【正文】 第十四講瀝青、鋼材、石材、木材和粘土 一、內(nèi)容提要：本講主要是講解瀝青的組成與分類，建筑鋼材的分類及鋼材的技術性質(zhì)，木材的性質(zhì)、強度及其影響因素，石材的分類及其技術性能，粘土的組成和分類。 二、本講的重點及難點是：建筑鋼材的分類，鋼材的技術性質(zhì)，以及建筑鋼材的標準及選用問題。 三、 內(nèi)容講解： 瀝青： 瀝青：是一種褐色或黑褐色的有機膠凝材料，是由天然出產(chǎn)或各種有機物經(jīng)熱加工后得到的產(chǎn)品，它是由多種化學成分極其復雜烴類所組成。在常溫下可為液態(tài)、半固態(tài)或固態(tài)。 瀝青的分類如下圖所示： 1. 1 石油瀝青： 石油瀝青的組成：由多種極其復雜的碳氫化合物和一些碳氫化合物的非金屬衍生物組成的混合物。它的化學組成元素主要是碳和氫，其次是氧、硫、氮（一般含量為 3%），另外還含有很少量金屬元素如鎳、鐵、錳等。 化學組分分析：就是利用瀝青在不同有機溶劑中選擇性溶解或在不同吸附劑上的選擇性吸附，而將瀝 青分離為幾個化學性質(zhì)有一定聯(lián)系的組，這些組稱為瀝青的組分。 組分：油分、樹脂、地瀝青質(zhì)。 石油瀝青的膠體結(jié)構(gòu)：溶膠結(jié)構(gòu)、凝膠結(jié)構(gòu)、溶 — 凝膠結(jié)構(gòu) 石油瀝青的技術性質(zhì)： （ 1） 石油瀝青的物理特征常數(shù)： 相對密度：瀝青在規(guī)定溫度條件下的質(zhì)量與同體積蒸餾水在規(guī)定溫度條件下的質(zhì)量之比值。 熱力學參數(shù)：包括熱脹系數(shù)，導熱系數(shù)和比熱。 熱脹系數(shù)：瀝青單位長度或單位體積，在溫度上升 10C 時的長度或體積變化分別稱為線脹系數(shù)或體脹系數(shù)，統(tǒng)稱為熱脹系數(shù)。 導熱系數(shù)：單位厚度內(nèi)溫差為 10C 時，在 1h 通過 1m2 面積的熱量 比熱：每 克瀝青升高 10C 所需的熱量。 （ 2） 石油瀝青的粘結(jié)性：是瀝青材料軟硬、稀稠程度的反映，通常用粘度來表示。分為絕對粘度和相對粘度。 相對粘度的測定方法：對于半固體或固體的石油瀝青用針入度來表示其粘度大小，液體石瀝青則用粘滯度來表示。 （ 3） 塑性：石油瀝青的塑性是指在外力作用下產(chǎn)生變形而不破壞，除去后，仍能保持變形后的形狀的性質(zhì)。石油瀝青的塑性用延度來表示。延度越大，塑性越小。 （ 4） 溫度敏感性：溫度敏感性簡稱感溫性，是決定瀝青使用時工作性的重要指標。評價石油瀝青感溫性的方法，通常是采用 “ 粘度 ” 隨 “ 溫度 ” 而變化的行為來表達。工程上常以軟化點指標來表征石油瀝青的溫度敏感性。 （ 5） 石油瀝青的耐久性：耐久性是指石油瀝青抵抗各種自然因素和交通荷載的能力。石油瀝青的耐久性主要取決于其自身的化學組成和化學結(jié)構(gòu)。 石油瀝青的應用：在工程建設中常用的石油瀝青有道路瀝青、建筑石油瀝青、防水、防潮石油瀝青和普通石油瀝青四種，在選用石油瀝材料時，應根據(jù)工程性質(zhì)、當?shù)貧夂驐l件以及所處工程部位來選用不同品種和牌號的瀝青。 1. 2 煤瀝青： 煤瀝青定義：煙煤在干餾過程中的揮發(fā)物質(zhì)，經(jīng)冷凝而成黑色粘性液體稱為煤焦油。煤焦油經(jīng)分餾 加工以后，所得殘渣即煤瀝青。 與石油瀝青相比，煤瀝青具有以下特點： （ 1） 煤瀝青的溫度穩(wěn)定性較低； （ 2） 煤瀝青的耐氣候性較差； （ 3） 煤瀝青與礦質(zhì)集料粘附性好。 另外，煤瀝青的防水性不及石油瀝青。 建筑用鋼材 ： 鋼材特點：與非金屬材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、強度高、塑性、韌性好，可以焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材的主要缺點是易銹蝕、維護費用大，耐火性差，生產(chǎn)能耗大。 鋼與鐵的區(qū)別：鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、焦炭和石灰石等經(jīng)高溫熔煉，從鐵礦石中還原生鐵而得。鋼和鐵的主要成 分均是鐵和碳。含碳量大于 2％的為生鐵，含碳量小于 2％的為鋼。 含碳量對鋼材性能的影響：碳是影響鋼材性能的主要元素之一，隨著含碳量的增加，其強度和硬度提高，塑性和韌性降低。當含碳量大于 ％時，鋼的可焊性顯著降低；當含碳量大于 1％時，脆性增大，硬度增加，強度下降。此外，含碳量增加，鋼的冷脆性和時效敏感性增大，耐銹蝕性降低。 鋼材的化學成分：碳、硅、錳、磷、硫。其中鋼中的有害成分為磷和硫。 ： (一 )按化學成分分類 (1)碳素鋼。碳素鋼的化學成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵一 碳合金。此外，還含 有極少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。碳素鋼按含碳量又可以分為： 低碳鋼：含碳量小于 ％ 中碳鋼：含碳量為 ％～ ％ 高碳鋼：含碳量大于 ％ (2)合金鋼。合金鋼是指在煉鋼過程中，有針對性地加入一種或多種能改善鋼材性能 的合金元素而制得的鋼種。常用合金元素有硅、錳、鈦、鋇、鈮、鉻等。按合金元素總含量的不同，合金鋼可分為： 低合金鋼：合金元素總含量小于 5％ 中合金鋼：合金元素總含量為 (5～ 10)％ 高合金鋼：合金元素總含量大于 10％ （二） 按鋼中有害雜質(zhì)含量分類 1．普通鋼：磷含量不大于 ％硫含量不大于 ％ 2．優(yōu)質(zhì)鋼：磷含量不大于 ％ 硫含量不大于 ％ 3．高級優(yōu)質(zhì)鋼：磷含量不大于 ％硫含量不大于 ％ 4．特級優(yōu)質(zhì)鋼：磷含量不大于 ％ 硫含量不大于 ％ (三 )按用途分類 根據(jù)用途的不同，鋼可以分為： 1．結(jié)構(gòu)鋼：主要用于工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件等。 2．工具鋼：主要用于各種刀具、量具及模具等。 3．特殊性能鋼：主要是具有特殊的物理、化學或機械性能的鋼，如不銹鋼、耐 磨鋼、 耐酸鋼等。 ： 鋼材的技術性質(zhì)主要包括：力學性能（抗拉性能、沖擊韌性、耐疲勞和硬度等）和工藝性能（冷彎和焊接）兩個方面。 （ 1） 抗拉性能： 低碳鋼受拉時應力應變曲線如下圖所示： 彈性階段（ OA 段） 在 OA 段內(nèi)，應變隨著應力的增加成比例增大，如果卸去 荷載，試件將恢復原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與 A 點對應的應力為彈性極限，用 σ p表示。此階段的應力與應變成正比，其值為常數(shù)，稱為彈性模量，用 E 表示， ，其中 σ 為彈性階段某點的應力， ε 為其對應的應變值。 屈服階段（ AB 段） 在 AB 段內(nèi)，當荷載增大，試件應力超過 σ p時，應變增加的速率大于應力增長速率， 應力與應變不再成正比例關系，開始產(chǎn)生塑性變形。圖中 B 上 點是這一階段應力最高點，稱為屈服上限， B 下 點稱為屈服下限。由于 B 下點比較穩(wěn)定易測，故一般以 B 下 點對應的應力作為屈服點，用 σ s 表示。 強化階段 (BC 段 ) 當荷載超過屈服點以后，由于鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗變形的能力又重新提高，故稱為強化階段。對應于最高點 C 的應力，稱為抗拉強度，用 σ b表示。 抗拉強度在工程中不能直接利用，但屈服應力與抗拉強度的比值 (即屈強比 σ s／ σ b )卻能反映鋼材的安全可靠程度和利用率。屈強比較小，表明鋼材在受力超過屈服 點后，繼續(xù)工作時的可靠度越大，結(jié)構(gòu)越安全。但是如果屈強比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費。 頸縮階段 (CD 段 ) CD 段為頸縮階段。當鋼材強化達到最高點 C 點以后，在試件薄弱處的截面將顯著縮 小，產(chǎn)生 “ 頸縮現(xiàn)象 ” 。由于試件斷面急劇縮小，塑性變形迅速增加，拉力也隨之下降，最后發(fā)生斷裂。將拉斷后的試件于斷裂處對接在一起，測得其斷裂后的標距 L1，標距的伸長值（ L1 L0）與原始標距（ L0）的比值稱為伸長率 δ ，即 伸長率是反映鋼材塑性的重要技術指標，伸長率越大，表明鋼材的塑性越好。通常鋼材拉伸試件取 L0=5d0或 L0=10d0，其伸長率分別以 δ 5或 δ 10表示，對于同一鋼材， δ 5大于δ 10。 （ 1）冷彎性能： 冷彎性能是以試驗時的彎曲角度和彎心直徑來表示。冷彎是指將鋼材彎曲到規(guī)定的角度，檢查彎曲處有無裂紋、起層現(xiàn)象以及斷裂，如果沒有，則認為冷彎性能合格。鋼材冷彎時的彎曲角度越大，彎心直徑越小 ，則表示其冷彎性能越好。 (3)焊接性能 鋼材本身的可焊性，直接影響著焊接質(zhì)量。在磷、硫含量均小于 ％情況下，鋼材的可焊性主要決定于其含碳量，含碳量小于 ％的碳素鋼具有良好的可焊性，含碳量超過 ％時，鋼材的可焊性變差；硫、磷及氣體雜質(zhì)也會導致鋼材的可焊性降低；過量合金元素的加入，同樣會影響鋼材的可焊性。 建筑鋼材的主要焊接方法有兩種： 電弧焊：電弧焊是將金屬焊條高溫熔化在焊件上，使兩部分鋼材熔合連成一體。 接觸對焊：接觸對焊是利用電流通過兩個焊件的接觸面所產(chǎn)生的 高溫，熔化接觸面金 屬，再對接加壓熔合為一體。 在常溫下，對鋼材進行冷拉、冷拔或冷軋等機械加工，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，強度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個過程稱為鋼材的冷加工強化。 冷加工強化的目的：是提高鋼材的強度和節(jié)約鋼材。 鋼筋冷拉：是指常溫下將鋼筋張拉至應力超過屈服應力、但遠小于抗拉強度時再卸荷的加工方法。 冷拔：是將 φ6 ～ φ8mm 的光圓鋼筋進行強力拉拔，使其通過截面小于鋼筋截面積的拔絲?？?，徑向擠壓縮小而縱向伸長。 冷軋：是將圓鋼在軋鋼機上軋成斷面按一定規(guī)律變 化的鋼筋，可提高其強度以及與混凝土間的握裹力。 鋼材經(jīng)冷加工后，隨著時間的延長，鋼筋強度進一步提高，這個過程稱為時效處理。 時效處理包括自然時效和人工時效。 建筑工程用鋼有鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼兩類，二者所用的原料鋼鋼種均多為碳素鋼和低合金鋼。 （一）建筑鋼材的主要鋼種 （ 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號及其表示方法： 根據(jù)國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》 (GB700— 88)規(guī)定，我國碳素結(jié)構(gòu)鋼分為五個牌號， 即 Q19 Q21 Q23 Q255 和 Q275。各牌號鋼又按硫、磷含量的大小分為 A、 B、 C、 D四個質(zhì)量等級。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法為：按照順序由代表屈服點的字母 (Q)、屈服點數(shù)值 (N／ mm2)、質(zhì)量等級符號 (A、 B、 C、 D)、脫氧程度符號 (F、 b、 Z、 TZ)等四部分組成。比如 Q235 一 A、 F，它表示；屈服點為 235N／ mm2的平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的 A 級沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。 (2) 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號及其表示方法： 根據(jù)國家標準《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》》 (GBl591— 94)規(guī)定，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼共有五個牌號。 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號按順序是由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值和質(zhì)量等級符號三個部分組成。例如 Q345A，其中 Q 表示鋼材屈服點， 345 為鋼、材屈服點數(shù)值 (N／ mm2)， A 為質(zhì)量等級代號。 (二 )鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼 （ 1）熱軋鋼筋： 分類：根據(jù)其表面特征分為：光圓鋼筋和帶肋鋼筋，帶肋鋼筋又分為：月牙肋和等高肋兩種。 按照機械性能分成四個等級。熱軋光圓鋼筋為 I 級，強度等級代號為 R235。熱軋帶肋鋼筋分為 HRB33 HRB400、 HRB500三個牌號。 （ 2）冷拉鋼筋：為了提高鋼筋的強度及節(jié)約鋼筋，常對熱軋 鋼筋進行冷拉，冷拉鋼筋分為 I、 II、 III、 IV 四個級別。 （ 3）冷拔低碳鋼絲：將直徑為 ~8mm 的 Q235 熱軋盤條鋼筋經(jīng)過冷拔加工而制成冷拔低碳鋼絲。分為：甲、乙兩級。 （ 4）預應力混凝土用鋼絲及鋼絞線： 預應力高強度鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條經(jīng)酸洗、冷拉等工藝制成。鋼膠線是用 7 根直徑為 ~ 的高強度鋼絲，鉸捻后經(jīng)一定熱處理工藝后，清除內(nèi)應力而制成。鋼絞線主要用于大跨度、大負荷的后張法預應力橋梁等結(jié)構(gòu)的預應力筋。 1. 6 建筑鋼材的防護： 銹蝕：建筑鋼材在使用中，與周圍環(huán)境介質(zhì)接觸，由于環(huán) 境介質(zhì)的作用，其中的鐵與介質(zhì)可能發(fā)生化學反應，逐步被破壞，導致鋼材腐蝕，稱為銹蝕。 分類：化學銹蝕和電化學銹蝕 防護：鋼結(jié)構(gòu)的防銹采用表面刷漆的方法。 混凝土配筋的防銹則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和所處環(huán)境條件等，主要是提高混凝土的密實度、保證足夠厚度的混凝土保護層，以及限制氯鹽外加劑的摻加量和保證混凝土一定的堿度等，還可摻用阻銹劑。 木材 ： （ 1） 木材的特性：輕質(zhì)、高強；彈性和韌性好；導熱系數(shù)??；裝飾性好；耐久性好；材質(zhì)較軟等優(yōu)點。缺點是：各向異性，脹縮變形大、易腐、易燃等。 （ 2） 木材的性質(zhì) ：主要包括含水率、濕脹干縮、強度等性能。 含水率：木材中的水分主要有三種，即自由水、吸附水和結(jié)合水。當木材中無自由水，而細胞壁內(nèi)吸附水達到飽和時，這時的木材含水率稱為纖維飽和點。纖維飽和點是木材性質(zhì)發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點。木材中所含的水分是隨著環(huán)境的溫度和濕度的變化而改變的。當木材長時間處于一定溫度和濕度的環(huán)境中時，木材中的含水量最后會達到與周圍環(huán)境相平衡，這時木材的含水率稱為平衡含水率。 濕脹與干縮變形：當木材的含水率在纖維飽和點以下時，隨著含水率的增大，木材體積產(chǎn)生膨脹。當木材的含水率在纖維飽和點以上，只有 自由水增減變化時，木材的體積不發(fā)生變化。 木材的強度：木材常用的強度有抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度。木材的強度有順紋強度和橫紋強度之分。木材的順紋強度比其橫紋強度要大得多，在工程上均充分利用木材的順紋強度。理論上，木材強度以順紋抗拉強度為最大，其次是抗彎強度和順紋抗拉強度。木材強度的主要影響因素：含水量、負荷時間、溫度和疵病。 （ 3）