【正文】 建筑材料 樹(shù)玉秀 2022,10 緒論（ introduction) 一、土木工程材料分類 定義：土木工程中所使用的一切材料及制品。 ? 分類 （ 1）按來(lái)源分 ? 天然材料：竹、木等 ? 人造材料：磚、瓦、水泥、砼、鋼材等 （ 2）按化學(xué)成分 ? 無(wú)機(jī)材料：金屬材料（鋼、鐵、鋁、銅等）；非金屬材料 (水泥、玻璃、磚瓦、石材） ? 有機(jī)材料：木、竹、瀝青、塑料等 ? 復(fù)合材料：玻璃纖維增強(qiáng)塑料、鋼纖維增強(qiáng)砼等 二、土木工程材料在土木工程中作用及重要性 土木工程材料是構(gòu)成土木工程的物質(zhì)基礎(chǔ)。 直接影響著或決定著土木工程一些重要性質(zhì)。 （ 1）結(jié)構(gòu)形式：山西應(yīng)縣佛宮寺木塔（ 1055年）高 66米；馬來(lái)西亞石油雙塔樓（砼結(jié)構(gòu)）高 452米；上海金茂大廈（鋼砼混合材料結(jié)構(gòu)）高 ； ? 上海電視塔（預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)） 468米；舊金山金門(mén)大橋（懸索橋）主跨 ；蘇通大橋（斜拉橋）主跨1088米、主塔 300多米；大跨度的鋼結(jié)構(gòu)展覽館；體育館；機(jī)場(chǎng)航站樓。 07年有 39人在金門(mén)大橋自殺，當(dāng)局準(zhǔn)備化費(fèi) 5000萬(wàn)裝防護(hù)網(wǎng)。 081012京華時(shí)報(bào)。 （ 2）安全性 ? 唐山地震 ? 重慶彩虹橋事件（ 99年 1月 4日晚 6時(shí) 50分 40多人傷亡） （ 3）功能、適用性 ? 絕熱材料、吸聲隔聲材料、裝飾材料、耐熱防火材料、防水抗?jié)B材料、耐磨耐腐蝕材料、防爆防輻射材料。 （ 4）經(jīng)濟(jì)性 ? 優(yōu)良的建材能滿足： ? 足夠的強(qiáng)度（承載） ? 較輕（減輕地基負(fù)荷） ? 相應(yīng)的耐久性（降低維修費(fèi)） ? 美觀 ? 功能要求 ? 低能耗 ? 環(huán)保 三、土木工程材料的發(fā)展趨勢(shì) 上古時(shí)期人類野處穴居 ? 舊石器時(shí)代的北京猿人（ 69萬(wàn)年前）住天然巖洞。 ? 北京周口店龍骨山山頂洞人（ 18000年前）住天然巖洞。 ? 巢氏教民構(gòu)木為巢，居于樹(shù)上。 磚木房屋 ? 土坯（ 8000年歐洲） ? 鑿琢自然石（ 5000~6000年前） ? 磚（ 3000年前） ? 秦磚漢瓦（ 2022年前） ? 鋼筋混凝土（ 19世紀(jì)） ? 化學(xué)建材具有特殊功能的新型建材 3 、展望 ? 發(fā)展方向：環(huán)保、節(jié)能、輕質(zhì)高強(qiáng)、多功能、結(jié)構(gòu)功能一體化、構(gòu)件化、單元化。 （ 1）墻體材料 ? 非黏土磚的應(yīng)用 （ 2）輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土、改性混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土 四、本課程的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法 ? 水泥、混凝土、鋼材、瀝青、塑料的生產(chǎn)、性能及應(yīng)用是重點(diǎn)。 ? 聽(tīng)課、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)。 ? 閉卷考試（考試成績(jī)占 80%、平時(shí)成績(jī) 20%）。 第一章 土木工程材料的基本性質(zhì) 土木工程材料受到諸多因素的影響： ? 力學(xué)作用（外力、自重、風(fēng)力、地震） ? 物理作用（雨、雪、霜、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、火） ? 化學(xué)作用（風(fēng)化、酸堿鹽侵蝕） 材料的性能是多方面的，必須與使用環(huán)境相適應(yīng)。 化學(xué)組成（化學(xué)元素、化合物種類及數(shù)量） ? 決定材料的：抗酸堿侵蝕性、可燃性、耐火性、鋼材的銹蝕等。 礦物組成（礦物種類和數(shù)量） 167。 11材料科學(xué)的基本理論 相組成（結(jié)構(gòu)相近性質(zhì)，相同的均勻部分） ? 氣相、液相、固相：一般材料 ? 鐵素體、滲碳體、珠光體：鋼 ? 集料相、基相、界面相：砼 宏觀結(jié)構(gòu) （ 1）宏觀結(jié)構(gòu)的孔隙特征 ? 致密結(jié)構(gòu)：金屬、玻璃、塑料 ? 多孔結(jié)構(gòu)：加氣混凝土、泡沫混凝土、輕質(zhì)多孔材料 ? 微孔結(jié)構(gòu)：石膏制品 （ 2）按組織構(gòu)造特征 ? 堆聚結(jié)構(gòu)：混凝土、砂漿、瀝青混合料 ? 纖維結(jié)構(gòu)：木材、玻璃鋼 ? 層狀結(jié)構(gòu)：膠合板 ? 散粒結(jié)構(gòu)：混凝土集料 細(xì)觀結(jié)構(gòu)（以光學(xué)顯微鏡觀察） ? 混凝土的基相、集料相、界面相 ? 鋼鐵的鐵素體、珠光體、滲碳體 ? 木材的木纖維、導(dǎo)管髓線、樹(shù)脂道 微觀結(jié)構(gòu)（用中子顯微鏡或 x射線分析 ) ? 晶體：鋼鐵材料 ? 玻璃體：火山灰 、爐渣、玻璃 ? 膠體：膠粒 （粒徑 1071010）作為分散相，分散在連續(xù)相（水、氣、溶劑）中 形成的分散體。 167。 、表觀密度、堆積密度 絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，材料單位體積的質(zhì)量。 ρ =m/v ρ g/cm3 mg Vcm3 近似密度 ρ a ：用排液置換法直接測(cè)得的砂、碎石的密度 ,有的教科書(shū)稱為碎石等的表觀密度。 在自然狀態(tài)下，材料單位體積的質(zhì)量。 ? ρ 0 =m/v0 ? V0表觀體積（包含內(nèi)部孔隙的體積） ? ρ 0′ =m/v0′ 材料的體積內(nèi)被固體物質(zhì)充實(shí)的程度 ? D=v/v0*100% 或 D=ρ 0/ρ *100% ? P=（ v0v） /v0=1D ：某堆積體中，被散粒材料的顆粒所填充的程度 ? D′=v 0/v0′*100% 或 D= ρ 0′/ ρ 0*100% ? P′ =1 D′ 1. 材料的親水性與憎水性 ? 親水材料 θ ≤90 176。 ? 憎水材料 θ ＞ 90176。 ? θ 潤(rùn)濕邊角 ? 石灰?guī)r、玄武巖屬于憎水巖石，與瀝青粘結(jié)力強(qiáng)，常用來(lái)做鋪路材料。 ? 花崗巖屬親水巖石，與瀝青粘結(jié)力不強(qiáng)，遇水易剝落，即水穩(wěn)定性差不宜用做鋪路材料。 （ 1）含水率 所含水的質(zhì)量與干燥狀態(tài)下材料的質(zhì)量之比 ? W=（ m1m） /m*100% ? m材料干燥狀態(tài)下的質(zhì)量， g ? m1材料在含水狀態(tài)下的質(zhì)量， g （ 2）吸水性 ? 吸水率：材料吸水飽和時(shí)的含水率。 ? 致密巖石： % ? 混凝土： 23% ? 粘土磚： 820% ? 木材等：＞ 100% （ 3）吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，具有 可逆性。 ? 影響：木制門(mén)窗、保溫材料 ：材料抵抗水破壞作用的能力。 （ 1）破壞作用 ? 力學(xué)性質(zhì)方面 ? 光學(xué)性質(zhì)方面 ? 裝飾性質(zhì)方面 （ 2）軟化系數(shù) ? 材料在吸水飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度 /材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度 ? 長(zhǎng)期受水浸泡或處于潮濕環(huán)境中的重要建筑，其材料的軟化系數(shù) ≥ 。 ? 材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。 ? K=Qd/AtH ? K滲透系數(shù)， cm/h ? Q透水量， cm3 ? D試件厚度， cm ? A 透水面積， cm2 ? t時(shí)間， h ? H靜水壓力水頭， cm ? K越小，抗?jié)B性越好。 167。 13 材料的基本力學(xué)性質(zhì) (strength) ? 材料在外力作用下，抵抗破壞的能力 ? 抗壓強(qiáng)度 、抗拉強(qiáng)度 、抗剪強(qiáng)度 f=Fmax/A ? 抗彎強(qiáng)度 f=3FmaxL/2bh2 (單點(diǎn)集中加荷）；f=FmaxL/bh2 (三分點(diǎn)集中加荷） ? 土木工程材料常根據(jù)其強(qiáng)度劃分為若干不同的等級(jí)。 (elasticity and plasticity) ? 彈性：材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力除去后變形隨即消失，完全恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)稱為彈性。這種可完全恢復(fù)的變形稱為彈性變形。 ? 塑性：材料在外力作用下，當(dāng)壓力超過(guò)一定限值時(shí)產(chǎn)生顯著變形，且不產(chǎn)生裂縫或發(fā)生斷裂，外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸的性質(zhì)。這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。 (shortness/brittleness and toughness) ? 脆性：材料發(fā)生突然破壞之前無(wú)明顯的塑性變形。 如陶瓷、玻璃、石材、磚瓦、鑄鐵。 ? 韌性：在沖擊、振動(dòng)荷載作用下，材料能夠吸收較大的能量不發(fā)生破壞的性質(zhì)。也稱沖擊韌性。如 .建筑鋼材（軟鋼），木材等。 ? 橋梁、吊車(chē)梁及有抗震要求的工程中，結(jié)構(gòu)材料要有較好的韌性。 167。 (durability) ? 定義：材料在使用中，抵抗其自身和環(huán)境的長(zhǎng)期破壞作用，保持其原有性能而不破壞、不變質(zhì)的能力。 ? 內(nèi)容：抗風(fēng)化、抗酸堿鹽侵蝕、抗?jié)B、耐水、抗凍等性能，屬于綜合指標(biāo)。 第二章建筑鋼材 (steel material) ? 建筑鋼材包括：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋、鋼絲和用于鋼結(jié)構(gòu)各種型鋼如鋼管、槽鋼、工字鋼、角鋼等。 167。 21 鋼材的化學(xué)組成 主要成分：鐵、碳、合金元素、雜質(zhì)。 分類 按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼 （ 1）碳素鋼 ? 低碳鋼 含碳量小于 % ? 中碳鋼 含碳量 [%， %） ? 高碳鋼 含碳量大于 % （ 2）合金鋼 ? 低合金鋼 合金元素含量小于 5% ? 中合金鋼 合金元素含量 [ 5%， 10%] ? 高合金鋼：合金元素含量大于 10% ? 建筑鋼材含碳量一般為不超過(guò) %的碳素鋼及低合金鋼。 各元素對(duì)鋼材性能的影響 （ 1）碳 —它與鐵原子的結(jié)合方式有： ? 固溶體：形成鐵素體，含碳量極少。 ? 化合物（ Fe3C）：形成滲碳體，含碳量較高。 ? 機(jī)械混合物：形成珠光體，含碳量在二者之間。 ? 含碳量 ↑ ，珠光體 ↑ ，強(qiáng)度 ↑ ，塑性、韌性、可焊性 ↓ （ %時(shí)，可焊性很差）。 （ 2）合金元素 ? 硅 含量低于 1%時(shí)，能提高鋼材的強(qiáng)度。 ? 錳 含量 1%2%，提高鋼材的強(qiáng)度。 ? 鈦 強(qiáng)度 ↑ ↑ ，韌性、可焊性 ↑ 。 ? 其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕 (抵抗海水腐蝕能力很強(qiáng)），主要用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、飛船等，少量用于冶金、能源、交通醫(yī)療及石化工業(yè)。 ? 礬 強(qiáng)度 ↑ ? 鈮 強(qiáng)度 ↑ （ 3）雜質(zhì)元素 ? 磷 強(qiáng)度 ↑ ，可焊性 ↓ ↓ ，冷脆性 ↑ ↑ 。 有益作用：提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性、改善切削性，耐大氣腐蝕性強(qiáng)， 在低合金鋼中可配合其它元素做合金元素用，軍事上利用其脆性制造炮彈增大殺傷力。 普通碳素鋼 磷含量 ≤% 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 磷含量 ≤% 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 磷含量 ≤% ? 硫 極有害元素 可焊性 ↓ ↓ ，熱脆性 ↑ ，熱加工性 ↓ 普通碳素鋼 硫含量 ≤% 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 硫含量 ≤% 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 硫含量 %% ? 氧 韌性、可焊性 ↓ ? 氮 強(qiáng)度 ↑ ，塑性、韌性 ↓ ? 包括：抗拉、冷彎、沖擊韌性、硬度和耐疲勞性。 (tensile strength) ? 屬最重要的性能，主要技術(shù)指標(biāo)有：屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率。 167。 22建筑鋼材的主要力學(xué)性能 ζ ε 圖 ? OA：彈性階段 ? AB：彈塑性階段 ? BC：塑性階段 ? CD：強(qiáng)化階段 ? DD′ ：破壞階段 （頸縮、斷裂） 插圖 p24 指標(biāo) (indexes) ? 彈性極限 ζ p 彈性范圍內(nèi)，所能承受最大的力。 ? 彈性模量 E 彈性模量大，抗變形能力強(qiáng)。 ? 上屈服點(diǎn) ζ su 屈服階段，所能承受最大的力。 ? 下屈服點(diǎn) ζ sl 對(duì)試驗(yàn)條件較不敏感。 ? 屈服強(qiáng)度 ζ s 取為下屈服點(diǎn) ? 抗拉強(qiáng)度 ζ b 抗拉試驗(yàn)中，所能承受最大的力。 ? 強(qiáng)屈比 ζ b / ζ s 大于 ，影響材料安全及利用率。 ? 硬鋼的屈服點(diǎn) ζ 產(chǎn)生殘余變形達(dá)到原始長(zhǎng)度 % 時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。 ? 斷后伸長(zhǎng)率 δ =（ l1l0） /l0*100% 對(duì)于鋼筋一般 827%。反映鋼材的塑性。 δ 5＞ δ 10 (5， 10為試件的長(zhǎng)、徑直比）。 工程上把 δ 10≥ 5%的材料成為塑性材料； δ 10＜ 5%的為脆性材料。 冷彎性能 (cold bending property) 定義 鋼材在 常溫下 承受彎曲變形的能力。 物理意義 一定程度上揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織的不均勻、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物未融合及微裂紋等缺陷，能反映冶金質(zhì)量和焊接質(zhì)量。 冷彎實(shí)驗(yàn) ? 試件長(zhǎng)度 L=5a+150(mm)。試驗(yàn)角度 180176。 ； ? 彎心直徑 d=0,a,2a,3a… a試件厚度或直徑； ? 試驗(yàn)溫度 1035176。 ； ? 緩慢加載。 指標(biāo) 彎曲角度， 彎心直徑 /試件厚度或直徑 (impact toughness) 定義：鋼材抵抗沖擊載荷的能力。 沖擊韌性試驗(yàn) 3沖擊韌性值： Kv=GH1GH2 冷脆性：鋼材在低溫下，呈現(xiàn)脆性的現(xiàn)象。 脆性臨界溫度：鋼材在降到某一溫度范圍時(shí)，沖擊韌性急劇下降，而呈現(xiàn)脆性，該溫度即為脆性臨界溫度。 時(shí)效：鋼材隨時(shí)間延長(zhǎng)強(qiáng)度提高、 塑性和韌性下降的現(xiàn)