土木工程概論-02土木工程材料

土木工程概論

第2章土木工程材料2.1早期土木工程材料早期使用的土木工程材料主要有磚、瓦、砂、石、灰、木材等。2.1.1磚優點：制磚原料容易取得，生產工藝簡單、價格低、體積小，便于組合，且結構的耐久性和耐候性好。標準粘土磚240mm×115mm×53mm）多孔磚爐渣磚粉煤灰磚2.1早期土木工程材料2.1.1磚缺點：粘土磚取土毀田量大、能耗高、自重大、施工生產勞動強度高、工效低。頁巖燒結頁巖磚2.1早期土木工程材料2.1.2瓦瓦是屋面材料，種類眾多，早期常用的是小青瓦。按成分分為：粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、鋼絲網水泥瓦、玻璃鋼瓦、聚乙烯瓦、瀝青瓦；按形狀分為平瓦和波形瓦小青瓦屋面小青瓦2.1早期土木工程材料2.1.3石材石材是最古老的土木工程材料之一，天然石材具有如下優點：1）很高的抗壓強度；2）良好的耐磨性和耐久性；3）加工后表面美觀富于裝飾性；4）資源分布廣、蘊藏量豐富、便于就地取材、生產成本低等。2.1早期土木工程材料2.1.3石材凡爾賽宮（1661-1689）此外還有：長城、比薩斜塔等著名建筑和遍布全國的石拱橋2.1早期土木工程材料2.1.4砂石混凝土組成材料中，石子稱為粗骨料，砂稱為細骨料。石子除用作混凝土粗骨料外，也常用于路橋工程和鐵道工程的路基道渣等。石子分碎石和卵石。碎石（由天然巖石或卵石經破碎、篩分而得粒徑大于5mm的巖石顆粒）卵石（巖石經自然條件作用而形成的粒徑大于5mm的顆粒）2.1早期土木工程材料2.1.4砂石砂是混凝土和砂漿的主要組成材料之一，一般分天然砂和人工砂兩類。天然砂（由自然條件作用而形成的粒徑在5mm以下的巖石顆粒）按產源分：山砂、河砂和海砂；按粗細程度分：粗、中、細砂2.1早期土木工程材料2.1.5灰灰是指石灰和石膏。1、石膏石膏具有如下特性：建筑石膏加水拌制的漿體具有良好的可塑性；建筑石膏的凝結速度快，加水幾分鐘后即可失去流動性，30min產生強度；凝結硬化時，體積不收縮，且有約1%的體積膨脹；石膏制品的優點：輕質、新穎、美觀和價廉等缺點：但強度低、耐水性能差2.1早期土木工程材料2.1.5灰灰是指石灰和石膏。2、石灰石灰是土木工程界較早使用的礦物膠凝材料之一；石灰石經高溫煅燒后，碳酸鈣將分解成為生石灰（氧化鈣）；生石灰加水消解成為消石灰（氫氧化鈣）；工程界一般使用的是消石灰。2.1早期土木工程材料2.1.6木材木材是一種古老的工程材料。木材的優點：輕質、高強、易于加工、有較好的彈性和韌性、能承受沖擊和振動作用、導電和導熱性能低、木紋美麗裝飾性好等；木材的缺點：構造不均勻、各向異性，易吸濕吸水，產生較大的濕脹、干縮變形，易燃易腐等；2.2近代土木工程材料2.2.1鋼材19世紀初，鋼材開始用于建造橋梁和房屋。鋼材的優點：強度高、構件截面尺寸小、金屬材料具有光澤，外表華美，質地堅實，具有良好的加工性能；鋼材的缺點：易銹蝕、耐火性差等；土木工程常用鋼材的種類：鋼筋、鋼絲、角鋼、槽鋼工字鋼、鋼板和管材等；2.2近代土木工程材料2.2.2水泥1、定義及分類水泥至今已有170多年歷史，與鋼材、木材一起并稱為土木工程的三大基礎材料。水泥：是粉狀的水硬性膠凝材料，即加水拌合成塑性漿體，能在空氣中和水中凝結硬化，可將其他材料膠結成整體，并形成堅硬石材的材料；水泥的分類缺點：按用途及性能分：通用水泥、專用水泥、特性水泥；按其主要水硬性物質名稱分：硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥，氟鋁酸鹽水泥、磷酸鹽水泥等；2.2近代土木工程材料2、硅酸鹽水泥是由硅酸鹽水泥熟料、0%-5%石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料。硅酸鹽水泥為干粉狀，加適量水并拌合后便形成可塑性的水泥漿體。水泥漿體在常溫下變稠直至開始失去塑性，稱為水泥的初凝；隨著塑性的消失，水泥漿開始產生強度，稱為水泥的終凝；水泥漿由初凝——終凝過程稱為水泥的凝結；水泥漿終凝后，其強度隨時間的延長不斷增長，并形成堅硬的水泥石，這一過程稱為水泥的硬化。2.2近代土木工程材料2、其他品種水泥（1）快硬硅酸鹽水泥以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏磨細制成的，以3d抗壓強度表示標號的水硬性膠凝材料稱為快硬硅酸鹽水泥。因其硬化速度快，故適用于緊急搶修工程、低溫施工工程等。但在運輸和存儲時應注意防潮，不能與其他水泥混合使用，同時因其水化放熱量大而迅速，不適合于大體積混凝土工程。水泥漿體在常溫下變稠直至開始失去塑性，稱為水泥的初凝；2.2近代土木工程材料2、其他品種水泥（2）白色硅酸鹽水泥由白色硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為白色硅酸鹽水泥（白水泥）。（3）高鋁水泥是一種快硬、高強、耐熱、耐腐蝕的膠凝材料，主要有早期強度高、耐高溫和耐腐蝕的特點。主要用于工期緊急的工程，如國防、道路和特殊搶修工程，也可用于冬期施工的工程。（4）膨脹水泥由硅酸鹽水泥熟料與適量石膏和膨脹劑磨細制成的的水硬性膠凝材料稱為膨脹水泥。適用于：大口徑輸水管和各種輸油、輸氣管，有抗滲要求工程、要求補償收縮的混凝土工程等。2.2近代土木工程材料2.2.3混凝土混凝土是由膠結材料（水泥漿）、骨料（粗集料即碎石或卵石，細集料即砂）和水按一定比例配制，經攪拌振搗成型，在一定條件下養護而成的人造石材（砼-tong）。混凝土強度等級：是以混凝土英文名稱Concrete的第一個字母加上其立方體抗壓強度標準值來表達，如C20即表示混凝土立方體抗壓強度標準值為20MPa；我國一般采用150mm×150mm×150mm的標準立方體試塊，也可采用如下的非標準試塊：100mm×100mm×100mm（換算成標準試塊強度時×0.95），200mm×200mm×200mm（換算成標準試塊強度時×1.05）2.2近代土木工程材料2.2.3混凝土1、分類按膠凝材料分：水泥混凝土，瀝青混凝土、石膏混凝土和聚合物混凝土；按表觀密度分：重混凝土（

ρ>2600kN/m3），普通混凝土（

ρ=19502600kN/m3），輕混凝土（

ρ<1950kN/m3）；按使用功能分：結構用混凝土，道路混凝土，水工混凝土，耐熱混凝土，耐酸混凝土和防輻射混凝土；按施工工藝不同分：噴射混凝土，泵送混凝土，振動灌漿混凝土；此外為了克服混凝土抗拉強度低的缺陷，還可將混凝土與其他材料復合，出現了鋼筋混凝土，預應力混凝土和各種纖維混凝土等。2.2近代土木工程材料2、普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、細集料（砂）和水拌合，經硬化而成的一種人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收縮；水泥和水形成水泥漿，包裹在粗細骨料表面并填充骨料間隙。水泥漿體在硬化前起潤滑作用，使混凝土拌合物具有良好的工作性能，硬化后漿將骨料膠結在一起，形成堅實的整體。3、特種混凝土為滿足工程特殊用途，在某些工程中經常使用如下特種水泥混凝土：（1）輕骨料混凝土；（2）纖維混凝土（簡稱FRC）；（3）聚合物混凝土；（4）道路混凝土（碾壓混凝土）；（4）自密實混凝土。2.2近代土木工程材料4、鋼筋混凝土與預應力鋼筋混凝土是指配置鋼筋的混凝土。為了克服混凝土抗拉強度低的弱點，在其中合理配置（受拉區）鋼筋可充分發揮混凝土抗壓強度高和鋼筋抗拉強度高的各自特點，共同承擔荷載并滿足工程結構的需要。混凝土和鋼筋能共同工作的原因：

砼結硬后與鋼筋牢固地粘結在一起，能相互傳遞應力鋼筋與砼有相近的線膨脹系數鋼筋：c=1.2×10-5/℃

砼：c=1.0×10-5~1.5×10-5/℃砼可以保護鋼筋不被銹蝕。2.2近代土木工程材料4、鋼筋混凝土與預應力鋼筋混凝土預應力鋼筋混凝土是指：（1）構件受力前，在使用中受拉區預先施加預壓應力；（2）構件受力后，預先施加預壓應力首先將全部或部分抵消使用荷載作用的拉應力，從而延緩構件的開裂；特別適用于大跨結構2.3現代土木工程材料2.3.1高強度混凝土高強混凝土：混凝土強度等級在C60級以上的泥混凝土，目前實際工程中應用的最高強度等級已達C200；高強混凝土是通過摻入超細活性摻合料，使他們在水泥漿中微細孔隙中水化，減少和填充混凝土中的毛細孔，達到增密和增強的作用。優點：強度高缺點：比較脆，施工難度大2.3現代土木工程材料2.3.2高性能混凝土高性能混凝土：是一種能符合特殊性能綜合與均勻性要求的混凝土，此種泥混凝土往往不能用常規的混凝土組分材料和通常的攪拌、澆搗和養護的習慣做法所獲得。主要指標：超高的強度、低滲透性、良好的結構性能、優越的耐久性、可觀的經濟效益、環保性。2.3現代土木工程材料2.3.3纖維混凝土纖維混凝土：是在混凝土中加入合成材料纖維絲或鋼纖維，是由纖維和水泥基料（水泥石、砂漿或混凝土）組成的復合材料的總稱。所用纖維按其材料性質可分為：（1）金屬纖維。如鋼纖維、不銹鋼纖維；（2）無機纖維。天然礦物纖維（溫石棉、青石棉、鐵石棉）和人造纖維（抗堿玻璃纖維和抗堿礦棉等碳纖維）；（3）有機纖維。合成纖維（聚乙烯、聚丙烯、尼龍等）和植物纖維（麻、龍舌蘭等）；2.3現代土木工程材料2.3.4綠色建材又稱生態建材、環保建材和健康建材