土木工程材料第八章建筑鋼材

1、土木工程材料第八章建筑鋼材 本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章學(xué)習(xí)目標(biāo) v了解建筑鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及其與性質(zhì)的關(guān)系 v熟練掌握建筑鋼材的力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈 性及塑性變形，耐疲勞性）的意義，測定方法 及影響因素 v熟悉建筑鋼材的強(qiáng)化機(jī)理及強(qiáng)化方法 v掌握土木工程中常用的建筑鋼材的分類及其選 用原則。 第第7 7章章 建筑鋼材建筑鋼材 土木工程材料第八章建筑鋼材 本章考試大綱本章考試大綱 土木工程材料第八章建筑鋼材 建筑鋼材建筑鋼材 鋼結(jié)構(gòu)用鋼鋼結(jié)構(gòu)用鋼 鋼筋混凝土用鋼鋼筋混凝土用鋼 土木工程材料第八章建筑鋼材 17世紀(jì)70年代人類開始大量應(yīng)用生鐵作建筑材料， 到19世紀(jì)初發(fā)展到用熟鐵、軟鋼建造橋梁和房屋。 19

2、世紀(jì)中葉起，鋼材的品種、規(guī)格、生產(chǎn)規(guī)模大幅 度增長，鋼材的強(qiáng)度不斷提高，相應(yīng)地其連接工藝 技術(shù)也大為發(fā)展，為建筑結(jié)構(gòu)向大跨重載方向發(fā)展 奠定了重要基礎(chǔ)。與此同時，鋼筋混凝土的問世和 20世紀(jì)30年代預(yù)應(yīng)力混凝土的誕生，使近代建筑結(jié) 構(gòu)的型式和規(guī)模發(fā)生了飛躍性進(jìn)展,隨著鋼的冶煉和 加工技術(shù)的進(jìn)步以及新型建筑結(jié)構(gòu)對材料提出更高 性能的要求，促使高強(qiáng)耐蝕的合金鋼產(chǎn)量從60年代 初開始大幅度增長。鋼材及其與混凝土復(fù)合的鋼筋 混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土，已成為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的主 體材料。 土木工程材料第八章建筑鋼材 v土木工程鋼材的基本知識 v土木工程常用鋼材 v其他金屬材料 鋁及鋁合金 銅及銅合金 鑄鐵 土木

3、工程材料第八章建筑鋼材 v鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于 2.06的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.06的鐵 碳合金稱為生鐵。 v土木工程鋼材是指用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型鋼、鋼板、 鋼管和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等。 v鋼材是在嚴(yán)格的技術(shù)控制條件下生產(chǎn)的材料，與非 金屬材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、強(qiáng)度高、塑性 韌性好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材主要的缺 點(diǎn)是易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差、生產(chǎn)能耗大. 土木工程材料第八章建筑鋼材 薄 板可用作屋面或場面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)或作為涂層鋼板 的原料如制作壓型鋼板等：鋼板可用來彎曲型鋼. 薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、v形等形 狀，稱為壓型鋼板

4、。制作壓型鋼板的板材采用有機(jī) 土木工程材料第八章建筑鋼材 涂層薄鋼板(或稱彩色鋼板)般鋅薄鋼板、防腐薄鋼板 或其他薄鋼板。 壓型鋼板具有單位質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能 好、施工快、外形美觀等特點(diǎn)，主要用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、 樓板、屋面等。 v 冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼 v結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼 空心型鋼是用連續(xù)輥式冷彎機(jī)組生產(chǎn)的，按形 狀可分為方形空心型鋼（代號為F）和矩形空心型 鋼（代號為J）。 土木工程材料第八章建筑鋼材 v通用冷彎開口型鋼 冷彎開口型鋼是用可冷加工變形的冷軋 或熱軋鋼帶在連續(xù)輥式冷彎機(jī)組上生產(chǎn)的， 按形狀分為8種：冷彎等邊角鋼、冷彎不等邊 角鋼、冷彎等邊槽鋼、冷彎不等邊槽鋼、冷 彎內(nèi)卷

5、邊槽鋼、冷彎外卷邊槽鋼、冷彎Z型鋼、 冷彎卷邊Z型鋼。 土木工程材料第八章建筑鋼材 & 鋼材的銹蝕和防止 v鋼材的腐蝕鋼材的腐蝕 鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn) 象稱作腐蝕（銹蝕）。鋼材腐蝕的現(xiàn)象普遍存在， 如在大氣中生銹，特別是當(dāng)環(huán)境中有各種侵蝕性介 質(zhì)或濕度較大時，情況就更為嚴(yán)重。腐蝕不僅使鋼 材有效截面積均勻減小，還會產(chǎn)生局部銹坑，引起 應(yīng)力集中；腐蝕會顯著降低鋼的強(qiáng)度、塑性韌性等 力學(xué)性能。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，腐蝕 可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。 土木工程材料第八章建筑鋼材 化學(xué)腐蝕指鋼材與周圍的介質(zhì)（如氧氣、二氧化 碳、二氧化硫和水等）直接發(fā)生化學(xué)作用，生成疏 松的

6、氧化物而引起的腐蝕。在干燥環(huán)境中化學(xué)腐蝕 的速度緩慢，但在溫度高和濕度較大時腐蝕速度大 大加快。 v電化學(xué)腐蝕 v化學(xué)腐蝕 鋼材由不同的晶體組織構(gòu)成，并含有雜質(zhì)，由 于這些成分的電極電位不同，當(dāng)有電解質(zhì)溶液(如水) 存在時，就會在鋼材表面形成許多微小的局部原電 池。整個電化學(xué)腐蝕過程如下： 土木工程材料第八章建筑鋼材 陽極區(qū)：Fe = Fe2+ + 2e 陰極區(qū)：2H2O + 2e + 1/2O2 = 2OH- + H2O 溶液區(qū)：Fe2+ 2OH-= Fe(OH)2 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O= 4 Fe(OH)3 水是弱電解質(zhì)溶液，而溶有CO2的水則成為有 效的電解質(zhì)溶液，從而

7、加速電化學(xué)腐蝕的過程。鋼 材在大氣中的腐蝕，實(shí)際上是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐 蝕共同作用所致，但以電化學(xué)腐蝕為主。 土木工程材料第八章建筑鋼材 v 鋼材的防護(hù)鋼材的防護(hù) 鋼材的腐蝕既有內(nèi)因（材質(zhì)），又有外因（環(huán) 境介質(zhì)的作用），因此要防止或減少鋼材的腐蝕可以 從改變鋼材本身的易腐蝕性，隔離環(huán)境中的侵蝕性介 質(zhì)或改變鋼材表面的電化學(xué)過程三方面入手。 v采用耐候鋼 耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼。耐候鋼是在碳素鋼和低 合金鋼中加入少量銅、鉻、鎳、鉬等合金元素而制成。 這種鋼在大氣作用下，能在表面形成一種致密的防腐 保護(hù)層，起到耐腐蝕作用，同時保持鋼材良好的焊接 性能。耐候鋼的強(qiáng)度級別與常用碳素鋼和低合金 土木工程

8、材料第八章建筑鋼材 鋼一致，技術(shù)指標(biāo)也相近，但其耐腐蝕能力卻高出 數(shù)倍。耐候鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和工藝 性能可參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB 417284焊接結(jié)構(gòu)用耐候 鋼和GB 417184高耐候性結(jié)構(gòu)鋼。 v金屬覆蓋 用耐腐蝕性好的金屬，以電鍍或噴鍍的方法覆蓋 在鋼材表面，提高鋼材的耐腐蝕能力。常用的方法 有：鍍鋅（如白鐵皮）、鍍錫（如馬口鐵）、鍍銅 和鍍鉻等。根據(jù)防腐的作用原理可分為陰極覆蓋和 陽極覆蓋。 A. 陰極覆蓋采用電位比鋼材高的金屬覆蓋，如 鍍錫。所蓋金屬膜僅為機(jī)械地保護(hù)鋼材，當(dāng)保護(hù)膜 土木工程材料第八章建筑鋼材 破裂后，反而會加速鋼材在電解質(zhì)中的腐蝕。 B. 陽極覆蓋采用電位比鋼材

9、低的金屬覆蓋，如 鍍鋅，所覆金屬膜因電化學(xué)作用而保護(hù)鋼材。 v非金屬覆蓋 在鋼材表面用非金屬材料作為保護(hù)膜，與環(huán)境 介質(zhì)隔離，以避免或減緩腐蝕。如噴涂涂料、搪瓷 和塑料等。 涂料通常分為底漆、中間漆和面漆。底漆要求 有比較好的附著力和防銹能力，中間漆為防銹漆， 面漆要求有較好的牢度和耐候性以保護(hù)底漆不受損 傷或風(fēng)化。一般應(yīng)用為兩道底漆（或一道底漆和 土木工程材料第八章建筑鋼材 一道中間漆）與兩道面漆，要求高時可增加一道中 間漆或面漆。使用防銹涂料時，應(yīng)注意鋼構(gòu)件表面 的除銹以及低漆、中間漆和面漆的匹配。 v 常用底漆有：紅丹底漆、環(huán)氧富鋅漆、云母氧化 底漆、鐵紅環(huán)氧低漆等。 v 中間漆有：紅丹

10、防銹漆、鐵紅防銹漆等。 v 面漆有：灰鉛漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。 v混凝土用鋼筋的防銹 在正常的混凝土中pH值約為12，這時在鋼材表面 能形成堿性氧化膜（鈍化膜），對鋼筋起保護(hù)作用。 土木工程材料第八章建筑鋼材 若混凝土碳化后，由于堿度降低（中性化）會失去 對鋼筋的保護(hù)作用。此外，混凝土中氯離子達(dá)到一 定濃度，也會嚴(yán)重破壞表面的鈍化膜。 為防止鋼筋銹蝕，應(yīng)保證混凝土的密實(shí)度以及 鋼筋外側(cè)混凝土保護(hù)層的厚度，在二氧化碳濃度高 的工業(yè)區(qū)采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，限制 含氯鹽外加劑摻量并使用混凝土用鋼筋防銹劑。預(yù) 應(yīng)力混凝土應(yīng)禁止使用含氯鹽的骨料和外加劑。鋼 筋涂覆下氧樹脂或鍍鋅也是一種有效

11、的防銹措施。 土木工程材料第八章建筑鋼材 & 鋁及鋁合金 v 基本知識基本知識 鋁是一種銀白色的輕金屬，屬于有色金屬，純 鋁的比重削，僅2.7 g/cm3，為鐵的三分之一，熔 點(diǎn)較低（660 ），具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、 反輻射性能及耐腐蝕性能，并有易于加工和焊接等 特點(diǎn)。 v防銹鋁 防銹鋁是鋁鎂或鋁錳的合金。其特點(diǎn)是耐蝕性 較高，拋光性好，能長期保持其光亮的表面，其強(qiáng) 度比純鋁高，塑性及焊接性能良好，但切削加工性 土木工程材料第八章建筑鋼材 不良，可用于承受中等或低負(fù)載及要求耐腐蝕及光 潔表面的構(gòu)件、管道等。 v硬鋁 硬鋁是鋁和銅或再加入鎂、錳等組合的合金， 建筑工程上主要為含銅（3.84

12、.8）、鎂（0.4 0.8）、錳（0.40.8）、硅（不大于 0.8）的鋁合金，稱為硬鋁。經(jīng)熱處理強(qiáng)化后，可 獲得較高的強(qiáng)度和硬度，耐腐蝕性好。建筑上可用 于作承重結(jié)構(gòu)或其他裝飾制件，其強(qiáng)度極限可達(dá) 330490 MPa，伸長率可達(dá)1220，布氏硬度 值HB可達(dá)1 000 MPa，是發(fā)展輕型結(jié)構(gòu)的好材料。 土木工程材料第八章建筑鋼材 v超硬鋁 超硬鋁是鋁和鋅、鎂、銅等的合金。經(jīng)熱處理 強(qiáng)化后，其強(qiáng)度和硬度比普通硬鋁更高，塑性及耐 蝕性中等，切削加工性和點(diǎn)焊性能良好，但在負(fù)荷 狀態(tài)下易受腐蝕，常用包鋁方法保護(hù)，可用于承重 構(gòu)件和高荷載零件。 v鍛鋁 鍛鋁是鋁和鎂、硅及銅的合金。除具有較高的強(qiáng)度

13、外，還有良好的高溫塑性及焊接性，但易腐蝕，適 宜作承重中等荷載的構(gòu)件。 土木工程材料第八章建筑鋼材 鋁在建筑上，早在80多年千就已被作為裝飾材料， 逐漸發(fā)展應(yīng)用到窗框、幕墻，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件。1970 年美國建筑上用鋁量約為100多萬噸，20年中，增 長了4倍，占其全國鋁消耗量的1/4以上。1973年日 本在建筑上使用鋁占其全國總耗鋁量的1/3，在房 屋建筑中使用600 kt以上。 v 鋁合金制品 v鋁合金門窗 鋁合金門窗用已表面處理過的型材和配件組合裝 配而成。主要有推拉窗，平開窗，懸掛窗等。具有 土木工程材料第八章建筑鋼材 質(zhì)量輕、氣密性，水密性和隔聲性能好，色澤美觀， 不銹蝕，不褪色，經(jīng)久耐

14、用，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。 v鋁合金裝飾板 鋁合金花紋板采用鋁合金壞料花紋軋輥制成。 有針狀、扁豆?fàn)睢⒎礁竦然y。其特點(diǎn)是花紋美觀、 防滑、防銹蝕，不易磨損，便于安裝等?？捎糜诂F(xiàn) 在建筑的墻面裝飾、樓梯踏步等。 鋁合金波紋板邊面軋制成波浪形或梯形。其特 點(diǎn)是防火、防潮、防腐蝕?？捎糜谏虉觥①e館、飯 店等建筑物的墻面和屋面裝飾。 土木工程材料第八章建筑鋼材 & 銅及銅合金銅及銅合金 v 純銅純銅 銅由黃銅礦、輝銅礦等精練而成的銅錠、銅錠 線和電解銅三種，經(jīng)加工變形后活動各種形狀的純 銅材，純銅經(jīng)脫氧為無氧銅。 銅是有色金屬中的紫色重金屬，其特點(diǎn)為具有 很高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕性和易加工性，延展性好 v 銅合金銅合金 在銅中摻入鋅、錫、鋁等可制成銅合金，其強(qiáng) 度、硬度等性能得到提高，使用性能更好。 土木工程材料第八章建筑鋼材 v黃銅 在銅中摻入鋅的合金為普通黃銅，在銅中摻 入鋅和其他元素組成錫、鉛等。 土木工程中常用的為普通黃銅或普通黃銅粉， 呈黃色或金黃色，裝飾性好。普通黃銅主要用于 建筑五金、水暖電器、土木工程裝飾，門窗、欄 桿等。普通黃銅粉用于調(diào)制裝飾涂料、代替金粉 使用。 v青銅 v在銅中摻入錫的合金為錫青銅。在銅中摻入鋁、鐵 等的合金為鋁青銅。呈青灰色或灰黃色，強(qiáng)度較高 土木工程材料第八章建筑鋼材