土木工程材料－緒論

1、土木工程材料在經(jīng)濟建設中的重要地位： 1、土木工程材料是一切建筑工程的物質(zhì)基礎。 2、土木工程材料的質(zhì)量直接影響建筑物的質(zhì)量。 3、土木工程材料的費用在房屋總造價中占有較 大的比重。 4、新技術(shù)的革新和新材料的開發(fā)密切相關(guān)。 一.土木工程材料的分類 用于土建工程的材料總稱為建筑材料或土木工程材料。 1.按化學成分分類： 1.1 無機材料：金屬材料： 黑色金屬材料鋼、鐵 有色金屬材料鋁、銅、合金 非金屬材料： 天然石材大理石、花崗石 陶瓷和玻璃磚、瓦、衛(wèi)生陶瓷、 玻璃 無機膠凝材料石灰、石膏、水玻璃 砂漿、混凝土水泥、砂漿、混凝土 1.2 有機材料： 木材、瀝青、塑料、涂料、油漆 1.3 復合材

2、料： 金屬與非金屬復合 鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土 有機與無機復合 玻璃鋼、瀝青混凝土、聚合物混凝土 2. 按用途分類 結(jié)構(gòu)材料： 磚、石材、砌塊、鋼材、混凝土 防水材料： 瀝青、塑料、橡膠、金屬、聚乙烯膠泥 飾面材料： 墻面磚、石材、彩鋼板、彩色混凝土 吸音材料： 多孔石膏板、塑料吸音板、膨脹珍珠巖 絕熱材料: 塑料、橡膠、泡沫混凝土 衛(wèi)生工程材料： 金屬管道、塑料、陶瓷 二.土木工程材料的發(fā)展： 土木工程材料隨生產(chǎn)力發(fā)展而發(fā)展 原始時代天然材料：木材、巖石、竹、粘土 石器、鐵器時代 金字塔（2000-3000 BC)：石材、石灰、石膏 萬里長城 （200 BC):條石、大磚、石灰砂漿 布達拉

3、宮 ：石材、石灰砂漿 羅馬園劇場 （70-80 AC):石材、石灰砂漿 18世紀中葉鋼材、水泥 (J.Aspdin,1824） 19世紀鋼筋混凝土（1890-1892）； 中國，1898 20世紀預應力混凝土、高分子材料 21世紀輕質(zhì)、高強、節(jié)能、高性能綠色建材 胡夫金字塔，高146.59m, 底部232m建方，用 230多萬塊、每塊重2.5T的巖石砌成， 萬里長城 （200 BC):條石、大磚、石灰砂漿 布達拉宮 ：石材、石灰砂漿 羅馬斗獸場 （70-80 AC):石材、石灰砂漿 三.土木工程材料在國民經(jīng)濟中的地位和作 用 1.土木工程材料是發(fā)展建筑業(yè)的物質(zhì)基礎 材料費用一般占建筑工程總造價

4、的50-70%； “十五”期間我國全社會固定資產(chǎn)投資總規(guī)模為 2224萬億元。固定資產(chǎn)投資的6070用于建筑 設施建設或工程安裝，從而轉(zhuǎn)化為建筑業(yè)的產(chǎn)值，而 建筑業(yè)產(chǎn)值中的3040又要轉(zhuǎn)化為對建材業(yè)的需 求，尤其是對水泥產(chǎn)品的需求。2002年，我國共生產(chǎn) 水泥約70000萬噸，比2001年大幅增長了12. 7%， 占世界產(chǎn)量的三分之一左右，超過亞洲產(chǎn)量的50%強。 我國水泥行業(yè)，為我國經(jīng)濟持續(xù)、快速發(fā)展做出了重 要貢獻。 水泥產(chǎn)量的大幅度增長與我國持續(xù)快速穩(wěn)定增長的 宏觀經(jīng)濟形勢密切相關(guān)，建筑材料工業(yè)在國民經(jīng)濟建 設中意義重大。 2.必須恰當選擇和合理使用原材料 材料質(zhì)量的優(yōu)劣，配制是否合理，

5、選用是否恰當直 接影響建筑工程質(zhì)量 3.發(fā)展綠色建材 四. .土木工程材料課程的作用、任務和學習 方法 1.1.作用 1.1 1.1 為后續(xù)課程的學習提供必要的知識 1.2 1.2 為今后從事專業(yè)技術(shù)工作時，合理選擇和使 用建筑材料打下基礎 2.2.任務 2.1 2.1 了解材料在建筑物上所起的作用和要求 2.2 2.2 了解常用材料的生產(chǎn)、成分和構(gòu)造 2.3 2.3 掌握常用材料的技術(shù)性質(zhì)， 以及影響材料性質(zhì)的主 要因素及其相互關(guān)系 2.4 2.4 掌握常用材料的標準，熟悉其分類、分等和規(guī)格 2.5 熟悉常用材料的測試儀器，掌握測試方法和技術(shù)。 2.6 掌握常用材料的選用原則和方法。 2.7

6、 掌握工地配置材料的配置原理及方法，了解這些材料 的施工注意事項 3.學習方法 3.1 重點掌握材料的基本理論、基本知識、 基本技能 常用材料水泥、砼、石灰、石膏、玻璃、鋼材、木 材、瀝青、高分子材料 主要的水泥、砼、鋼材 每種材料：原料生產(chǎn)工藝組成成分 構(gòu)造性質(zhì)應用檢驗儲存以及它們 之間的相互關(guān)系 重點：性質(zhì)和應用， 質(zhì)檢的基本原理（引起材性變化 的內(nèi)因和外因） 3.2 學習材料的技術(shù)標準: 國家標準、行業(yè)標準、企業(yè)標準 GB-國家標準 GBJ-建筑工程國家標準 JGJ-建設部行業(yè)標準 JC-國家建材局行業(yè)標準 YB-冶金部行業(yè)標準 JTJ-交通部行業(yè)標準 SD-水電行業(yè)標準 ZB-國家級專

7、業(yè)標準 例：國家標準硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥 GB175-1999 標準名稱部門代號編號批準年份 ASA- American Standard Association 美國標 準 ASTM American Society for Testing Materials BS- British Standard 英國標準 DIN Deutsch Industrie Normen 德國標準 ISO-International Standard Organization 國際標準協(xié)會 3.3 重視學好試驗 學習常用土木工程材料的檢驗方法合格性判斷 和驗收 對實驗數(shù)據(jù)、試驗結(jié)果進行分析判別 培養(yǎng)從事科

8、學研究的能力 參考書 1.湖南大學等編土木工程材料， 中國建筑工業(yè)出版社 2.蘇達根主編. 新世紀網(wǎng)絡課程建設工程 土木工程材料 華南理工大學研制 考核辦法 1）課堂（考勤、表現(xiàn)）：20% 2）作業(yè)、課程小論文：10% 3）期末考試：70% 讓我們先回答幾個問題： 1. 你們知道那些結(jié)構(gòu)工程 材料(古代；現(xiàn)代)？ 2.目前用量最大，用途最 廣的材料應該是哪種？ 它與時代發(fā)展有何關(guān)系？ 云南下關(guān) 天生石橋 總長度大約有十萬里以上！ 用建筑材料：土、石、木料、磚、石灰. 其材料運輸量之浩大、工程之艱巨世所罕 見。 體現(xiàn)我國古代建筑工程的高度成就， 表現(xiàn)我國古代勞動人民的聰明才智。 建于1300多年

9、前（橋長約51m，凈跨 37m）； 建造該橋的石材為青白色石灰?guī)r,比意大 利人建石拱橋晚400多年,但在主拱肋與橋 面間設計“敞肩拱” ，比外國早了1200 多年。敞肩拱不僅減輕自重、節(jié)省材料、 減輕橋基負擔，使橋臺輕巧，且位移很小， 地基下沉甚微，且拱圈內(nèi)應力很小，是至 今位移和沉陷微小且不墜的重要原因之一； 該橋拱軸線和恒載壓力線甚接近，拱圈各 橫截面只受壓力或微小拉力。 土木工程材料的定義： 土木工程材料是人類建造活動土木工程材料是人類建造活動 所用一切材料的總稱。所用一切材料的總稱。 1) 改善了人們的生活條件。如：居住地由露天 泥草木屋 磚 石建筑 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓房。 2) 消耗了

10、自然資源，污染了環(huán)境。如：鋼鐵 鐵礦石；水泥 石 灰石；粘土磚 粘土；骨料 砂石。鋼鐵及水泥生 產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量廢氣，廢渣，對環(huán)境造成嚴重污 染。 例如： u1) 1 噸鋼鐵消耗標準煤1.66t；水48.6m3 u2) 1 噸水泥消耗標準煤178kg,同時放出約1t二氧化碳（造成溫室效應并使地球變暖的主造成溫室效應并使地球變暖的主 要氣體之一要氣體之一,全球二氧化碳的排放大約有全球二氧化碳的排放大約有7%7%來自水泥工業(yè)。來自水泥工業(yè)。) ) u綜上所述： 建筑材料是人類與自然環(huán)境之間的重要媒介，一方面大量建造的基礎設施顯 著地改善了人們的生存條件；另一方面又消耗了大量資源，在相當程度上污染

11、了環(huán)境，破 壞了生態(tài)平衡。 u結(jié)論：大力發(fā)展“綠色建材”及可重復使用的材料。 綠色建材： 指在制造過程中對環(huán)境無污染 或少污染的建筑材料（環(huán)境友好材環(huán)境友好材 料料）。 土木工程材料的可持續(xù)發(fā)展： 土木工程材料生產(chǎn)可以利用許多工、 農(nóng)業(yè)廢料，包括有毒或放射性的廢料。如 電廠的粉煤灰；冶煉鐵、鋁、銅排放的礦 渣以及許多農(nóng)產(chǎn)品的秸桿、谷殼等。 實現(xiàn)混凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，建立與環(huán)境友好的混凝土技術(shù)是以如下三個要素為基礎的： l節(jié)約利用混凝土原材料節(jié)約利用混凝土原材料 將廢棄混凝土破碎后代替天然骨料；預拌混凝土廠已有大量成功地利用循環(huán)使用水 的例子，用它作為新鮮拌和水的替代品；摻礦物摻合料。 l提高

12、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 摻礦物摻合料：當今燃煤灰燼的年排放量約為6.5億噸，其中至少70可作為火山灰 材料使用。全球水泥工業(yè)和混凝土工業(yè)每年的粉煤灰消耗率約停留在0.35億噸。 土木工程材料 工程結(jié)構(gòu)的 關(guān)系 1 . 建筑材料的更新是新型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)和 發(fā)展的基礎 例如：民用住宅的發(fā)展： 磚石結(jié)構(gòu)(單層) 磚混結(jié)構(gòu)(多層) 鋼混結(jié)構(gòu)(高層) 新型建新型建 材促進材促進 結(jié)構(gòu)工結(jié)構(gòu)工 程發(fā)展程發(fā)展 古羅馬古羅馬萬神殿萬神殿，半球屋頂直徑，半球屋頂直徑43.5m43.5m，重，重1200012000噸。噸。 波蘭鋼筋混凝土世紀大廳肋形拱頂直徑波蘭鋼筋混凝土世紀大廳肋形拱頂直徑65m6

13、5m，重，重15001500噸。噸。 墨西哥鋼混薄壁構(gòu)件飯店雙曲拋物面薄殼屋蓋直徑墨西哥鋼混薄壁構(gòu)件飯店雙曲拋物面薄殼屋蓋直徑32m32m、厚、厚4cm4cm，重僅，重僅100100噸。噸。 德國玻璃纖維增強水泥園藝展覽廳雙曲拋物面屋蓋，直徑德國玻璃纖維增強水泥園藝展覽廳雙曲拋物面屋蓋，直徑31m31m、厚、厚1cm1cm，重，重 2525噸。噸。 近年出現(xiàn)彩板輕鋼僅厚近年出現(xiàn)彩板輕鋼僅厚1mm1mm，現(xiàn)場加工成大跨度屋面，重量進一步減輕。，現(xiàn)場加工成大跨度屋面，重量進一步減輕。 建筑膜搭建厚度僅為建筑膜搭建厚度僅為0.2mm0.2mm的新型膜結(jié)構(gòu)。的新型膜結(jié)構(gòu)。 幾種典型的新型建筑材料： 纖

14、維增強材料 輕鋼彩板 建筑膜 建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu)建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu) 從我國橋梁的發(fā)展看工程材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 瀘定橋 十七孔橋 蘆溝橋 玉帶橋 鋼材、混凝土 鋼混凝土復合材料 磚混凝土復合 現(xiàn)代建筑材料 鋼桁梁橋錢塘江橋 鋼桁梁橋武漢長江大橋 鋼桁架橋 簡支梁橋 T形剛構(gòu)橋 T形剛構(gòu)橋 懸臂梁橋 連續(xù)梁橋 連續(xù)剛構(gòu)橋 剛架拱橋 雙曲拱橋 桁式組合拱橋 肋拱橋 肋拱橋 混凝土斜拉橋混凝土斜拉橋 結(jié)合梁和鋼斜拉橋 大連懸索橋 立交橋 2. 結(jié)構(gòu)設計與材料試驗 已知結(jié)構(gòu)尺寸 計算承載力； 已知結(jié)構(gòu)受力條件 求解結(jié)構(gòu)尺寸 采用標準試件 測試材料基本 物理力學參數(shù) 力學模型 （微觀、細觀 斷裂力學） 科學

15、研究與開發(fā) 熟悉建筑材料的基本知識、掌握各種新材 料的特性，是進行結(jié)構(gòu)設計必要的基本條件。 否則會影響結(jié)構(gòu)物的外觀和使用功能,甚至 造成重大事故。反之，從事材料研究的人們 由于對結(jié)構(gòu)、對工程環(huán)境不夠了解，也會事 倍功半，甚至適得其反。 一些結(jié)構(gòu)工程師認為：只要各種規(guī)范、手 冊在手，就能夠做好設計工作。 規(guī)范和標準是在總結(jié)前人大量實踐的基礎上制訂的，需要尊重，但是并不等于 照抄、照搬。伴隨著工程實踐的創(chuàng)新和發(fā)展，規(guī)范和標準也需要不斷更新、不斷完善。 從這個角度來說，與設計、施工相結(jié)合的科研工作，目的就在于將規(guī)范和標準不斷地 推進，來促進工程實踐與理論的發(fā)展，這也是培養(yǎng)高層次的結(jié)構(gòu)工程師和設計人才

16、的 需要。 施工是結(jié)構(gòu)設計與建筑材料 之間的重要橋梁之一 土木水利學院 清華大學 Department of Civil Engineering Tsinghua University 組成 結(jié)構(gòu) 性能 基于性能的材料設計 對結(jié)構(gòu)材料的性能要求 強度，力學性能 變形性能 耐久性能 其他性能（快速交付使用；經(jīng)濟性） 材料 變形 對結(jié) 構(gòu)性 能的 影響 矮小的墻壁，磚 直接碼放 1020（C）磚砌體 受力方向摻6%連 續(xù)聚丙烯纖維 1018（T）纖維增強水 泥制品 結(jié)構(gòu)用木屑板 1011（T） 無節(jié)疤、直紋針葉木 18120（T） 針葉木原材 3530（T）木材 普通混凝土28d立 方體強度 15

17、40 （C）混凝土 結(jié)構(gòu)低碳素鋼 2460（T）鋼材 備 注變異系 數(shù) (%) 平均強 度(MPa) 材料品種 不同建筑材料強度的變異性（C抗壓強度，T抗拉強度） 對建筑材料的認識來源： 第一，通過對材料進行力學試驗，獲得有關(guān)性質(zhì)的數(shù)據(jù)，例如強度、彈性模量，為 結(jié)構(gòu)設計或分析提供依據(jù)。 第二，材料加工、運輸和現(xiàn)場施工的實踐是非常重要的另一來源。 第三，由于材料科學和檢測技術(shù)的發(fā)展，對材料的物理和化學結(jié)構(gòu)進行深入研究得 到的認識。 教學目的： 本課程將以材料科學理論為基 礎，以材料的基本性質(zhì)為主線，使 學生充分掌握一些材料科學的基本 知識，并能靈活應用，解決在后續(xù) 課程中，以及工作實踐中所遇見的

18、 各種問題。 建筑材料課程特點 1)1)實踐性強 接近工程實際，不像基 礎理論課程那樣, ,對具體的現(xiàn)象或結(jié)構(gòu) 進行簡化、抽象； 2)2)綜合性強 面對浩瀚的工程學復雜 問題，需要廣泛知識和綜合能力。不 像基礎理論課程那樣，著重深入分析。 一點說明 基礎部分還沒有形成體系，它只是列舉了一些研究材料性質(zhì)的考察角度，各章之 間的聯(lián)系是松散的。不必要、也不可能把基礎部分的內(nèi)容都搞清楚，因為我們對具體材 料的了解還很缺乏。只要留下一個印象，知道日后碰到問題時應該翻什么書，看哪些部 分就可以了。在日后具體材料的學習中，多聯(lián)系前面基礎部分的內(nèi)容，搞清楚材料為什 么有它特有的性質(zhì)，增強基礎部分與后續(xù)部分的邏輯連貫性。 教學環(huán)節(jié) 1.1. 講課 2. 2. 實驗課 3. 3. 討論課 結(jié)束 蘭州大學土木工程與力學學院 2.2.任務 2.1 2