02-1土木工程材料

1、前言2、傳統(tǒng)土木工程材料3、近代土木工程材料4、現(xiàn)代土木工程材料主要內(nèi)容一、前言土木工程中所使用的各種材料統(tǒng)稱(chēng)為土木工程材料或建筑材料。土木工程材料直接影響建筑物或構(gòu)筑物的性能、功能、壽命和經(jīng)濟(jì)成本，從而影響人類(lèi)生活空間的安全性、方便性、舒適性。土木工程材料的作用主要應(yīng)從三方面認(rèn)識(shí)：(1)材料對(duì)保證工程質(zhì)量的作用；(2)材料對(duì)工程造價(jià)的影響；(3)材料對(duì)工程技術(shù)進(jìn)步的促進(jìn)。

按化學(xué)成分分類(lèi)（1）無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)膠凝材料——石灰、石膏、水玻璃 砂漿、混凝土——水泥、砂漿、混凝土土木工程材料的分類(lèi)（2）有機(jī)材料木材、瀝青、塑料、涂料、油漆（3）復(fù)合材料金屬與非金屬?gòu)?fù)合—鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土有機(jī)與無(wú)機(jī)復(fù)合—玻璃鋼、瀝青混凝土、聚合物混凝土按用途分類(lèi)

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、泡沫混凝土石器、鐵器時(shí)代——石材、大磚、石灰砂漿、石膏

金字塔（2000-3000BC)

萬(wàn)里長(zhǎng)城（200BC)18世紀(jì)中葉——鋼材、水泥19世紀(jì)——鋼筋混凝土（1890-1892）20世紀(jì)——預(yù)應(yīng)力混凝土、高分子材料21世紀(jì)——輕質(zhì)、高強(qiáng)、節(jié)能、高性能綠色建材建筑材料的發(fā)展-隨生產(chǎn)力發(fā)展而發(fā)展胡夫金字塔（2000-3000BC)，高146.59m,底部232m

232m，用230多萬(wàn)塊、每塊重2.5T的巖石砌成。萬(wàn)里長(zhǎng)城（200BC):條石、大磚、石灰砂漿早期使用土木工程材料主要有：

磚、瓦、石、灰、木材等。至今仍在土木工程材料中占有主要地位。二、傳統(tǒng)土木工程材料磚是一種常用的砌筑材料。磚瓦的生產(chǎn)和使用在我國(guó)歷史悠久，有“秦磚漢瓦”之稱(chēng)。制磚的原料容易取得，生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低，體積小，便于組合，所以至今仍然廣泛的用于墻體、基礎(chǔ)、柱等砌體建筑中。1磚1911年建造的清華學(xué)堂，感覺(jué)柔和，更容易使人接近。粉煤灰（左）和普通（右）燒結(jié)多孔磚燒結(jié)空心磚按生產(chǎn)工藝：燒結(jié)磚、非燒結(jié)轉(zhuǎn)；按所用材料：粘土磚、頁(yè)巖磚、煤矸石磚等；依生產(chǎn)形狀：實(shí)心磚、多孔磚、空心磚等。

生產(chǎn)粘土磚毀田取土量大、能耗高、磚自重大，生產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度高、功效低。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都在研制非燒結(jié)磚。非燒結(jié)粘土磚是利用不適合種田的山泥、廢土、砂等，加人少量水泥或石灰作固結(jié)劑及微量外加劑和適量水混合攪拌壓制成型，自然養(yǎng)護(hù)或蒸養(yǎng)一定時(shí)間即成。粘土瓦水泥瓦鋼絲網(wǎng)石棉水泥小波瓦玻璃鋼瓦按所用材料：粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、鋼絲網(wǎng)水泥瓦、玻璃鋼瓦等；依生產(chǎn)形狀：平瓦、波形瓦。2瓦3石天然石材（1）花崗巖硬石材，用于外墻飾面。（2）大理石硬度不大，對(duì)風(fēng)化抵抗較弱，用于室內(nèi)。人造石材（1）仿大理石飾面石膏板以石膏為主要原料，經(jīng)壓制、磨光而成的人造大理石。（2）水磨石飾面板將白水泥和白色石子及適量耐堿顏料，加水拌合后澆注，經(jīng)打磨、修補(bǔ)、拋光而成。（3）裝飾混凝土在混凝土預(yù)制或現(xiàn)澆的同時(shí)，完成自身的飾面處理的產(chǎn)物。歐洲最大的皇宮—法國(guó)凡爾賽宮，宮殿中建筑物的墻體以及外部的地面全部使用石塊建成砂是組成混凝土和砂漿的最主要組成材料之一，是土木工程的大宗材料。砂一般分為天然砂和人工砂兩類(lèi)。由自然條件作用(主要是巖石風(fēng)化)而形成的，粒徑在5mm以下的巖石顆粒，稱(chēng)為天然砂。粒徑大于5mm的的巖石顆粒，稱(chēng)為碎石或碎卵石。

砂石材料按形狀分類(lèi)：1）塊狀石料：簡(jiǎn)稱(chēng)石料，如塊石、片石等。2）粒狀石料：簡(jiǎn)稱(chēng)集料，集料又按大小分為：粗集料：如碎石、卵石細(xì)集料：如砂、石屑砂石材料按來(lái)源分類(lèi)：1）天然石料2）人工軋制的集料3）工業(yè)冶金礦渣4砂石砂石料生產(chǎn)流程5灰：石灰和石膏（1）石灰石灰石:

主要成分為碳酸鈣（CaCO3）；生石灰：以石灰石為原料經(jīng)過(guò)煅燒而成的，其主要成分為氧化鈣（CaO），又稱(chēng)為建筑石灰；熟石灰：工地上使用生石灰時(shí)，都要進(jìn)行熟化過(guò)程。即將生石灰加水進(jìn)行水化，使之消解為熟石灰-氫氧化鈣（Ca(OH)2）。石灰的技術(shù)性質(zhì)：（1）用石灰調(diào)成的石灰砂漿突出的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的可塑性；在水泥砂漿中摻入石灰漿，可塑性顯著提高；（2）石灰不宜在潮濕的環(huán)境下使用，也不宜單獨(dú)用于建筑物的基礎(chǔ)；（3）常在其中摻入砂、紙筋等以減少收縮和節(jié)約石灰；（4）貯存生石灰，不但要防止受潮，而且不宜貯存過(guò)久，儲(chǔ)存和運(yùn)輸生石灰時(shí)還要注意安全。石灰在土木建筑工程中的應(yīng)用：(1)配制水泥石灰混合砂漿、石灰砂漿等；(2)拌制灰土或三合土；(3)生產(chǎn)硅酸鹽制品。（2）石膏石膏是以水合硫酸鈣CaSO4·2H2O為主要成分的礦物，當(dāng)石膏中含有的結(jié)晶水不同時(shí)可形成多種性能不同的石膏。根據(jù)石膏中含有結(jié)晶水的多少不同可分為：1、無(wú)水石膏（ＣaSO4）2、天然石膏（ＣaSO4·2H2O）

3、建筑石膏（ＣaSO4·1/2H2O）建筑石膏是將天然石膏（生石膏）加熱至107～170℃的溫度條件下煅燒脫水成為半水石膏（熟石膏），然后把半水石膏磨細(xì)而制成的白色粉末。建筑石膏凝結(jié)硬化過(guò)程是半水石膏與水發(fā)生水化反應(yīng)。建筑石膏特點(diǎn)：（1）凝結(jié)速度快，早期強(qiáng)度高；（2）硬化初期不出現(xiàn)收縮和干燥裂縫，略有膨脹且不開(kāi)裂；（3）具有抗火性；（4）耐水性差。建筑石膏用途：室內(nèi)粉刷涂料；石膏板、裝飾制品；石膏雕塑等。木材是一種古老的工程材料。由于具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)今木材仍然在工程中占主要地位。木材在大氣環(huán)境下性能穩(wěn)定，不易變質(zhì)，許多木造建筑物可使用上千年。作落在杭州錢(qián)塘江湖畔的六合塔，至今已有1000多年的歷史了。杭州六合塔6木材樹(shù)木分為針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)兩大類(lèi)。針葉樹(shù)的樹(shù)干通直而高大，紋理平順，材質(zhì)均勻，木質(zhì)較軟而易加工，故又稱(chēng)為軟木材，承重構(gòu)件。闊葉樹(shù)的樹(shù)干通直部分一般較短，木質(zhì)較硬，較難加工，故又稱(chēng)為硬木材，內(nèi)部裝修。木材的順紋強(qiáng)度比其橫紋強(qiáng)度要大得多，所以工程上均充分利用它們的順紋強(qiáng)度。影響木材強(qiáng)度的主要因素：(1)含水量的影響；(2)負(fù)荷時(shí)間的影響；

(3)溫度的影響；(4)疵病的影響。近代使用土木工程材料主要有:

鋼材、水泥、混凝土等。在現(xiàn)代土木工程材料中仍占有主要地位。三、近代土木工程材料1鋼材19世紀(jì)初，人類(lèi)開(kāi)始將鋼材用于建造橋梁和房屋。當(dāng)前以鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑已在高層樓房中比比皆是。特點(diǎn)：材質(zhì)均勻，性能可靠，強(qiáng)度高，具有一定的塑性和韌性，具有承受沖擊和振動(dòng)荷載的能力，可焊接、錨接或螺栓連接，便于裝配。缺點(diǎn)：容易銹蝕、維修費(fèi)用高。香港中銀大廈按化學(xué)成分分類(lèi)：碳素鋼：低碳鋼（含碳量<

0.25％）中碳鋼（0.25～0.6％）高碳鋼（含碳量>0.6％）普通碳素鋼（硫

0.055％，磷

0.045％）優(yōu)質(zhì)碳素鋼（硫

0.040％，磷

0.040％）高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼（硫

0.035％，磷

0.030％）合金鋼：低合金鋼（合金元素<

5％）中合金鋼（合金元素5～10％）高合金鋼（合金元素>

10％）土木工程用的鋼材是指用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型材、鋼板、管材、和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等。槽鋼鋼管H型鋼角鋼工字鋼型鋼2水泥

水泥是粉狀的水硬性膠凝材料，即加水拌和成塑性漿體，能在空氣中和水中凝結(jié)硬化，可將其他材料膠結(jié)成整體，并形成堅(jiān)硬石材的材料。

按其用途及性能分為：通用水泥、專(zhuān)用水泥按化學(xué)成分為：①硅酸鹽類(lèi)水泥（有六大類(lèi)）硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥。②鋁酸鹽類(lèi)水泥專(zhuān)用水泥

(1)快硬硅酸鹽水泥快硬水泥凝結(jié)硬化快，故適用于緊急搶修工程、低溫施工工程和高標(biāo)號(hào)混凝土預(yù)制件等。但儲(chǔ)存和運(yùn)輸中要特別注意防潮，施工時(shí)不能與其他水泥混合使用。(2)快凝快硬硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱(chēng)雙快水泥）雙快水泥主要用于軍事工程、機(jī)場(chǎng)跑道、橋梁、隧道和涵洞等緊急搶修工程。同樣不得與其他品種水泥混合使用，并注意放熱量大而迅速的特點(diǎn)。(3)白色硅酸鹽水泥(簡(jiǎn)稱(chēng)白水泥)白水泥強(qiáng)度高，色澤潔白，可配制彩色砂漿和涂料、白色或彩色混凝土、水磨石、斬假石等，用于建筑物的內(nèi)外裝修。白水泥也是生產(chǎn)彩色水泥的主要原料。(4)高鋁水泥高鋁水泥是一種快硬、高強(qiáng)、耐熱及耐腐蝕的膠凝材料。主要特性有:早期強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕。高鋁水泥主要用于工期緊急的工程。如國(guó)防、道路和特殊搶修工程等，也可用于冬季施工的工程。(5)膨脹水泥由硅酸鹽水泥熟料與適量石膏和膨脹劑共同磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱(chēng)為膨脹水泥。按水泥的膨脹值及其用途不同，又分為收縮補(bǔ)償水泥和自應(yīng)力水泥兩大類(lèi)?；炷潦侵敢阅z凝材料（膠結(jié)料）、集料（骨料）、水及其他材料為原料，按適當(dāng)比例配制而成的混合物，再經(jīng)硬化形成的復(fù)合材料。根據(jù)所用膠凝材料的不同，土木工程中常用的混凝土有水泥混凝土、瀝青混凝土、石膏混凝土和聚合物混凝土等。高性能水泥混凝土(HPC)將是未來(lái)混凝土的主要發(fā)展方向之一。綠色高性能混凝土(GHPC）也是未來(lái)的發(fā)展方向。3混凝土混凝土的優(yōu)點(diǎn)：

混凝土組成材料來(lái)源廣泛；新拌混凝土有良好的可塑性；可按需要配制各種不同性質(zhì)的混凝土；具有較高的抗壓強(qiáng)度，且與鋼筋具有良好的共同工作性；具有良好的耐久性，可抵抗大多數(shù)環(huán)境破壞作用。與其他結(jié)構(gòu)材料相比，其維修費(fèi)用很低；具有較好的耐火性?；炷链嬖诘娜秉c(diǎn)：抗拉強(qiáng)度小，一般只有其抗壓強(qiáng)度的1/10～1/15，屬于一種脆性材料，很多情況下，必須配制鋼筋才能使用。自重大，不利于提高有效承載能力，也給施工安裝帶來(lái)一定困難。生產(chǎn)周期長(zhǎng)。結(jié)硬前需要較長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，從而延長(zhǎng)了施工期。這些缺陷正隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展而逐漸得以改善，但在目前工程實(shí)踐中還應(yīng)注意其不良影響。19世紀(jì)鋼材和混凝土作為結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)使土木工程的規(guī)模產(chǎn)生了飛躍性的發(fā)展；20世紀(jì)出現(xiàn)的高分子材料、新型金屬材料和各種復(fù)合材料，使土木工程的功能和外觀發(fā)生了根本的變革。四、現(xiàn)代土木工程材料4.1瀝青、瀝青制品瀝青：一種憎水性的有機(jī)膠凝材料，構(gòu)造致密，與石料、磚、混凝土及砂漿等能牢固的黏結(jié)在一起。瀝青制品具有良好的隔潮、防水、抗?jié)B、耐腐蝕等性能。在地下防潮、防水和屋面防水等建筑工程中及鋪路等工程中得到廣泛的應(yīng)用。地瀝青主要包括石油瀝青和天然瀝青；焦油瀝青包括煤瀝青、木瀝青等。建筑工程中主要用的是石油瀝青和煤瀝青。防水卷材防水密封材料防水材料是建筑業(yè)及其它有關(guān)行業(yè)所需要的重要功能材料，是建筑材料工業(yè)的一個(gè)重要組成部分。4.2防水密封材料4.3陶瓷、玻璃（1）陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷、建筑陶瓷、電瓷等是采用粘土類(lèi)及其它天然礦物原料經(jīng)過(guò)粉碎加工、成型、燒結(jié)等過(guò)程而得到的器具?，F(xiàn)代陶瓷材料是以特種陶瓷為基礎(chǔ)由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展起來(lái)的又具有與傳統(tǒng)陶瓷不同時(shí)鮮明特點(diǎn)的一類(lèi)新型陶瓷。具有透明性的玻璃用于飾面，使建筑物具有現(xiàn)代氣息。除建筑行業(yè)外，玻璃還用于輕工、交通、醫(yī)藥、化工、電子、航天等領(lǐng)域。玻璃是以石英砂、純堿、石灰石和長(zhǎng)石等為原料，于1550～1600℃高溫下燒至熔融，成型、急冷而形成的一種無(wú)定形非晶態(tài)硅酸鹽物質(zhì)。玻璃已廣泛地應(yīng)用于建筑物，它不僅有采光和防護(hù)功能，而且是良好的吸聲、隔熱及裝飾材料。（2）玻璃上海信息港玻璃幕墻4.4人造板材采用小木塊、碎木屑、刨花等木質(zhì)材料為基材，使用膠凝材料、膠粘劑或夾層材料加工而成的各種人造板材，模仿天然木材的紋理和走向，可達(dá)到以假亂真的程度。這些板材用作建筑物的地板、內(nèi)隔墻板、護(hù)壁板、門(mén)面板以及各種家具等，大大改善了天然木材尺寸的有限、材質(zhì)不均，提高了木材的利用率和功能。常用的人造板材有：膠合板、纖維板、木絲板和木屑板。4.5塑料及制品塑料：以合成或天然高分子有機(jī)化合物為主要原料，在一定條件下塑化成型，且在常溫常壓下能保持產(chǎn)品形狀不變的材料。塑料的特點(diǎn)：（1）密度??；（2）比強(qiáng)度高；（3）耐腐蝕性好；（4）裝飾性好；（5）耐磨性好（6）電絕緣性好；（7）抗震、消聲、隔音性能好；（8）易老化塑料的組成主要有：合成樹(shù)脂、填充料、增塑劑、固化劑、著色劑、穩(wěn)定劑等。塑料的應(yīng)用塑料在工業(yè)與民用建筑中可生產(chǎn)塑料管材、板材、門(mén)窗、壁紙、地毯、器皿、絕緣材料、裝飾材料、防水材料及保溫材料等。在基礎(chǔ)工程中可制作塑料排水板或隔離層、塑料土工布或加筋網(wǎng)等。在其它工程中可制作管道、容器、粘結(jié)材料或防水材料等，有時(shí)可以制作結(jié)構(gòu)材料。4.6絕熱材料將主要作為保溫、隔熱使用的材料通稱(chēng)為絕熱材料。無(wú)機(jī)絕熱材料石棉及其制品。石棉是一種天然礦物纖維，主要化學(xué)成分是含水硅酸鎂，具有耐火、耐熱、耐酸堿、絕熱、防腐、隔音及絕緣等特性。礦棉及其制品。礦棉一般包括礦渣棉和巖石棉。礦渣棉所用原料有高爐硬礦渣、銅礦渣等，并加一些調(diào)節(jié)原料（鈣質(zhì)和硅質(zhì)原料）。玻璃棉及其制品。玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃經(jīng)熔融后制成纖維狀材料，包括短棉和超細(xì)棉兩種。膨脹珍珠巖及其制品。膨脹珍珠巖是由天然珍珠巖、黑耀巖或松脂巖為原料，經(jīng)煅燒體積急劇膨脹（約20倍）而得蜂窩狀白色或灰白色松散顆料。有機(jī)絕熱材料軟木板。軟木也叫栓木。軟木板是用栓皮、櫟樹(shù)皮或黃菠蘿樹(shù)皮為原料，經(jīng)破碎后與皮膠溶液拌和，再加壓成型，在80℃的干燥室中干燥一晝夜而制成。蜂窩板。蜂窩板是由兩塊較薄的面板，牢固地粘結(jié)在一層較厚的蜂窩狀芯材兩面而制成的板材，亦稱(chēng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。植物纖維復(fù)合板。系以植物纖維為主要材料加入膠結(jié)料和填料而制成。4.7吸聲隔聲材料建筑工程中常用吸聲材料有：石膏砂漿（摻有水泥、玻璃纖維、石棉纖維）、水泥膨脹珍珠巖板、玻璃棉、泡沫塑料、軟木板、木絲板、穿孔纖維板、工業(yè)毛氈、地毯等。薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)系采用薄板釘牢在靠墻的木龍骨上，薄板與板后的空氣層構(gòu)成了薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)是用穿孔的膠合板、纖維板、金屬板或石膏板等為結(jié)構(gòu)主體，與板后的墻面之間的空氣層（空氣層中有時(shí)可填充多孔材料）構(gòu)成吸聲結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代的吸聲材料沖孔鍍鋅板沖孔鋼板大理石吸聲板木質(zhì)吸音孔板4.8新型復(fù)合材料新型復(fù)合材料具有強(qiáng)度大、剛度好、重量輕、性能穩(wěn)定、安全可靠等特點(diǎn),可以制造出具有較好性?xún)r(jià)比的特殊機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品.如:建筑業(yè)、造紙工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、航空航天業(yè).軍事等中得到應(yīng)用。復(fù)合鋼管鋼絲網(wǎng)水泥類(lèi)夾芯復(fù)合板材它是以?xún)善摻z網(wǎng)將聚氨醋、聚苯乙烯、脈醛樹(shù)脂等泡沫塑料、輕質(zhì)巖棉或玻璃棉等芯材夾在中間，兩片鋼絲網(wǎng)間以斜穿過(guò)芯材的“之”字形鋼絲相互連接，形成穩(wěn)定的三維彬架結(jié)構(gòu)，然后再用水泥砂漿在兩側(cè)抹面，或進(jìn)行其他飾面裝飾。彩鋼夾芯板材彩鋼夾芯板材是以硬質(zhì)泡沫塑料或結(jié)構(gòu)巖棉為芯材，在兩側(cè)粘上彩色壓型鍍鋅鋼板，其中外露的彩色鋼板表面涂以高級(jí)彩色塑料涂層，使其具有良好的耐候性和抗腐蝕能力。4.9綠色建筑材料1988年第一屆國(guó)際材料科學(xué)研究會(huì)上首次提出。1992年國(guó)際學(xué)術(shù)界給綠色材料定義為：在原料采取、產(chǎn)品制造、應(yīng)用過(guò)程和使用以后的再生循環(huán)利用等環(huán)節(jié)中對(duì)地球環(huán)境負(fù)荷最小和對(duì)人類(lèi)身體健康無(wú)害的材料。（1）綠色材料的概念（2）綠色建材的基本特征生產(chǎn)所用原料盡可能少用天然資源，大量使用尾礦、廢渣、垃圾、廢液等廢棄物。采用低能耗制造工藝和無(wú)污染環(huán)境的生產(chǎn)技術(shù)。

產(chǎn)品中不得含有汞及其化合物；不得用鉛、鎘、鉻等種金屬及其化合物的顏料和添加劑量劑。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是以改善生產(chǎn)環(huán)境、提高生活質(zhì)量為宗旨：即產(chǎn)品應(yīng)有益于人體健康，產(chǎn)品具有多功能化，如抗菌、滅菌、防霉