居或浅穴居，后来发展为地面建筑。例如:6000～7000年前的浙江余姚的河姆渡文化5000～7000年前的西安半坡文化4000～6000年前的山东泰安的大汶口文化中国自奴隶社会开始，已经出现了大规模的建筑群，有了完善的供水、排水系统。取排水方面：经历了陶罐、陶制水槽，较完善的水系统的历程。这种建筑结构的发展，是人们生存条件不断改善的过程。2．现代的建筑设备①

十九世纪爱迪生发明电灯以来，人们的生活越来越便利。如今人们可以尽情的享受现代文明带给我们的各种便利。自来水、电灯、冰箱、空调、天然气所有这些用具、设备的安装与使用都与《建筑设备》这门课密切相关。②了解大自然，利用大自然，为人类造福。如若将来能对四季进行人工调节，冬季蓄冷，夏季贮热；进一步开发、利用太阳能，风能等自然能源；改进采光方式，减少电能的消耗。发挥我们的优势。我们的生活居住环境将会变得更加安全、合理和舒适。三、建筑材料在国民经济中的地位和作用1.建筑材料是发展建筑业的物质基础材料费用一般占建筑工程总造价的50-70%；2.必须恰当选择和合理使用原材料材料质量的优劣，配制是否合理，选用是否恰当直接影响建筑工程质量。3.发展绿色建材自1999年以来，国家已陆续淘汰和限制使用了四批建筑材料。21世纪，材料逐渐向轻质、高强、节能环保、高性能的绿色建材方面发展。四、建筑设备在现代建筑中的作用1．建筑设备的含义现代建筑为了满足人们生活和生产的需要，提供舒适、卫生及安全方便的生活和工作环境，要求在建筑内设置完善的设施，如给水、排水、供热、消防、采暖、通风、空气调节、燃气、供电、照明、通讯等设备系统，这些设备系统装设在建筑物内，统称为建筑设备。2．充分发挥建筑设备的功能建筑设备的建设，在建筑总投资比中，占有举足轻重的地位。不仅关系到建筑物的使用性能，而且更影响到建筑物的经济性。建筑设备系统装设于建筑物内，要求它们与建筑、结构和装饰等协调一致，既不影响建筑的美观，又达到理想的使用效果。全盘规划，合理地设计、安装和施工才能发挥建筑设备应有的功能。科技进步使建筑设备不断更新换代，涌现出越来越多的新材料、新技术、新工艺于一体的、时尚而又智能化的建筑设备。五、《材料和设备》课程的目的和作用1．为后续课程的学习提供必要的知识2．为今后从事专业技术工作，合理选择和使用建筑材料和设备打下基础。第二节工程常用材料基础知识一、工程材料的分类工程材料有各种不同的分类方法。一般都将工程材料按化学成分分为金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。（一）金属材料金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属和其合金分为两大部分：1．黑色金属材料——铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）。

2．有色金属材料——黑色金属以外的所有金属及其合金。应用最广泛的是黑色金属。以铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90%以上。黑色金属材料的工程性能比较优越，价格也较便宜，是最重要的工程金属材料。有色金属按照性能和特点可分为：轻金属、易熔金属、难熔金属、贵重金属、稀土金属和碱土金属。它们是重要的有特殊用途的材料。（二）非金属材料

非金属材料也是重要的工程材料。它包括耐火材料、耐火隔热材料、耐蚀（酸）非金属材料和陶瓷材料等。1．耐火材料。耐火材料是指能承受高温下作用而不易损坏的材料，它是炼钢、炼铁、熔化铁及其他冶炼炉和热加炉炉衬的基础材料之一。常用的耐火材料有耐火砌体材料、耐火水泥及耐火混凝土。2．耐火隔热材料。耐火隔热材料又称为耐热保温材料。它是各种工业用炉（冶炼炉、加热炉、锅炉炉膛）的重要筑炉材料。常用的隔热材料有硅藻土、蛭石、玻璃纤维（又称矿渣棉）、石棉以及它们的制品。3．耐蚀（酸）非金属材料。耐蚀（酸）非金属材料的组成主要是金属氧化物、氧化硅和硅酸盐等，它们的耐蚀性能优于金属材料（包括耐酸钢和耐蚀合金），并具有较好的耐磨性和耐热性能，在某些情况下它们是不锈钢和耐蚀合金的理想代用品。常用的非金属耐蚀材料有铸石、石墨、耐酸水泥、天然耐酸石材和玻璃等。4．陶瓷材料。耐酸陶瓷材料主要是以粘土为主要成分的烧结制品，它具有结构致密、表面平整光洁，耐酸性能良好等特点，常用的有日用陶瓷、电器绝缘陶瓷、化工陶瓷、结构陶瓷和耐酸陶瓷等。（三）高分子材料高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性和重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶、合成纤维三大类：1．塑料主要指强度、韧性和耐磨较好的、可制造某些机器零件或构件的工程塑料，分热塑性塑料和热固性塑两种。2．橡胶通常指经硫化处理的、弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种。3．合成纤维指由单体聚合而成的、强度很高的聚合物，通过机械处理所获得的纤维材料。（四）复合材料复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料，其性能是其他单材料所不具备的。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。当前常用的工程材料分类如表1.1.1所示。二、建筑安装工程常用材料（一）、建筑工程材料常用分类方法1.按化学成分分类分为三种：1.1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1.2有机材料：木材、沥青、塑料、涂料、油漆1.3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2.按用途分类按用途分类,分为如下几种: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、泡沫混凝土卫生工程材料：金属管道、塑料管道、复合管道、塑料、陶瓷（二）建筑安装工程常用材料种类1．建筑工程材料种类：1．1钢材1．2木材1．3水泥1．4石灰和石膏1．5砖与石1．6防水材料1．7混凝土材料1．8装饰材料

1.1钢材1．1．1钢材的分类：介绍三种分类方法(按化学成分、按脱氧程度、按有害物质含量)1）.按化学成分分为两大类（碳素钢、合金钢）（１）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.02％～2.06％。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢（含碳量小于0.25％）中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）高碳钢（含碳量大于0.60％）（２）合金钢。在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：低合金钢（合金元素总含量小于５％）中合金钢（合金元素总含量为５％～10％）高合金钢（合金元素总含量大于10％）2）.按冶炼时脱氧程度分为四类（１）沸腾钢（F）炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“Ｆ“。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。（２）镇静钢（Z）炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“Ｚ”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。（３）半镇静钢（B）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“B”。（４）特殊镇静钢（TZ）比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。3）.按有害杂质含量分类按钢中有害杂质磷（Ｐ）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：

（１）普通钢。磷含量不大于0.045％；硫含量不大于0.050%。

（２）优质钢。磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。

（３）高级优质钢。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。

（４）特级优质钢。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。1.1.2钢筋混凝土结构用钢（1）热轧钢筋根据表面特征不同，热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋。根据强度的高低，热轧钢筋又分为不同的强度等级（I、II、III三个等级）。（2）冷加工钢筋在常温下对钢筋进行机械加工（冷拉、冷拔、冷轧），使其产生塑性变形，从而达到提高强度、节约钢材的目的，这种方法称为冷加工。常用的有冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、冷拔低碳钢丝（3）热处理钢筋热处理钢筋是用热轧带肋钢筋经淬火和回火等调质处理而成，即以热处理状态交货，成盘供应，每盘长约200m。预应力砼用热处理钢筋强度高，可代替高强钢丝使用。（4）碳素钢丝及钢绞线钢丝和钢绞线主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨、屋架、大跨度吊车梁等，安全可靠，节约钢材，且不需冷拉、焊接接头等加工，因此在土木建筑工程中得到广泛应用。1．2木材土木建筑工程用木材，通常以三种材型供货，即：原木：伐倒后经修枝并截成一定长度的木材。板材：宽度为厚度的三倍或三倍以上的型材。枋材：宽度不及厚度三倍的型材。板材及枋材，统称锯材。锯材按国家标准分为特种锯材和普通锯材两个级别。普通锯材根据其缺陷又分为一等、二等、三等三个等级。人造板材

综合利用木材的途径之一是充分利用小规格的碎材、废料，生产各种人造板材。常用的有以下四类：（1）细木工板：芯板用木板条拼接而成，两个表面为胶贴木质单板的实心板材。（2）胶合板：一般多用单数层（3、5、7层数）由原木镟切成的单板按木材纹理纵横向交错重叠粘合而成。（3）硬质纤维板：以植物纤维为原料，加工成密度大于0.8g/Cm3的纤维板，称为硬质纤维板。（4）刨花板、木丝板*刨花板：利用施加或未施加胶料的木质刨花或木质纤维材料（如木片、锯屑和亚麻等）压制的板材。*木丝板：利用木材的短残料刨成木丝，再与水泥、水玻璃等搅拌在一起，加压凝固成型。**上述两种板均具有隔声、绝热、防蛀及耐火等优点，可用作隔墙板、顶棚板等。1．3水泥水泥呈粉末状，与水混合后，经过物理化学反应过程能由塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒状材料胶结成为整体，所有水泥是一种良好的矿物胶凝材料。就硬化条件而言，水泥浆体不但能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度，故水泥属于水硬性胶凝材料。水泥品种很多，工程中最常用的是硅酸盐系水泥。不同品种的水泥，其特性和适用范围不同。常用的水泥品种有：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、道路硅酸盐水泥、中低热硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、快硬水泥、砌筑水泥等。它们都有各自的特性和适用范围，国家也有相应的标准。1．4石灰和石膏1．4．1石灰（生石灰CaO）：是在土木建筑工程中使用较早的矿物胶凝材料之一。石灰在土木建筑工程中的应用表现在以下三个方面：（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；灰土——消石灰粉+粘土；三合土——消石灰粉+粘土+骨料（砂、碎砖块、炉渣等）。（3）生产硅酸盐制品。1．4．2石膏石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。石膏胶凝材料及其制品具有许多优良的性质，原料来源丰富，生产能耗低，因而在土木建筑工程中得到广泛应用。根据建筑石膏的性能特点，它在土木建筑工程中的主要用途有：制成石膏抹灰材料、各种墙体材料（如纸面石膏板、石膏空心条板、石膏砌块等），各种装饰石膏板、石膏浮雕花饰、雕塑制品等。1．5砖与石1．5．1砖的种类：1．5．2天然石材天然石材资源丰富、强度高、耐久性好、色泽自然，在土木建筑工程中常用作砌体材料、装饰材料、混凝土的集料。常见的有：毛石、料石、石板、以及广场地坪、路面、庭院小径用石材。1．6防水材料防水材料具有品种多、发展快的特点，有传统使用的沥青基防水材料，也有正在发展的改性沥青防水材料和合成高分子防水材料，由多层防水向单层防水发展，由单一材料向复合型多功能材料发展，施工方法也由热熔法向冷粘法或自粘贴法发展。防水材料主要分为三大类：（1）防水卷材：沥青防水卷材，聚合物改性沥青防水卷材，合成高分子防水卷材。（2）防水涂料：沥青基防水涂料，高聚物改性沥青防水涂料，合成高分子防水涂料。（3）建筑密封材料：不定型密封材料(各类密封膏)，定型密封材料(密封条带和止水带)。1．7混凝土材料混凝土——是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。土木建筑工程对混凝土质量的基本要求：具有符合设计要求的强度；具有与施工条件相适应的和易性；具有与工程环境相适应的耐久性。材料组成经济合理、生产制作节约能源。按所使用的胶凝材料划分，混凝土分为：水泥混凝土、沥青混凝土、聚合物混凝土等。按用途划分，混凝土分为：防水混凝土、防射线混凝土、耐酸混凝土、装饰混凝土、耐火混凝土、补偿收缩混凝土、水下浇筑混凝土等。1．8装饰材料

按建筑物的装饰部位来划分成以下五类：（1）外墙装饰材料——常用的有天然石材（如花岗岩）、人造石材、外墙面砖、陶瓷锦砖、玻璃制品（如玻璃马赛克、彩色吸热玻璃、玻璃幕墙等）、白色和彩色水泥装饰混凝土、铝合金和金属面材（金属幕墙）装饰板、石渣类饰面（如刷石、粘石、磨石等）、外墙涂料等。（2）内墙装饰材料——常用的有天然石材（如大理石、花岗岩等）、人造石材、壁纸与墙布、织物类（如挂毯、装饰布等）、履面装饰板（如包铝板等）、玻璃制品、内墙涂料等。（3）地面装饰材料——常用的有木地板、天然石材（如花岗岩）、人造石材、塑料地板、地毯（如羊毛地毯、化纤地毯、混纺地毯等）、陶瓷地砖、陶瓷锦砖、地面涂料等。（4）顶棚装饰材料——常用的有塑料吊顶板（如钙塑板等）、铝合金吊顶板、石膏板（如浮雕装饰石膏板、纸面石膏板、嵌装式装饰石膏板等）、壁纸装饰天花板、履塑矿棉装