土木工程課件

第1章土木工程材料基本性質(zhì)

參與式試驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題及解答歷史回顧1.1材料的物理性質(zhì)1.2材料的力學(xué)性質(zhì)

1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響創(chuàng)新能力培養(yǎng)練習(xí)題本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)歷史回顧因地制宜用材的萬(wàn)里長(zhǎng)城

萬(wàn)里長(zhǎng)城飛越崇山峻嶺，是我國(guó)古代勞動(dòng)人民的杰作，也是建筑史上的豐碑。萬(wàn)里長(zhǎng)城選用材料因地制宜，堪稱典范。

居庸關(guān)、八達(dá)嶺一段，采用磚石結(jié)構(gòu)。墻身用條石砌筑，中間填充碎石黃土，頂部再用三四層磚鋪砌，以石灰作磚縫材料，堅(jiān)固耐用。平原黃土地區(qū)缺乏石料，則用泥土磊筑長(zhǎng)城，將泥土夯打結(jié)實(shí)，并以錐刺夯打土檢查是否合格。在西北玉門(mén)關(guān)一帶，既無(wú)石料又無(wú)黃土，以當(dāng)?shù)靥J葦或柳條與砂石間隔鋪筑，共鋪20層。

萬(wàn)里長(zhǎng)城因地制宜使用建筑材料，展現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的勤勞、智慧和創(chuàng)造力?；A(chǔ)知識(shí)1.1材料的物理性質(zhì)1.1.1密度、表觀密度、體積密度和堆積密度1.1.2材料的孔隙率和空隙率

1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

1.1.4熱工性質(zhì)

1－固體；2－閉口孔隙；3－開(kāi)口孔隙1.1.1密度、表觀密度、體積密度和堆積密度密度、表觀密度、體積密度和堆積密度既有聯(lián)系又有差別。

密度是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。

表觀密度是材料在包括閉口孔隙條件下單位體積的質(zhì)量。

體積密度是指材料在自然狀態(tài)下，包括材料實(shí)體及其開(kāi)口與閉口孔隙條件下的單位體積的質(zhì)量。

堆積密度是指散?；蚶w維狀材料在堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。

1.1.2材料的孔隙率和空隙率

孔隙率是指材料內(nèi)部孔隙的體積占材料總體積的百分率。

空隙率則是指散粒狀材料在堆積體積狀態(tài)下顆粒固體物質(zhì)間空隙體積(開(kāi)口孔隙與間隙之和)占堆積體積的百分率。材料的孔隙有閉口和開(kāi)口，其特征狀態(tài)對(duì)材料的性質(zhì)有重要影響，見(jiàn)右圖。1.1.3與水有關(guān)的性質(zhì)

1．親水性與憎水性

材料與水接觸時(shí)由于水在固體表面潤(rùn)濕狀態(tài)不同，表現(xiàn)為親水與憎水兩種不同的性質(zhì)。陶瓷、金屬材料、石材等無(wú)機(jī)材料等為親水性材料；瀝青、塑料等為憎水性材料。2．材料的吸水性與吸濕性材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的性質(zhì)。吸濕性指材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)，以含水率表示。3.耐水性

耐水性指材料長(zhǎng)期在水的作用下，抵抗其破壞的能力。4.抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)。5.抗凍性

材料在含水狀態(tài)下能忍受多次凍融循環(huán)而不破壞，強(qiáng)度也不顯著下降的性質(zhì)。

親水性和憎水性

1.1.4熱工性質(zhì)

1．熱容量和比熱

材料的熱容量是指材料在溫度變化時(shí)吸收和放出熱量的能力。材料比熱容的物理意義是指1kg重的材料，在溫度每改變1K時(shí)所吸收或放出的熱量。2．導(dǎo)熱性當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將由溫度高的一側(cè)通過(guò)材料傳遞到溫度低的一側(cè)，材料的這種傳導(dǎo)熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。材料的導(dǎo)熱性可用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示。材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈小，表示其絕熱性能愈好。3.耐燃性材料對(duì)火焰和高溫的抵抗能力稱為材料的耐燃性。建筑材料分為三類(lèi)：（1）非燃燒材料，如鋼鐵、石等；（2）難燃材料，如經(jīng)過(guò)防火處理的刨花板；（3）可燃材料，如一般木材。觀察與討論1.1材料的物理性質(zhì)孔隙對(duì)材料性質(zhì)的影響

某工程頂層欲加保溫層，以下兩圖為兩種材料的剖面。請(qǐng)問(wèn)選擇何種材料合適？討論AB討論1.1材料的物理性質(zhì)

保溫層的目的是減少外界溫度變化對(duì)住戶的影響。材料保溫性能的主要描述指標(biāo)為導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，其中導(dǎo)熱系數(shù)越小越好。觀察兩種材料的剖面，可見(jiàn)A材料為多孔結(jié)構(gòu)，B材料為密實(shí)結(jié)構(gòu)，多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，適于作保溫層材料。1.1材料的物理性質(zhì)工程實(shí)例分析(1)加氣混凝土砌塊吸水分析

(2)火災(zāi)中混凝土的破壞(1)加氣混凝土砌塊吸水分析

某施工隊(duì)原使用普通燒結(jié)粘土磚，后改為多孔、體積密度僅700kg/m3的加氣混凝土砌塊。在抹灰前采用同樣方式往墻上澆水，發(fā)覺(jué)原使用的普通燒結(jié)粘土磚易吸足水量，但加氣混凝土砌塊表面看上去澆水不少，但實(shí)際吸水不多。

現(xiàn)象原因分析原因分析1.1材料的物理性質(zhì)

加氣混凝土砌塊雖多孔，但其氣孔大多數(shù)為“墨水瓶”結(jié)構(gòu)，肚大口小，毛細(xì)管作用差，只有少數(shù)孔是水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔，故吸水及導(dǎo)濕均緩慢。材料的吸水性不僅要看孔數(shù)量的多少，還需看孔的結(jié)構(gòu)。(2)火災(zāi)中混凝土的破壞某在建住宅樓不慎發(fā)生火災(zāi)，混凝土被破壞，見(jiàn)下圖，請(qǐng)分析原因。概況原因分析原因分析1.1材料的物理性質(zhì)混凝土一般由砂、石、水泥等材料經(jīng)拌和、凝固形成了復(fù)雜的物相體系，由于受到火災(zāi)，在高溫下，混凝土的水化產(chǎn)物分解后又產(chǎn)生了新的物相，導(dǎo)致混凝土微觀結(jié)構(gòu)破壞?；A(chǔ)知識(shí)1.2材料的力學(xué)性質(zhì)1.2.1強(qiáng)度1.2.2彈性與塑性

1.2.3韌性與脆性1.2.4硬度

材料的力學(xué)性質(zhì)指材料在外力作用下所引起的變化的性質(zhì)。這些變化包括材料的變形和破壞。材料的變形指在外力的作用下，材料通過(guò)形狀的改變來(lái)吸收能量。根據(jù)變形的特點(diǎn)，分為彈性變形和塑性變形。材料的破壞指當(dāng)外力超過(guò)材料的承受極限時(shí)，材料出現(xiàn)斷裂等喪失使用功能的變化。根據(jù)破壞形式的不同，材料可分為脆性材料和韌性材料。在外力作用下，材料抵抗破壞的能力稱為強(qiáng)度。1.2.1強(qiáng)度材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后能完全恢復(fù)到原始形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，有一部分變形不能恢復(fù)，這種性質(zhì)稱為材料的塑性。彈性變形與塑性變形的區(qū)別在于，前者為可逆變形，后者為不可逆變形。1.2.2彈性與塑性材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)一定值時(shí)，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時(shí)無(wú)明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性。材料在沖擊或振動(dòng)荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形而不破壞，這種性質(zhì)稱為韌性。1.2.3韌性與脆性材料另一個(gè)重要的力學(xué)性質(zhì)是硬度。它是指材料表面抵抗硬物壓入或刻劃的能力。金屬材料等的硬度常用壓入法刻痕，如布氏硬度法，是以單位壓痕面積上所受的壓力來(lái)表示。陶瓷等材料常用刻劃法測(cè)定。一般情況下，硬度大的材料強(qiáng)度高、耐磨性較強(qiáng)，但不易加工。所以，工程中有時(shí)用硬度來(lái)間接推算材料的強(qiáng)度。1.2.4硬度

壓入法實(shí)驗(yàn)刻劃法實(shí)驗(yàn)觀察與討論脆性材料與韌性材料

觀察以下兩動(dòng)畫(huà)，請(qǐng)對(duì)比分析韌性材料與脆性材料的差異。討論1.2材料的力學(xué)性質(zhì)討論1.2材料的力學(xué)性質(zhì)

具有脆性性質(zhì)的材料稱脆性材料。脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，可高達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)十倍，脆性材料抵抗沖擊載荷或振動(dòng)作用的能力較差，脆性材料只適合用作承壓構(gòu)件。土木工程材料中大部分無(wú)機(jī)非金屬材料均為脆性材料，如燒結(jié)普通磚、混凝土等。

具有韌性性質(zhì)的材料稱韌性材料。在建筑工程中，對(duì)于要求承受沖擊載荷和有抗震要求的結(jié)構(gòu)，如吊車(chē)梁、橋梁、路面等所用的材料，均應(yīng)具有較高的韌性。土木工程常用的低碳鋼、有色金屬等都是韌性材料。工程實(shí)例分析1.2材料的力學(xué)性質(zhì)(1)測(cè)試強(qiáng)度與加荷速度

(2)磚浸水后強(qiáng)度下降

現(xiàn)象原因分析(1)測(cè)試強(qiáng)度與加荷速度

人們?cè)跍y(cè)試混凝土等材料的強(qiáng)度時(shí)可觀察到，同一試件，加荷速度過(guò)快，所測(cè)值偏高。原因分析(1)測(cè)試強(qiáng)度與加荷速度

材料的強(qiáng)度除與其組成結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與其測(cè)試條件有關(guān)，包括加荷速度、溫度、試件大小和形狀等。當(dāng)加荷速度較快時(shí)，荷載的增長(zhǎng)速度大于材料的變形速度，測(cè)出的數(shù)值就會(huì)偏高。為此，在材料的強(qiáng)度測(cè)試中，一般都規(guī)定其加荷速度范圍。現(xiàn)象原因分析(2)磚浸水后強(qiáng)度下降

某地發(fā)生歷史上罕見(jiàn)的洪水。洪水退后，許多磚房倒塌，其砌筑用的磚多為未燒透的多孔的紅磚，見(jiàn)右圖。原因分析(2)磚浸水后強(qiáng)度下降

這些紅磚沒(méi)有燒透，磚內(nèi)開(kāi)口孔隙率大，吸水率高。吸水后，紅磚強(qiáng)度下降，特別是當(dāng)有水進(jìn)入磚內(nèi)時(shí)，未燒透的粘土遇水分散，強(qiáng)度下降更大，不能承受房屋的重量，從而導(dǎo)致房屋倒塌。基礎(chǔ)知識(shí)1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性

1.3.1材料的耐久性

1.3.2材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性

1.3.1材料的耐久性

材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，能保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的性質(zhì)，統(tǒng)稱為耐久性，它是一種復(fù)雜的、綜合的性質(zhì),包括材料的抗凍性、耐熱性、大氣穩(wěn)定性和耐腐蝕性等。材料在使用過(guò)程中，除受到各種外力作用外，還要受到環(huán)境中各種自然因素的破壞作用，這些破壞作用可分為物理作用、化學(xué)作用和生物作用。要根據(jù)材料所處的結(jié)構(gòu)部位和使用環(huán)境等因素，綜合考慮其耐久性，并根據(jù)各種材料的耐久性特點(diǎn)合理地選用。1.3.2材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性

土木工程材料的環(huán)境協(xié)調(diào)問(wèn)題日益受到重視。材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性是指材料在生產(chǎn)、使用和廢棄全壽命周期中要有較低的環(huán)境負(fù)荷，包括生產(chǎn)中廢物的利用、減少三廢的產(chǎn)生，使用中減少對(duì)環(huán)境的污染，廢棄時(shí)有較高的可回收率。1994年設(shè)立中國(guó)環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品認(rèn)證委員會(huì)，據(jù)此土木工程材料中首先對(duì)水性涂料實(shí)行環(huán)境標(biāo)志，制定環(huán)境標(biāo)志的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

觀察與討論1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性

(1)酸雨腐蝕建筑物

(2)路面磨損裂紋(1)酸雨腐蝕建筑物

下圖為某大樓的外表，從中可見(jiàn)墻壁發(fā)黑，在有的地方可見(jiàn)白色流跡線。

現(xiàn)象討論(1)酸雨腐蝕建筑物

由于吸附了以碳為主的煤煙狀懸浮顆粒物使其建筑物表面變黑，而且由于酸雨的沖洗，使石材露出新表面，從而形成流跡線。同時(shí)，石灰質(zhì)堿性巖容易與酸起反應(yīng)，石材本身被硫酸溶解，出現(xiàn)表面凸凹不平，故出現(xiàn)了建筑物的表面腐蝕。

討論(2)路面磨損裂紋

經(jīng)過(guò)幾年的使用，某水泥混凝土路面出現(xiàn)露石現(xiàn)象。

現(xiàn)象討論(2)路面磨損裂紋討論

路面由于長(zhǎng)年受到車(chē)輛及行人的磨損，表面水泥砂漿層剝落，導(dǎo)致露石。主要原因是水泥混凝土的耐磨性不夠。工程實(shí)例分析1.3材料的耐久性與環(huán)境協(xié)調(diào)性

(1)室內(nèi)空氣污染

(2)放射性污染現(xiàn)象原因分析(1)室內(nèi)空氣污染

某新建體育館因造型新穎成為旅游熱點(diǎn)，一小孩進(jìn)入該館即哭鬧不止，到體育館之外就恢復(fù)正常，再進(jìn)館又開(kāi)始哭鬧。原因分析(1)室內(nèi)空氣污染

該館大量使用各種裝修材料，由于剛竣工，室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重。木地板使用較多的膠粘劑、脲醛樹(shù)脂、合成橡膠膠乳等，釋放甲醛、苯類(lèi)和合成單體，這些有機(jī)物質(zhì)經(jīng)呼吸道吸入人體能引起頭疼、惡心，刺激眼和鼻，嚴(yán)重時(shí)引起氣喘、神志不清、嘔吐和支氣管炎。室內(nèi)沒(méi)有明顯污染時(shí)的甲醛含量一般為0.134mg/m3～0.670mg/m3，使用各種裝修材料后的游離甲醛含量可達(dá)2.3mg/m3。

現(xiàn)象原因分析(2)放射性污染

某家居裝修采用一種超過(guò)放射性物質(zhì)控制要求規(guī)定的花崗巖作地板。經(jīng)檢測(cè)，室內(nèi)氡含量高，后被迫拆除更換。原因分析(2)放射性污染

氡是由鐳衰變產(chǎn)生的自然界唯一的天然放射性惰性氣體，無(wú)味，在空氣中易被呼吸系統(tǒng)截留，并在局部區(qū)域不斷累積而誘發(fā)肺癌?？茖W(xué)研究表明，有相當(dāng)部分的肺癌患者與氡有關(guān)。在裝修時(shí)選購(gòu)石材須索要產(chǎn)品放射性合格證，根據(jù)石材的放射性等級(jí)作選擇。

根據(jù)美國(guó)環(huán)保機(jī)構(gòu)的調(diào)查數(shù)據(jù)，無(wú)形殺手導(dǎo)致人類(lèi)患肺癌的數(shù)量每年在7000~10000人?；A(chǔ)知識(shí)1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

1.4.1材料的組成及其對(duì)材料性質(zhì)的影響

1.4.2材料的結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響1.4.3材料的構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

1.4.1材料的組成及其對(duì)材料性質(zhì)的影響

材料的組成是指材料的化學(xué)成分和礦物組成。材料組成是材料性質(zhì)的基礎(chǔ)，它對(duì)材料的性質(zhì)起著決定性的作用。材料化學(xué)組成相同但礦物組成不同也會(huì)導(dǎo)致性質(zhì)的巨大差異。如下圖所示，Ａ、Ｂ為兩種鋼材的金相照片，兩者化學(xué)組成接近，主要差別是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ則為0.2％～0.4％，但礦物組成則差別較大。兩種鋼材性能差別較大，其中Ａ具有較好的冷、熱變形等工藝性能，但強(qiáng)度較低，而Ｂ則強(qiáng)度較高。1.4.2材料的結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響1.

宏觀結(jié)構(gòu)2.

亞微觀結(jié)構(gòu)3.

微觀結(jié)構(gòu)1.

宏觀結(jié)構(gòu)材料的宏觀結(jié)構(gòu)是指可用肉眼能觀察到的外部和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。土木工程材料常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有：密實(shí)結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、散粒結(jié)構(gòu)、紋理結(jié)構(gòu)。密實(shí)結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)部基本上無(wú)孔隙，結(jié)構(gòu)致密。這類(lèi)材料的特點(diǎn)是強(qiáng)度和硬度較高，吸水性小，抗?jié)B和抗凍性較好，耐磨性較好，絕熱性差。如鋼材、天然石材、玻璃鋼等。多孔結(jié)構(gòu)的材料有加氣混凝土、石膏制品、燒結(jié)普通磚等。2.

亞微觀結(jié)構(gòu)亞微觀結(jié)構(gòu)是指用光學(xué)顯微鏡和一般掃描透射所能觀察到的結(jié)構(gòu)，是介于宏觀和微觀之間的結(jié)構(gòu)。其尺度范圍在10－3～10－9m。材料的顯微結(jié)構(gòu)根據(jù)其尺度范圍，還可分為顯微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)。其中，顯微結(jié)構(gòu)是指用光學(xué)顯微鏡所能觀察到的結(jié)構(gòu)，其尺度范圍在10－3～10－7m。土木工程材料的顯微結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)具體材料分類(lèi)研究。對(duì)于水泥混凝土，常研究水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)及界面特性等結(jié)構(gòu)；對(duì)于金屬材料，通常是研究其金相組織，即晶界及晶粒尺寸等。3.

微觀結(jié)構(gòu)

材料的微觀結(jié)構(gòu)是指物相種類(lèi)、形態(tài)、大小及其分布特征。它與材料的強(qiáng)度、硬度、彈塑性、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等重要性質(zhì)有著密切的關(guān)系。土木工程材料的使用狀態(tài)均為固體，固體材料的相結(jié)構(gòu)基本上可分為晶體、非晶體兩類(lèi)，不同結(jié)構(gòu)的材料，各具不同特性。1.4.3材料的構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

材料的構(gòu)造是指具有特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)單元間的互相搭配組合情況。構(gòu)造這一概念與結(jié)構(gòu)相比，更強(qiáng)調(diào)了相同材料或不同材料間的搭配組合關(guān)系。如材料的孔隙、巖石的層理、木材的紋理、疵病等，這些結(jié)構(gòu)的特征、大小、尺寸及形態(tài)，決定了材料特有的一些性質(zhì)。如孔隙是開(kāi)口、細(xì)微且連通的，則材料易吸水、吸濕，耐久性較差；若孔隙是封閉的，其吸水性會(huì)大大下降，抗?jié)B性則提高。所以，對(duì)同種材料來(lái)講，其構(gòu)造越密實(shí)、越均勻，強(qiáng)度越高，表觀密度越大。觀察與討論討論AB1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

兩種石材性能對(duì)比

下圖為同一棟樓外墻所用的兩種不同材質(zhì)的裝飾石材，使用時(shí)間相同。大理石石材顏色已變暗且出現(xiàn)裂縫，而花崗巖石材完好如新。請(qǐng)從材料的組成結(jié)構(gòu)角度分析二者性能差異的原因。討論兩種石材性能對(duì)比

大理石主要成分是方解石（碳酸鈣和碳酸鎂），呈弱堿性。在酸雨等腐蝕介質(zhì)作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顏色變暗淡，板材的結(jié)構(gòu)逐步疏松，并發(fā)展為裂縫。而花崗巖主要為石英（結(jié)晶二氧化硅）、長(zhǎng)石（架狀鋁硅酸鹽）及少量云母（片狀鋁硅酸鹽），為酸性石材，結(jié)構(gòu)致密具有高抗酸腐蝕的能力。工程實(shí)例分析1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

現(xiàn)象原因分析

某工程灌漿材料采用水泥凈漿，為了達(dá)到較好的施工性能，配合比中要求加入硅粉，并對(duì)硅粉的化學(xué)組成和細(xì)度提出要求。但施工單位將硅粉理解為磨細(xì)石英粉，生產(chǎn)中加入的磨細(xì)石英粉的化學(xué)組成和細(xì)度均滿足要求，在實(shí)際使用中效果不好，水泥漿體成分不均。材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響原因分析

硅粉又稱硅灰，是硅鐵廠煙塵中回收的副產(chǎn)品，其化學(xué)組成為SiO2，微觀結(jié)構(gòu)為表面光滑的玻璃體，能改善水泥凈漿施工性能。磨細(xì)石英粉的化學(xué)組成也為SiO2，微觀結(jié)構(gòu)為晶體，表面粗糙，對(duì)水泥凈漿的施工性能有負(fù)作用。硅粉和磨細(xì)石英粉雖然化學(xué)成分相同，但細(xì)度不同，微觀結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致材料的性能差異明顯。1.4材料的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其對(duì)性能的影響

創(chuàng)新能力培養(yǎng)綠色建材1988年第一屆國(guó)際材料科學(xué)研究會(huì)上，首次提出了“綠色材料”的概念，綠色已成為人類(lèi)環(huán)保愿望的標(biāo)志。“綠色建材”也成為了一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。你的家鄉(xiāng)的土木工程材料有哪些是屬于“綠色建材”？有哪些不屬于“綠色建材”？請(qǐng)思考、討論。

常見(jiàn)問(wèn)題及解答

1-1測(cè)定含大量開(kāi)口孔隙的材料表觀密度時(shí)，直接用排水法測(cè)定其體積，為何該材料的質(zhì)量與所測(cè)得的體積之比不是該材料的表觀密度？1-2相同組成材料的性能為何不一定是相同的？1-3孔隙率越大，材料的抗凍性是否越差？1-1解答1-2解答1-3解答常見(jiàn)問(wèn)題及解答1-1測(cè)定含大量開(kāi)口孔隙的材料表觀密度時(shí)，直接用排水法測(cè)定其體積，為何該材料的質(zhì)量與所測(cè)得的體積之比不是該材料的表觀密度？

解答：表觀密度是材料在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。所謂自然狀態(tài)下的體積包含材料內(nèi)的孔隙。而直接將含大量開(kāi)口孔隙的材料放入水中，部分水進(jìn)入材料的開(kāi)口孔隙中，故，所測(cè)得的體積已不是材料在自然狀態(tài)下的體積。正確的做法是將材料表面涂蠟將其密封，然后方能用排水法測(cè)定其自然狀態(tài)下的體積。常見(jiàn)問(wèn)題及解答1-2相同組成材料的性能為何不一定是相同的？

解答：例如同是二氧化硅成分組成的材料，蛋白石是無(wú)定型二氧化硅，石英是結(jié)晶型二氧化硅。它們的分子結(jié)構(gòu)不同，因而它們的性質(zhì)不同。本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)

本章共6個(gè)知識(shí)點(diǎn)。本章的教學(xué)目標(biāo)是：⑴了解建筑鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及其與性質(zhì)的關(guān)系；⑵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(cè)定方法及影響因素；⑶熟悉建筑鋼材的強(qiáng)化機(jī)理及強(qiáng)化方法；⑷掌握土木工程中常用的建筑鋼材的分類(lèi)及其選用原則。本章的難點(diǎn)是鋼材的塑性、韌性、耐疲勞性，以及微量組分對(duì)鋼材性能的影響。建議在學(xué)習(xí)中需聯(lián)系鋼材的組成結(jié)構(gòu)分析其性能，來(lái)理解其應(yīng)用。還需說(shuō)明的是，除鋼材外，鋁合金近年迅速發(fā)展，對(duì)其在土木工程中的應(yīng)用亦應(yīng)有所了解。建議課內(nèi)學(xué)時(shí)數(shù)為5學(xué)時(shí),課外學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)。

歷史回顧廣州海珠橋的鋼材廣州海珠橋已經(jīng)“年逾七旬”，但其使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史。

2004年，提供建造海珠橋鋼材的英國(guó)企業(yè)向廣州市政部門(mén)發(fā)來(lái)傳真，提醒有關(guān)部門(mén)注意，這些鋼材是從當(dāng)時(shí)英國(guó)的一座舊鋼橋上拆卸下來(lái)的，所以就其壽命計(jì)算，海珠橋使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史，已經(jīng)進(jìn)入疲勞期，繼續(xù)使用則需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行加固等。

基礎(chǔ)知識(shí)2.1鋼的分類(lèi)

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。2.1.1按化學(xué)成分分類(lèi)2.1.2按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類(lèi)2.1.3按冶煉時(shí)脫氧程度分類(lèi)

2.1.1按化學(xué)成分分類(lèi)1.碳素鋼

低碳鋼：含碳量<0.25％

中碳鋼：含碳量為0.25％～0.60％

高碳鋼：含碳量>0.60％

2.合金鋼

低合金鋼：合金元素總含量<5.0％

中合金鋼：合金元素總含量為5.0％～10％

高合金鋼：合金元素總含量>10％

建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合金鋼加工成的產(chǎn)品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。

2.1.2按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類(lèi)1.普通鋼：含硫量≤0.050％；含磷量≤0.045％。

2.優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。

3.高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.025％；含磷量≤0.025％。

4.特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.015％；含磷量≤0.025％。2.1.3按冶煉時(shí)脫氧程度分類(lèi)

1.沸騰鋼煉鋼時(shí)脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會(huì)與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液激烈沸騰。這種鋼材稱為沸騰鋼，其代號(hào)為“F”。其沖擊韌性和可焊性較差。

2.鎮(zhèn)靜鋼煉鋼時(shí)脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少，在澆鑄鋼錠時(shí)鋼液會(huì)平靜地冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，其代號(hào)為“Z”。3.半鎮(zhèn)靜鋼指脫氧程度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，其代號(hào)為“b”。

4.特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更徹底的鋼，故稱為特殊鎮(zhèn)靜鋼，代號(hào)為“TZ”。特殊鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。

觀察與討論討論AB2.1鋼的分類(lèi)

鋼材的冶煉脫氧程度與性能

下圖為沸騰鋼（圖A）與鎮(zhèn)靜鋼（圖B）兩鋼錠的縱剖面，請(qǐng)觀察其結(jié)構(gòu)差別，討論其性能差異。討論

從圖中可見(jiàn)，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄后在鋼液冷卻時(shí)有大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液劇烈沸騰。沸騰鋼內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不夠均勻、強(qiáng)度低、沖擊韌性和可焊性差，但生產(chǎn)成本低，可用于一般建筑結(jié)構(gòu)。而鎮(zhèn)靜鋼是指在澆鑄時(shí)，鋼液平靜地冷卻凝固，基本無(wú)一氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生,是脫氧較完全的鋼。鋼質(zhì)均勻密實(shí)，品質(zhì)好，但成本高。鎮(zhèn)靜鋼可用于承受沖擊荷載的重要結(jié)構(gòu)。

此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。脫氧程度與質(zhì)量介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，其質(zhì)量較好。2.1鋼的分類(lèi)

工程實(shí)例分析2.1鋼的分類(lèi)

現(xiàn)象原因分析

某廠的鋼結(jié)構(gòu)屋架用中碳鋼焊接而成，使用一段時(shí)間后，屋架坍塌。原因分析

首先是因?yàn)殇摬牡倪x用不當(dāng)，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差；其次是焊接性能較差，焊接時(shí)鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產(chǎn)生裂紋。建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。2.1鋼的分類(lèi)

基礎(chǔ)知識(shí)2.2建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能

2.2.1抗拉性能

2.2.2沖擊韌性2.2.3耐疲勞性

2.2.4工藝性能2.2.1抗拉性能

在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。測(cè)定鋼材強(qiáng)度的主要方法是拉伸試驗(yàn)，鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時(shí)，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映鋼材的主要力學(xué)特征。從右圖低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中可看出，低碳鋼從受拉到被拉斷，經(jīng)歷了四個(gè)階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。每個(gè)階段的特點(diǎn)詳見(jiàn)動(dòng)畫(huà)演示。2.2.1抗拉性能

2.2.2沖擊韌性

鋼材的沖擊韌性是處在簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作用下折斷時(shí)的沖擊吸收功。鋼材的沖擊韌性試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機(jī)的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，在試樣中間開(kāi)V形缺口。2.2.3耐疲勞性

受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開(kāi)始形成細(xì)小裂紋，隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時(shí)疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。2.2.4工藝性能1.

冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度α和彎心直徑d為指標(biāo)表示，如下圖所示。2.

焊接性能

鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過(guò)熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度應(yīng)不低于原有鋼材的強(qiáng)度。觀察與討論2.2建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能

(1)兩種鋼材的選用(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較(3)疲勞斷裂的特征與原因(4)鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系討論2.2.1抗拉性能

(1)兩種鋼材的選用

請(qǐng)觀察下圖中Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的差異。討論下述問(wèn)題：

①若對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件，Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼選用何種更合適？

②使用Ⅰ、Ⅱ兩種鋼材，哪一個(gè)安全性較高？討論觀察與討論(1)兩種鋼材的選用

討論

從Ⅰ、Ⅱ兩條曲線比較可知，低碳鋼Ⅱ的彈性模量E小于低碳鋼Ⅰ，也就是說(shuō)，低碳鋼Ⅱ的抗變形能力不如低碳鋼Ⅰ。對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低碳鋼Ⅰ更為合適。(1)兩種鋼材的選用

討論

Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼的屈服強(qiáng)度бs相近，但低碳鋼Ⅰ的抗拉強(qiáng)度бb高于Ⅱ。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱為屈強(qiáng)比，即бs/бb。屈強(qiáng)比越小，反映鋼材超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。當(dāng)然，屈強(qiáng)比過(guò)小時(shí)，表示鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，也不合理。有時(shí)也使用強(qiáng)屈比（бb/бs）來(lái)評(píng)價(jià)鋼材的可靠性。鋼材Ⅰ的屈強(qiáng)比較低，故其安全性高于鋼材Ⅱ。Q235鋼材的屈強(qiáng)比為0.58～0.63，普通的合金鋼的屈強(qiáng)比在0.67～0.75之間。(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較

2.2.2沖擊韌性

請(qǐng)觀察下圖中Ⅰ、Ⅱ兩低合金鋼曲線，若在東北地區(qū)，應(yīng)選用何種鋼更有利？討論(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較討論

溫度對(duì)沖擊韌性有重大影響，當(dāng)溫度降至一定程度時(shí)，沖擊韌性大幅度下降而使鋼材呈脆性，此現(xiàn)象稱為冷脆性。曲線中棕色段代表脆性斷裂，藍(lán)色段代表脆性轉(zhuǎn)變范圍，黑色段代表韌性斷裂。從上圖中可知，低合金鋼Ⅰ的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于Ⅱ，即說(shuō)明鋼材的低溫沖擊韌性較好。東北地區(qū)冬季氣溫低，主要考慮低溫沖擊韌性問(wèn)題，選用Ⅰ更有利。影響鋼材的沖擊韌性還有許多因素，例如，鋼中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會(huì)使沖擊韌性顯著降低。討論

請(qǐng)觀察下圖中疲勞斷裂的宏觀斷口特征，并分析討論疲勞斷裂的特征和原因。疲勞斷裂的特征與原因

2.2.3耐疲勞性

A：疲勞源區(qū)；B：擴(kuò)展區(qū)；C：終斷區(qū)

疲勞斷裂的宏觀斷口討論

疲勞裂紋起源于鍵槽左邊底部的拐角處，無(wú)裂紋構(gòu)件疲勞的宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)：

①疲勞源區(qū)(A區(qū))；②擴(kuò)展區(qū)(B區(qū))；③終斷區(qū)(C區(qū))。

引起鋼材疲勞破壞的原因很多，主要是由于拉應(yīng)力引起較大的拉應(yīng)變，先在某局部形成細(xì)小裂紋，然后因受剪切應(yīng)力而擴(kuò)展。故鋼材的抗拉強(qiáng)度高，疲勞極限也高。鋼材表面的加工印痕、焊接接頭的卷邊和表面微小腐蝕缺陷，都可使疲勞極限顯著降低。零件或構(gòu)件的幾何形狀和大小，對(duì)疲勞極限有不小的影響，有缺口、尖角的零件與無(wú)缺口、銳角的零件相比，疲勞行為有很大差別；構(gòu)件尺寸越大，則疲勞強(qiáng)度越低。由于疲勞設(shè)計(jì)中存在著大量不確定因素，因而選用材料的安全系數(shù)K較高（鋼材的K≥2），而且在零件實(shí)際使用前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)校核。疲勞斷裂的特征與原因

討論鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系

A、B兩種鋼材,A鋼材δ5及δ10均略大于B鋼材。但從下圖可知，A鋼材的冷彎性能卻不如B鋼材。請(qǐng)分析原因及A與B兩種鋼材內(nèi)部組織的差異。2.2.4工藝性能討論鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系

伸長(zhǎng)率反映的是鋼材在均勻變形下的塑性。而冷彎性能是鋼材處于不利變形條件下的塑性，可揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。而這些缺陷在拉伸試驗(yàn)中常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。工程實(shí)例分析2.2建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能

(1)廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌

(2)鋼貯罐脆性斷裂

(3)北海油田平臺(tái)傾覆(4)某運(yùn)輸廊倒塌分析

現(xiàn)象原因分析(1)廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌

抗拉性能

廣東某國(guó)際展覽中心包括展廳、會(huì)議中心和一棟16層的酒店，總建筑面積42000m2。1989年建成投入使用。1992年曾降大暴雨，其中4號(hào)展廳網(wǎng)架倒塌。在倒塌現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)大量高強(qiáng)度螺栓被拉斷或折斷，部分桿件有明顯壓屈，但未發(fā)現(xiàn)桿件拉斷及明顯頸縮現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)桿件與錐頭焊縫拉開(kāi)。另外，網(wǎng)架建成后多次發(fā)現(xiàn)積水現(xiàn)象，事故現(xiàn)場(chǎng)兩排水口表面均有堵塞。原因分析

①由于4號(hào)展廳除承擔(dān)本身雨水外，還要承擔(dān)會(huì)議中心屋面溢流而來(lái)的雨水。由于溢流口、雨水斗設(shè)置不合理，未能有效排水導(dǎo)致網(wǎng)架積水超載。

②所受拉力超過(guò)高強(qiáng)度螺栓的極限承載力而被拉斷，高強(qiáng)度螺栓安全度低于桿件安全度，其安全度不足。

抗拉性能

現(xiàn)象原因分析鋼貯罐脆性斷裂

沖擊韌性

1989年1月22日，內(nèi)蒙古某糖廠一個(gè)直徑為20m，高為15.76m的剛交工驗(yàn)收不久的廢糖蜜鋼貯罐發(fā)生斷裂。破壞過(guò)程呈突發(fā)性，沒(méi)有任何先兆，非常迅速。破壞時(shí)罐內(nèi)糖蜜貯量為4027t，不僅未達(dá)到設(shè)計(jì)貯量，還低于試用期間曾達(dá)到的4559t水平，罐體內(nèi)應(yīng)力并不太高，距鋼材屈服強(qiáng)度相差較遠(yuǎn)，地震和人為破壞及廢糖蜜自燃爆炸的因素可排除，請(qǐng)分析鋼貯罐發(fā)生斷裂的原因。原因分析

韌性斷裂在發(fā)生前有明顯預(yù)兆，而脆性斷裂是突發(fā)性的。經(jīng)調(diào)查表明，其裂口特征：罐體下部第1、2層母材撕裂，斷口呈顆粒狀，人字形紋尖端朝上，呈脆性斷裂。對(duì)鋼材材質(zhì)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分鋼板含碳量和含硫量較高，降低了鋼材的塑性和可焊性，其常溫沖擊韌性比規(guī)定值偏低，故該鋼材易出現(xiàn)脆性斷裂。且焊接質(zhì)量差，綜合分析可知，罐體破壞的根源是焊接質(zhì)量低而導(dǎo)致的低溫脆性斷裂。對(duì)接焊縫中大量未焊透部位如同張開(kāi)型的焊接裂紋，在罐壁環(huán)向拉力的作用下，能引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，成為罐體斷裂的引發(fā)點(diǎn)。在荷載變化、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和溫差應(yīng)力的作用下，裂紋會(huì)緩慢擴(kuò)展。而鋼材的韌性較差，不能阻止裂紋的擴(kuò)展，最后達(dá)到臨界值而突然斷裂。

沖擊韌性現(xiàn)象原因分析北海油田平臺(tái)傾覆耐疲勞性

1980年3月27日，北海愛(ài)科菲斯科油田的A.L.基爾蘭德號(hào)平臺(tái)突然從水下深部傳來(lái)一次振動(dòng)，緊接著一聲巨響，平臺(tái)立即傾斜，短時(shí)間內(nèi)翻于海中，致使23人喪生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。原因分析

現(xiàn)代海洋鋼結(jié)構(gòu)如移動(dòng)式鉆井平臺(tái)，特別是固定式樁基平臺(tái)，在惡劣的海洋環(huán)境中受風(fēng)浪和海流的長(zhǎng)期反復(fù)作用和沖擊振動(dòng)；在嚴(yán)寒海域長(zhǎng)期受流冰等隨海潮對(duì)平臺(tái)的沖擊碰撞；另外,低溫作用以及海水腐蝕介質(zhì)的作用等都給鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)帶來(lái)極為不利的影響。突出問(wèn)題就是海洋鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞破壞。

上述事故的調(diào)查分析顯示，事故原因是撐竿中水聲器支座疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)胃脱杆贁嗔?。由于撐竿斷裂，使相?個(gè)支桿過(guò)載而破壞，接著所支撐的承重腳柱破壞，使平臺(tái)20min內(nèi)全部?jī)A覆。

耐疲勞性現(xiàn)象原因分析某運(yùn)輸廊倒塌分析

工藝性能

某燒結(jié)礦倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸廊道于1965年1月發(fā)生倒塌。事故發(fā)生時(shí)室外氣溫為36℃左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及取樣試驗(yàn)可知所用的沸騰鋼含碳0.23％～0.25％，含硫0.06％，焊接質(zhì)量差。請(qǐng)分析事故原因。原因分析工藝性能

原因之一是所使用的鋼材不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)生脆性斷裂。所用鋼材含碳量及含硫量均超過(guò)用于焊接結(jié)構(gòu)鋼材的要求，即含碳不超過(guò)0.22％，含硫量不超過(guò)0.055％。硫的析出集中點(diǎn)正是弦桿鋼發(fā)生脆性破壞的部位。

原因之二是斷裂處焊縫低劣，以及焊接接縫處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，助長(zhǎng)了此桁架的斷裂破壞。經(jīng)檢查，多處焊縫明顯未焊透，有焊瘤、夾雜缺陷，焊接質(zhì)量差?；A(chǔ)知識(shí)2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響

2.3.1鋼材的晶體結(jié)構(gòu)

2.3.2鋼材的基本晶體組織2.3.3鋼材的成分對(duì)性能的影響

2.3.1鋼材的晶體結(jié)構(gòu)

鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵-碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格(見(jiàn)下圖)。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。鋼材的晶格并不都是完好無(wú)缺地規(guī)則排列，而是存在許多缺陷，它們將顯著地影響鋼材的性能，這是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小的根本原因。其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。

2.3.2鋼材的基本晶體組織

鋼是以鐵（Fe）為主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組織，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖像(見(jiàn)下圖)，故也稱顯微組織。主要有鐵素體、滲碳體、珠光體和奧氏體。片狀珠光體（1000倍）

針狀和塊狀鐵素體（100倍）2.3.3鋼材的成分對(duì)性能的影響

除鐵、碳外，鋼材在冶煉過(guò)程中會(huì)從原料、燃料中引入一些的其他元素。鋼材的成分對(duì)性能有重要影響。這些成分可分為兩類(lèi)：一類(lèi)能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一類(lèi)能劣化鋼材的性能，屬鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等。觀察與討論2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響

(1)碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響

(2)鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能討論(1)碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響

下圖是碳素鋼基本組織相對(duì)含量與含碳量的關(guān)系。請(qǐng)分析低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼隨著含碳量的增加，其基本組織及性能如何變化。

鐵碳合金的含碳量與晶體組織及性能之間的關(guān)系討論(1)碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響

建筑鋼材的含碳量不大于0.8％，即基本組織為鐵素體和珠光體。從圖可見(jiàn)，隨含碳量增加，珠光體含量增加，而鐵素體則相應(yīng)減少。故高碳鋼的強(qiáng)度較高，而塑性、韌性相應(yīng)較低。討論(2)鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能

請(qǐng)觀察以下晶格缺陷示意動(dòng)畫(huà)，討論鋼材的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的關(guān)系。討論(2)鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能

①鋼材晶格中，有些平面上的原子較密集，結(jié)合力較強(qiáng)。而面與面之間，則由于原子間距離較大，結(jié)合力較弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面產(chǎn)生相對(duì)滑移，故建筑鋼材塑性變形較大。

②從上面的動(dòng)畫(huà)可見(jiàn)，鋼材的晶格存在許多缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷，由于這些缺陷的存在，使晶格受力滑移時(shí)，不是理論上的整個(gè)滑移面上全部原子一起移動(dòng)，只是缺陷處局部移動(dòng)，故實(shí)際強(qiáng)度低于理論強(qiáng)度。工程實(shí)例分析2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響

鋼結(jié)構(gòu)倒塌

現(xiàn)象原因分析

蘇聯(lián)某鋼鐵廠倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸廊道為鋼結(jié)構(gòu)，于某日倒塌。經(jīng)檢查可知：桿件發(fā)生斷裂的位置在應(yīng)力集中處節(jié)點(diǎn)附近的整塊母材上，桁架腹板和弦桿的焊接接頭均未破壞；全部斷口和拉斷處都很新鮮,未發(fā)黑、無(wú)銹跡。所用鋼材為蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CT·3號(hào)沸騰鋼。原因分析2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響

切取母材作化學(xué)成分分析可知：其碳、硫含量均超過(guò)蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)所用CT·3號(hào)沸騰鋼的碳硫含量規(guī)定。其中55％的沸騰鋼中碳平均含量超過(guò)0.22％的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，破壞發(fā)生部位附近含量達(dá)0.38％；32％的試樣硫含量超過(guò)0.055％的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在折斷部位達(dá)0.1％。

碳對(duì)鋼的性能有重要的影響。碳含量增加，鋼強(qiáng)度、硬度增高，而塑性和韌性降低，且增大鋼的冷脆性，降低可焊性。而硫多數(shù)以FeS形成存在，是強(qiáng)度較低、較脆的夾雜物，受力易引起應(yīng)力集中，降低鋼的強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，且對(duì)熱加工和焊接不利，偏析亦嚴(yán)重。由于此鋼材不宜焊接，且使用的環(huán)境溫度較低，這是導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的主要原因?；A(chǔ)知識(shí)2.4鋼材的強(qiáng)化與加工

2.4.1冷加工強(qiáng)化2.4.2時(shí)效處理2.4.3熱處理2.4.1冷加工強(qiáng)化

將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋使其產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度，降低塑性韌性，這個(gè)過(guò)程稱為冷加工強(qiáng)化處理。2.4.2時(shí)效處理

將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放15～20d，或加熱至100～200℃后保持一定時(shí)間（2～3h），其屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度也提高，同時(shí)塑性和韌性也進(jìn)一步降低，彈性模量則基本恢復(fù)。這個(gè)過(guò)程稱為時(shí)效處理。

時(shí)效處理方法有兩種：在常溫下存放15～20d，稱為自然時(shí)效，適合用于低強(qiáng)度鋼筋；加熱至100～200℃后保持一定時(shí)間（2～3h），稱人工時(shí)效，適合于高強(qiáng)鋼筋。2.4.3熱處理

熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度制度，進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理，以改變其晶格組織，得到所需要的性能的一種工藝。

熱處理包括淬火、回火、退火和正火，見(jiàn)下圖。

鋼的熱處理工藝觀察與討論討論2.4鋼材的強(qiáng)化與加工

冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理

請(qǐng)觀察下圖鋼筋的應(yīng)力--應(yīng)變曲線，并討論冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理。

鋼筋冷拉時(shí)效后應(yīng)力--應(yīng)變圖的變化

討論2.4鋼材的強(qiáng)化與加工

從上圖可見(jiàn)，將鋼筋冷拉至強(qiáng)化階段的K點(diǎn)，然后卸荷，則產(chǎn)生塑性變形，若立即受拉，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線將沿O’KCD發(fā)展至破壞。這時(shí)，鋼筋在原來(lái)屈服階段不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，屈服點(diǎn)由B點(diǎn)提高到K點(diǎn)，但抗拉強(qiáng)度基本不變，塑性和韌性降低，彈性模量降低。冷加工強(qiáng)化的原因是冷拉至K點(diǎn)時(shí)，塑性變形造成滑移面內(nèi)晶格歪扭，畸變加劇，阻礙了進(jìn)一步滑移，提高了抵抗變形的能力。同時(shí)，由于塑性變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼材彈性模量降低。

工程實(shí)例分析2.4鋼材的強(qiáng)化與加工

鋼結(jié)構(gòu)吊車(chē)梁發(fā)現(xiàn)裂紋

現(xiàn)象原因分析

某廠氣輪車(chē)間吊車(chē)梁為鋼結(jié)構(gòu)，建成后質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。分布于上、下翼緣最多，腹板處較少；加勁筋上無(wú)裂紋，加勁板與梁翼或腹板之間的焊縫及附近亦未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋深度經(jīng)鏟后，用深度計(jì)復(fù)測(cè)，大多數(shù)的深度為1～2mm，少量紋深達(dá)3mm。此批構(gòu)件鋼材雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；環(huán)境溫度正常；工程尚未使用；構(gòu)件運(yùn)輸安裝過(guò)程未被撞擊；裂紋部位遠(yuǎn)離焊接影響區(qū)。原因分析2.4鋼材的強(qiáng)化與加工

經(jīng)研究獲悉：在生產(chǎn)鋼材時(shí)，由于片面追求速度，鑄鋼時(shí)剛澆好的鋼錠僅冷卻至400℃～500℃就拆模，未檢查與清理即送至升溫軋鋼，軋制時(shí)鋼板溫度還在300℃以上，就送去結(jié)構(gòu)加工廠下料制作，鋼板冷卻至50℃左右時(shí)，已有裂紋。即鋼錠溫差過(guò)大，導(dǎo)致鋼材表面存在大量微裂紋，經(jīng)加熱軋壓，裂紋不能閉合消失；由于鋼錠是多邊形，故所軋制的鋼板上下兩面有裂紋。而加勁板為另外采購(gòu)的鋼板，故未發(fā)現(xiàn)裂紋?；A(chǔ)知識(shí)2.5土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用

2.5.1建筑常用鋼種2.5.2鋼結(jié)構(gòu)用鋼

2.5.3混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

2.5.4鋁合金

2.5.1建筑常用鋼種1.

碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法等四部分按順序組成2.

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)錳含量的不同可分為普通錳含量鋼和較高錳含量鋼兩組。3.

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是一種在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于5％的合金元素的鋼材，具有強(qiáng)度高，塑性和低溫沖擊韌性好、耐銹蝕等特點(diǎn)。2.5.2鋼結(jié)構(gòu)用鋼

鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成形的鋼板和型鋼等；薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼；鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)用鋼有熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、棒材、鋼管和板材。2.5.3混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度很低。用鋼筋增強(qiáng)混凝土，可大大擴(kuò)展混凝土的應(yīng)用范圍，而混凝土又對(duì)鋼筋起保護(hù)作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，包括熱軋鋼筋、冷軋扭鋼筋和冷軋帶肋鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線。2.5.4鋁合金

純鋁在建筑上的應(yīng)用較少，可加工成鋁粉，用于加氣混凝土的發(fā)氣。為提高鋁的強(qiáng)度，在鋁中可加入錳、鎂、銅、硅、鋅等制成各種鋁合金，鋁合金可被加工成各種鋁合金門(mén)窗、龍骨、壓型板、花紋板、管材、型材、棒材等。觀察與討論2.5土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用

鋼支架的鋼材選用華北某廠需焊接一座露天且需承受動(dòng)荷載的鋼支架，該廠已有三種碳素結(jié)構(gòu)鋼，厚度均為80mm，Q235抗拉強(qiáng)度已可滿足設(shè)計(jì)要求。三種鋼材的價(jià)格是Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ。請(qǐng)選用。Ⅰ

Q235A·FⅡ

Q235A·bⅢ

Q235C2.5.1建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用

選Ⅰ不當(dāng)。Q235A·F為沸騰鋼，其內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物較多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻，抗沖擊韌性特別是低溫抗沖擊韌性差，可焊性差，不宜用于承受動(dòng)荷載的焊接鋼結(jié)構(gòu)。請(qǐng)?jiān)龠x。2.5.1建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用

Q235A·b為半沸騰鋼，性能雖優(yōu)于Q235A·F，但焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)保證碳的極限含量，而Q235A鋼的含碳量是不作為交貨條件的，一般不用于焊接結(jié)構(gòu)。另外厚度較大的鋼材，塑性、沖擊韌性及焊接性能一般較差，選用厚度較大的焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選用材質(zhì)較好的鋼。2.5.1建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用選擇正確。結(jié)構(gòu)鋼材的選用至少應(yīng)具有屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率三項(xiàng)機(jī)械性能和硫磷含量?jī)身?xiàng)化學(xué)成分的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)有含碳量的合格保證。對(duì)于較大型構(gòu)件、直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對(duì)于大、重型結(jié)構(gòu)和直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，還需根據(jù)冬季工作濕度情況，選用的鋼材需具有常溫，低溫沖擊韌性的合格保證。

還需說(shuō)明的是，低含量高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由于合金元素的強(qiáng)化作用，不但有較多的強(qiáng)度，而且具有較好的塑性、韌性和可焊性。Q345鋼及Q390鋼的綜合性能較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼。其價(jià)格雖稍高，但有更好的承受動(dòng)荷載和耐疲勞性能，可節(jié)省鋼材、減輕結(jié)構(gòu)自重。大跨度、大型結(jié)構(gòu)及承受動(dòng)力荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)廣泛采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

工程實(shí)例分析2.5土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用

韓國(guó)漢城大橋倒塌

現(xiàn)象原因分析

1994年10月21日，韓國(guó)漢城漢江圣水大橋中段50m長(zhǎng)的橋體像刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。該橋由韓國(guó)最大的建筑公司之一的東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979建成。原因分析韓國(guó)漢城大橋倒塌

事故原因調(diào)查團(tuán)經(jīng)五個(gè)多月的各種試驗(yàn)和研究，于次年4月2日提交了事故報(bào)告。事故原因主要有以下兩方面：

a.東亞建筑公司沒(méi)有按圖紙施工，在施工中偷工減料，利用疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材，這是事故的直接原因。

b.當(dāng)時(shí)韓國(guó)縮短工期及漢城市政當(dāng)局在交通管理上的疏漏也是大橋倒塌的主要原因。設(shè)計(jì)負(fù)載限制為32t，建成后交通流量逐年增加，超常負(fù)荷，倒塌時(shí)負(fù)載為43.2t?；A(chǔ)知識(shí)2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)

2.6.1鋼材的腐蝕

2.6.2鋼材的防護(hù)

2.6.1鋼材的腐蝕

鋼材表面與周?chē)橘|(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(shí)，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(huì)產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中；腐蝕會(huì)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。2.6.2鋼材的防護(hù)1.鋼材的防腐

具體措施有采用耐候鋼、金屬覆蓋、非金屬覆蓋和混凝土用鋼筋的防銹。2.鋼材的防火

鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的基本原理是采用絕熱或吸熱材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率。防火方法以包覆法為主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土、砂漿將鋼構(gòu)件包裹起來(lái)。觀察與討論討論2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)

板梁底出現(xiàn)裂縫

華南地區(qū)某海港油氣碼頭引橋使用僅8年，π形板梁底出現(xiàn)明顯裂縫及鋼筋銹蝕。而π型板卻基本完好，請(qǐng)討論其原因。π型板梁底出現(xiàn)明顯裂縫圖基本完好的π型板討論2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)

從上表中可見(jiàn)，

隨混凝土深度增加，Cl-含量依次遞減。目前，國(guó)外一般把混凝土內(nèi)Cl-含量達(dá)到其致銹臨界含量值時(shí)的時(shí)間，確定為混凝土的安全使用壽命。具體臨界含量值各國(guó)各地區(qū)有差別。我國(guó)華南地區(qū)海港碼頭調(diào)查該值為0.105％～0.145％。該混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度為5.5cm，且由于施工偏差，部分構(gòu)件實(shí)際保護(hù)層厚度低于設(shè)計(jì)值。當(dāng)海水中Cl-滲透進(jìn)混凝土，使鋼筋表面Cl-含量達(dá)致銹值時(shí)，銹蝕開(kāi)始；腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土產(chǎn)生與鋼筋平行的順筋裂縫，乃至混凝土開(kāi)裂，鋼筋的電化學(xué)腐蝕迅速進(jìn)行。工程實(shí)例分析2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)

廣東某斜拉橋拉索腐蝕失效分析現(xiàn)象原因分析

廣東某斜拉橋(見(jiàn)右圖)竣工于1989年。1995年5月其中一條拉索突然墜落，經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)其他拉索的鋼絲已受不同程度的腐蝕，該橋最后全部更換新拉索。作者與其他教師一道對(duì)此拉索失效的原因作檢測(cè)分析，研究其腐蝕失效的原因。

原因分析2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)

對(duì)墜落的拉索進(jìn)行研究，鋼絲的腐蝕程度由下而上逐漸增加，且與所灌注的水泥漿體的情況有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由下到上劃分為五個(gè)區(qū)段。

①基本正常段②略有銹蝕段③較少銹蝕段④銹蝕一般段

⑤銹蝕嚴(yán)重

拉索鋼絲所受的腐蝕原因是所灌注的水泥漿體不凝結(jié)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；而水泥漿體所含的一定量的氯離子及鋼絲在拉應(yīng)力的作用下更加速了此銹蝕過(guò)程。創(chuàng)新能力培養(yǎng)

鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火防襲擊

鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多優(yōu)點(diǎn)，與鋼筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、環(huán)保和節(jié)能效果；可實(shí)現(xiàn)構(gòu)架的輕量化和構(gòu)件的大型化，施工亦較為簡(jiǎn)便。但同時(shí)也存在不少缺點(diǎn)，其中較突出的一點(diǎn)是防火問(wèn)題。美國(guó)紐約的世貿(mào)大廈為鋼結(jié)構(gòu)，2001年9月11日被恐怖分子襲擊而倒塌（見(jiàn)右圖），這給人們提出了鋼結(jié)構(gòu)防火、防襲擊破壞的新課題。請(qǐng)談?wù)勀愕囊庖?jiàn)。創(chuàng)造性思維點(diǎn)撥創(chuàng)造性思維點(diǎn)撥

創(chuàng)造性思維所要解決的問(wèn)題一般是前所未有的，故用常規(guī)的辦法一般難以解決。常需經(jīng)過(guò)艱難的分析思索，在此階段人們常會(huì)交替進(jìn)行多種形式的創(chuàng)造性思維，如發(fā)散與集中、邏輯與非邏輯、正思維與逆思維等等。

一些鋼結(jié)構(gòu)建筑原已考慮到防火問(wèn)題，為此在鋼材表面涂防火涂料層。但涂覆防火涂料并不保險(xiǎn)，例如美國(guó)世貿(mào)大廈遇襲后短時(shí)間即坍塌。解決此問(wèn)題不應(yīng)僅僅著眼于防火涂料的改進(jìn)，從發(fā)散思維的角度還可考慮鋼材本身的性能改進(jìn)，如通過(guò)與無(wú)機(jī)非金屬材料的復(fù)合，提高鋼結(jié)構(gòu)材料本身的防火等方面的能力。還可設(shè)想研究材料或結(jié)構(gòu)本身的自滅火性能，或者考慮如何綜合多因素選用土木工程材料，以增強(qiáng)重要建筑的防火、防襲的能力等。常見(jiàn)問(wèn)題及解答

2-1為什么用材料的屈服點(diǎn)而不是其抗拉強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)取值的依據(jù)？2-2為什么將鋼材的伸長(zhǎng)率作為建筑用鋼材的一個(gè)重要技術(shù)性能指標(biāo)？2-3為何冷加工強(qiáng)化的鋼材會(huì)有塑性降低、脆性增大的副作用？2-1解答2-2解答2-3解答常見(jiàn)問(wèn)題及解答2-1為什么用材料的屈服點(diǎn)而不是其抗拉強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)取值的依據(jù)？

解答：屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度是衡量鋼材強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)。極限抗拉強(qiáng)度是試件能承受最大應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求構(gòu)件在彈性變形范圍內(nèi)工作，即使少量的塑性變形也應(yīng)力求避免，所以規(guī)定以鋼材的屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)應(yīng)力的依據(jù)?？估瓘?qiáng)度在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能完全利用，但屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比（屈強(qiáng)比）卻有一定的意義。屈強(qiáng)比越小，結(jié)構(gòu)的安全性越高。常見(jiàn)問(wèn)題及解答2-2為什么將鋼材的伸長(zhǎng)率作為建筑用鋼材的一個(gè)重要技術(shù)性能指標(biāo)？

解答：鋼材在使用中，為避免正常受力時(shí)在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生脆斷，要求其塑性良好，即具有一定的伸長(zhǎng)率，可以使缺陷處超過(guò)材料的屈服點(diǎn)時(shí)，隨著發(fā)生塑性變形使應(yīng)力重新分布，而避免鋼材提早破壞。同時(shí)，常溫下將鋼材加工成一定形狀，也要求鋼材要具有一定塑性。但伸長(zhǎng)率不能過(guò)大，否則會(huì)使鋼材在使用中超過(guò)允許的變形值。本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)

本章共6個(gè)知識(shí)點(diǎn)。本章的學(xué)習(xí)目標(biāo)是：⑴掌握石膏、石灰及水玻璃等氣硬性膠凝材料的硬化機(jī)理性質(zhì)及使用要點(diǎn)，熟悉其主要用途；⑵熟悉硅酸鹽水泥的礦物組成，了解其硬化機(jī)理，熟練掌握通用硅酸鹽水泥的性能特點(diǎn)，相應(yīng)的檢測(cè)方法及選用原則；⑶了解特性水泥和專(zhuān)用水泥的主要性能及使用特點(diǎn)。本章的難點(diǎn)是硅酸鹽水泥的組成、技術(shù)要求，重點(diǎn)是通用硅酸鹽水泥的性能特點(diǎn)和選用原則。水泥品種繁多，建議學(xué)習(xí)中以硅酸鹽水泥為點(diǎn)，搞清楚此點(diǎn)后拓展至其它通用硅酸鹽水泥，再拓展至其它特性水泥和專(zhuān)用水泥，采用點(diǎn)面結(jié)合、對(duì)比的學(xué)習(xí)方法。建議本章課內(nèi)5學(xué)時(shí)，課外3學(xué)時(shí)。歷史回顧古埃及人發(fā)現(xiàn)尼羅河流域盛產(chǎn)的石膏可以做成很好的粘結(jié)材料。他們發(fā)現(xiàn)，把開(kāi)采出來(lái)的石膏碾碎磨細(xì)，再加上少量粘土一起煅燒，就會(huì)失去一部分結(jié)晶水成為熟料。熟料中加水，調(diào)成糊狀，過(guò)不了多久又會(huì)重新變硬，而且石膏糊粘性甚好。由此，埃及人發(fā)明了與水泥相似的石膏粘結(jié)劑，并用它創(chuàng)造了世界建筑史上的奇跡——金字塔。這些金字塔是由巨大的石塊以石膏復(fù)合膠凝材料粘結(jié)而成的具有良好的耐久性。金字塔使用的膠凝材料基礎(chǔ)知識(shí)3.1

石灰

3.1.1石灰的生產(chǎn)及分類(lèi)3.1.2石灰的熟化與硬化3.1.3

石灰的性質(zhì)與技術(shù)要求3.1.4石灰的應(yīng)用3.1.1石灰的生產(chǎn)及分類(lèi)

生石灰粉：石灰在制備過(guò)程中，采用石灰石、白云石、白堊、貝殼等原料經(jīng)煅燒后，即得到塊狀的生石灰，生石灰粉是由塊狀生石灰磨細(xì)而成。

消石灰粉：將生石灰用適量水經(jīng)消化和干燥而成的粉末，主要成分為Ca(OH)2,稱為消石灰粉。

石灰膏：將塊狀生石灰用過(guò)量水(約為生石灰體積的3～4倍)消化，或?qū)⑾曳酆退韬?，所得的一定稠度的膏狀物，主要成分為Ca(OH)2和水。3.1.2石灰的熟化與硬化

1.石灰的熟化

生石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，稱為石灰的熟化。石灰的熟化過(guò)程會(huì)放出大量的熱，熟化時(shí)體積增大1～2.5倍。為了消除過(guò)火石灰的危害，石灰膏在使用之前應(yīng)進(jìn)行陳伏。陳伏是指石灰乳在儲(chǔ)灰坑中放置14d以上的過(guò)程。

2.石灰漿體的硬化

石灰漿體的硬化包括干燥結(jié)晶和碳化，后者過(guò)程緩慢。（1）干燥結(jié)晶硬化過(guò)程石灰漿體在干燥過(guò)程中，游離水分蒸發(fā)，形成網(wǎng)狀孔隙，使石灰粒子更緊密，并使Ca(OH)2從飽和溶液中逐漸結(jié)晶析出。（2）碳化過(guò)程Ca(OH)2與空氣中的CO2和水反應(yīng)，形成碳酸鈣。由于碳化作用主要發(fā)生在顆粒表層，且生成的CaCO3膜層較致密，阻礙了空氣中CO2的滲入，也阻礙了內(nèi)部水分蒸發(fā)，因此硬化緩慢。

3.1.3

石灰的性質(zhì)與技術(shù)要求

石灰的性質(zhì)是可塑性好；硬化較慢，強(qiáng)度低，硬化時(shí)體積收縮大，耐水性差，吸濕性強(qiáng)。建筑生石灰技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目鈣質(zhì)生石灰鎂質(zhì)生石灰優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品CaO+MgO含量不少于（％）908580858075CO2含量不大與（％）5796810未消化殘?jiān)浚?mm圓孔篩余）不大于（％）5101551015產(chǎn)漿量，不少于（L/kg）2.82.32.02.82.32.03.1.4石灰的應(yīng)用

1.石灰乳將消石灰粉或熟化好的石灰膏加入大量的水?dāng)嚢柘♂專(zhuān)蔀槭胰?。主要用于?nèi)墻和天棚刷白，石灰乳中加入各種耐堿顏料，可形成彩色石灰乳。2.配制砂漿由于石灰膏和消石灰粉中氫氧化鈣顆粒非常小，調(diào)水后具有很好的可塑性。因而，?？捎檬腋嗷蛳曳叟渲瞥墒疑皾{或水泥石灰混合砂漿。3.石灰土和三合土石灰與粘土拌合后稱為灰土或石灰土，再加砂或爐渣等即成為三合土。用于建筑物的地基和道路工程的基層、墊層。4.制作硅酸鹽制品以磨細(xì)的石灰與硅質(zhì)材料為膠凝材料，必要時(shí)加入少量石膏，經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)或蒸壓養(yǎng)護(hù)制作硅酸鹽制品。

觀察與討論討論3.1

石灰

石灰砂漿的裂紋

請(qǐng)觀察下圖A、B兩種已經(jīng)硬化的石灰砂漿產(chǎn)生的裂紋有何差別，并討論其成因。

石灰砂漿A

石灰砂漿B

3.1

石灰

討論

在煅燒過(guò)程中，若溫度過(guò)低或煅燒時(shí)間不足，使得CaCO3不能完全分解，將會(huì)生成“欠火石灰”。如果煅燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或溫度過(guò)高，將生成顏色較深、塊體致密的“過(guò)火石灰”。過(guò)火石灰水化極慢，當(dāng)石灰變硬后才開(kāi)始熟化，產(chǎn)生體積膨脹，引起已變硬石灰體的隆起鼓包和開(kāi)裂。

石灰砂漿A為凸出放射性裂紋，這是由于石灰漿的陳伏時(shí)間不足，致使其中部分過(guò)火石灰在石漿砂漿制作時(shí)尚未水化，導(dǎo)致在硬化的石灰砂漿中繼續(xù)水化成Ca(OH)2，產(chǎn)生體積膨脹，從而形成膨脹性裂紋。

石灰砂漿B為網(wǎng)狀干縮性裂紋，是因石灰砂漿在硬化過(guò)程中干燥收縮所致。尤其是水灰比過(guò)大、石灰過(guò)多，易產(chǎn)生此類(lèi)裂紋。工程實(shí)例分析3.1

石灰

(1)內(nèi)外墻粉刷層爆裂

(2)石灰的選用現(xiàn)象原因分析(1)內(nèi)外墻粉刷層爆裂

上海某新村四幢六層樓1989年9-11月進(jìn)行內(nèi)外墻粉刷，1990年4月交付甲方使用。此后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)內(nèi)外墻粉刷層發(fā)生爆裂。至5月份陰雨天，爆裂點(diǎn)迅速增多，破壞范圍上萬(wàn)平方米。爆裂源為微黃色粉?；蚍哿?。該內(nèi)外墻粉刷用的“水灰”，系寶山某廠自辦的“三產(chǎn)”性質(zhì)的部門(mén)供應(yīng)，該部門(mén)由個(gè)人承包。

經(jīng)了解，粉刷過(guò)程已發(fā)現(xiàn)“水灰”中有一些粗顆粒。對(duì)采集的微黃色爆裂物作X射線衍射分析，證實(shí)除含石英、長(zhǎng)石、CaO、Ca(OH)2、CaCO3外，還含有較多的MgO、Mg(OH)2以及少量白云石。原因分析(1)內(nèi)外墻粉刷層爆裂

該“水灰”含有相當(dāng)數(shù)量的粗顆粒，相當(dāng)部分為CaO與MgO，這些未充分消解的CaO和MgO在潮濕的環(huán)境下緩慢水化，分別生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，固相體積膨脹約2倍，從而產(chǎn)生爆裂破壞。還需說(shuō)明的是，MgO的水化速度更慢，更易造成危害。

使用劣質(zhì)建材，就是給工程埋下定時(shí)炸彈，危害人民利益?，F(xiàn)象原因分析(2)石灰的選用

工地急需配制石灰砂漿。當(dāng)時(shí)有消石灰粉、生石灰粉及生石灰三種材料可供選用。因生石灰價(jià)格相對(duì)較便宜，便選用，并馬上加水配制石灰膏，再配制石灰砂漿。使用數(shù)日后，石灰砂漿出現(xiàn)眾多凸出的膨脹性裂縫。石灰砂漿的膨脹性裂縫

原因分析(2)石灰的選用

該石灰的陳伏時(shí)間不夠。數(shù)日后部分過(guò)火石灰在已硬化的石灰砂漿中熟化，體積膨脹，以致產(chǎn)生膨脹性裂紋。

因工期緊，若無(wú)現(xiàn)成合格的石灰膏，可選用消石灰粉或生石灰粉。消石灰粉在磨細(xì)過(guò)程中，把過(guò)火石灰磨成細(xì)粉，克服了過(guò)火石灰在熟化時(shí)造成的體積安定性不良的危害。故可不必陳伏可直接使用，且生石灰熟化時(shí)放出的熱可大大加快砂漿的凝結(jié)硬化，加水量亦較少，硬化后的砂漿強(qiáng)度亦較高。3.2石膏

3.2.4建筑石膏的應(yīng)用

3.2.1石膏的種類(lèi)3.2.2建筑石膏的水化硬化3.2.3建筑石膏的性質(zhì)與技術(shù)要求基礎(chǔ)知識(shí)3.2.1石膏的種類(lèi)1.天然二水石膏（CaSO4?2H2O）天然二水石膏又稱生石膏或軟石膏。它是生產(chǎn)石膏膠凝材料的主要原料。純凈的天然二水石膏礦石呈無(wú)色透明或白色，但天然石膏常含有各種雜質(zhì)而呈灰色，褐色，黃色，紅色，黑色等顏色。2．化工石膏化工石膏是指一些含有CaSO4·2H2O與CaSO4混合物的化工副產(chǎn)品及廢渣，如磷石膏是制造磷酸時(shí)的廢渣，此外還有鹽石膏、硼石膏、鈦石膏等。3．天然無(wú)水石膏（CaSO4）天然無(wú)水石膏結(jié)晶緊密，結(jié)構(gòu)比天然二水石膏致密，質(zhì)地較硬，難溶于水，又稱天然硬石膏。天然硬石膏一般作為生產(chǎn)水泥的原料。4．建筑石膏（β-CaSO4?H2O）建筑石膏是以β半水石膏為主要成分，不預(yù)加任何外加劑的粉狀膠結(jié)料，主要用于制作石膏建筑制品。5．高強(qiáng)石膏（α-CaSO4?H2O）將二水石膏置于0.13MPa、124℃的過(guò)飽和蒸壓條件下，或置于某些鹽溶液中沸煮，可獲得晶粒較粗、較致密的α型半水石膏即高強(qiáng)石膏。3.2.2建筑石膏的水化硬化石膏漿體中的自由水分因水化和蒸發(fā)而逐漸減少，粒子總表面積增加，因而漿體可塑性逐漸減小，漿體漸漸變稠，這一過(guò)程稱為凝結(jié)。其后，漿體繼續(xù)變稠，逐漸凝聚成為晶體。晶體逐漸長(zhǎng)大，共生和相互交錯(cuò)，漿體逐漸產(chǎn)生強(qiáng)度，并不斷增長(zhǎng)，直到完全干燥。晶體之間的摩擦力和粘結(jié)力不再增加，強(qiáng)度才停止發(fā)展。這一過(guò)程稱為建筑石膏的硬化。石膏漿體的凝結(jié)和硬化是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。凝結(jié)可以分為初凝和終凝兩個(gè)階段：將漿體開(kāi)始失去可塑性的狀態(tài)稱為漿體初凝，從加水至初凝的這段時(shí)間稱為初凝時(shí)間；漿體完全失去可塑性，并開(kāi)始產(chǎn)生強(qiáng)度稱為漿體終凝，從加水至終凝的時(shí)間稱為終凝時(shí)間。3.2.3建筑石膏的性質(zhì)與技術(shù)要求1.

建筑石膏的性質(zhì)

建筑石膏凝結(jié)硬化快，其制品具有以下特性：硬化時(shí)體積微膨脹；硬化后孔隙率較大，表觀密度和強(qiáng)度較低；隔熱、吸聲性良好；防火性能良好；具有一定的調(diào)溫調(diào)濕性；耐水性和抗凍性差；加工性能好。2.

建筑石膏的技術(shù)要求

根據(jù)GB9776-88《建筑石膏》規(guī)定，建筑石膏按強(qiáng)度、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間指標(biāo)分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個(gè)等級(jí)。3.2.4建筑石膏的應(yīng)用1.

粉刷石膏

粉刷石膏是二水石膏或無(wú)水石膏經(jīng)煅燒，產(chǎn)生的生成物(β-CaSO4·1/2H2O和Ⅱ型CaSO4）單獨(dú)或兩者混合后摻入外加劑，也可加入集料制成的膠結(jié)料。粉刷石膏按用途分為面層粉刷石膏(Ｍ)、底層粉刷石膏(Ｄ)和保溫層粉刷石膏(Ｗ)。2.

建筑石膏制品

建筑石膏制品的種類(lèi)很多，如紙面石膏板、空心石膏板、石膏砌塊、裝飾石膏板、石膏角線、燈圈、羅馬柱等，主要用于分室墻、內(nèi)隔墻、吊頂及裝飾。觀察與討論(1)建筑石膏粉的質(zhì)量問(wèn)題

(2)硬化石膏的結(jié)構(gòu)與性能3.2石膏

討論（1）建筑石膏粉的質(zhì)量問(wèn)題

請(qǐng)觀察建筑石膏粉，并分析是否宜用此石膏粉制作粘結(jié)制品或石膏制品。石膏粉吸潮結(jié)粒討論（1）建筑石膏粉的質(zhì)量問(wèn)題

從上圖可見(jiàn)該建筑石膏粉已吸潮結(jié)粒，對(duì)凝結(jié)硬化性能及強(qiáng)度均有影響，已不宜使用。

由于建筑石膏粉易吸潮，影響其以后使用時(shí)的凝結(jié)硬化性能和強(qiáng)度，長(zhǎng)期儲(chǔ)存也會(huì)降低強(qiáng)度，因此建筑石膏粉存貯時(shí)必須防潮，儲(chǔ)存時(shí)間不得過(guò)長(zhǎng)，一般不得超過(guò)三個(gè)月。討論請(qǐng)觀察下圖中硬化石膏的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析硬化石膏的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)。建筑石膏制品

(2)硬化石膏的結(jié)構(gòu)與性能討論(2)硬化石膏的結(jié)構(gòu)與性能從上圖可見(jiàn)建筑石膏制品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是多孔。

①隔熱吸聲性良好。因多封閉的細(xì)微孔，導(dǎo)熱系數(shù)也就較低，且其大多是微孔，表面微孔會(huì)使聲音反射或傳導(dǎo)的能力顯著下降從而有好的吸聲性能。

②防火性能好。

③具一定的阻濕阻溫性。

④耐水性及防凍性差。

⑤加工性能好。工程實(shí)例分析3.2石膏

（1）石膏飾條粘貼失效

（2）石膏制品發(fā)霉變形

現(xiàn)象原因分析（1）石膏飾條粘貼失效

某工人用建筑石膏粉拌水，拌成一桶石膏漿，用以在光滑的天花板上直接粘貼石膏飾條，前后半小時(shí)完工。幾天后最后粘貼的兩條石膏飾條突然墜落。原因分析（1）石膏飾條粘貼失效

①建筑石膏拌水后一般數(shù)分鐘至半小時(shí)左右凝結(jié)，后來(lái)粘貼石膏飾條時(shí)石膏漿已初凝，粘結(jié)性能差?？蓳饺刖從齽娱L(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間；或者分多次配制石膏漿，即配即用。

②在光滑的天花板上直接貼石膏條，粘貼難以牢固，宜對(duì)表面予以打刮，以利粘貼?；蛘?，在粘結(jié)的石膏漿中摻入部分粘結(jié)性強(qiáng)的粘結(jié)劑?，F(xiàn)象原因分析（2）石膏制品發(fā)霉變形

某住戶喜愛(ài)石膏制品，全宅均用普通石膏浮雕板作裝飾。使用一段時(shí)間后，客廳、臥室效果相當(dāng)好，但廚房、廁所、浴室的石膏制品出現(xiàn)發(fā)霉變形。原因分析（2）石膏制品發(fā)霉變形

廚房、廁所、浴室等處一般較潮濕，普通石膏制品具有強(qiáng)的吸濕性和吸水性，在潮濕的環(huán)境中，晶體間的粘結(jié)力削弱，強(qiáng)度下降、變形，且還會(huì)發(fā)霉。

建筑石膏一般不宜在潮濕和溫度過(guò)高的環(huán)境中使用。欲提高其耐水性，可于建筑石膏中摻入一定量的水泥或其他含活性SiO2、Al2O3及CaO的材料，如粉煤灰、石灰。摻入有機(jī)防水劑亦可改善石膏制品的耐水性。

基礎(chǔ)知識(shí)3.3其他氣