第2章 建筑材料

第2章工程材料第1节建筑工程材料概述一、建筑工程材料的分类建筑工程材料的品种繁多，性质各异，用途也不同，为了便于应用，工程中常从不同角度对其作分类，见表1－2－1。表1－2－1工程材料的分类序号分类方法类型1按基本成份分类有机材料（如木材、塑料）；无机材料[包括金属材料（如钢材）和非金属材料（如水泥）]；复合材料（如玻璃、钢纤维混凝土）2按功能分类结构材料；功能材料3按用途分类建筑结构材料；桥梁结构材料；水工结构材料；路面结构材料；建筑墙体材料；建筑装饰材料；建筑防水材料；建筑保温材料等二、土木建筑工程材料的物理力学性质1.材料的物理参数。材料的物理状态参数见表1－2－2。表1－2－2材料的物理状态参数序号参数备注公式1ρ密度(ρ)材料在绝对密实状态下单位体积的质量Vmp/m—材料在干燥状态下的质量；V—材料在绝对密度状态下的体积；V0—材料在自然状态下的体积；Vn0—散粒材料的自然堆积体积2表观密度(ρ0)材料在自然状态下单位体积的质量00/Vmp3堆积密度(ρ0‘‘)散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量00`/`Vmp4孔(空)隙率(P)材料体积内孔隙体积所占的比例%10000VVVP%100)1(0pp5密实度(D)材料体积内被固体物质所充实的程度%100/%100/00ppVVD密实度和孔隙率两者之和为1，两者均反映了材料的密实程度，通常用孔隙率来直接反映材料的密实程度。孔隙率的大小对材料的物理性质和力学性质均有影响，而孔隙特征、孔隙构造和大小对材料性能影响较大。2．材料与水有关的性质。材料的吸湿性、吸水性、耐水性、抗渗性和抗冻性见表1－2－3。表1－2－3材料与水有关的性质序号性质备注公式1吸湿性材料在潮湿空气中吸收水气的能力称为吸湿性。反之，材料在干燥空气中会放出所含水分，称为还湿性。材料吸湿性的大小用含水率(wcw)表示材料含水率的大小，与材料本身组织、结构和成分、周围环境的湿度和温度等有关。材料的含水率与外界湿度一致时的含水率称为平衡含水率。材料的吸水达到饱和状态时的含水率称为材料的吸水率。材料的开口微孔越多，吸湿性越强%100mmmwwc湿m湿—材料吸收空气中的水分后的质量m—材料烘干到恒重时的质量；ρw—水在常温下的密度V0—干燥材料在自然状态下的体积m1—表示材料吸水饱合后的质量2吸水性材料在水中吸收水分的能力称为吸水性。吸水性的大小用吸水率(waw)表示。吸水率分质量吸水率和体积吸水率(体.wwc)材料吸水率的大小与材料的孔隙率和孔隙特征有性关。轻质材料，如海绵、塑料泡沫等，可吸收水分的质量远大于干燥材料的质量，这种情况下，吸水率一般要用体积吸水率表示%100)/1(])[(%100])[(011wwcwapVmmwmmmw体3耐水性指材料在长期的饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。有孔材料的耐水性用软化系数(KR)表示。材料的KR在0－1之间波动软化系数越小，材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差。对重要工程及长期浸泡或潮湿环境下的材料，要求gbRffK/fb—材料在水饱和状态下的抗压强度；fg—材料在干燥状态下的抗压强度KR0．85；对受湿较轻或次要结构的材料，要求尺KR0．75。通常把KR0.85的材料称为耐水材料4抗渗性指其抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性常用渗透系数(K)或抗渗等级表示抗渗等级是以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定HAQdKt/Q—渗水总量（cm3）；A—渗水面积（cm2）;d—试件厚度（cm）；t—渗水时间（h）；H—静水压力水头（cm）5抗冻性指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻结和融化作用而不破坏，同时强度也不严重降低的性质，用抗冻等级(D)表示。如混凝土抗冻等级D15号是指所能承受的最大冻融次数是15次。冻融循环次数越多，抗冻等级越高，抗冻性越好3.材料的力学性质。材料的力学性质见表1－2－4。表1－2－4材料的力学性质序号性质备注1强度和比强度强度是指在外力(荷载)作用下材料抵抗破坏的能力。当材料承受外力时，内部产生应力，外力逐渐增加，应力也相应增大，直到材料内部质点间的作用力不再能够抵抗这种应力时，材料即破坏，此时的极限应力就是材料的强度材料在土木建筑工程中所承受的外力，主要有压、拉、剪、弯和扭五种，因此，材料抵抗外力破坏的强度也分为抗压、抗拉、抗剪、抗弯和抗扭五种。上述强度都是在静试验下测得的，又称静力强度比强度比强度是按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料强度与其表观密度之比是衡量材料轻质高强性能的重要指标2弹性和弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，能完全恢复原来形状的性质。这种可恢复的变形属可逆变形，称为弹性变形塑性塑性若去除外力，材料仍保持变形后的形状和尺寸，且不产生裂缝的性质，称为塑性，此种不可恢复的变形称为塑性变形3脆性和韧性脆性是指材料在外力作用下，无显示塑性变形而突然破坏的性质。具有这种性质的材料称为脆性材料韧性材料在冲击或震动荷载作用下，能吸收较大的能量，产生一定的变形而不破坏的性质，称为韧性或冲击韧性第2节钢材、木材、水泥一、钢材钢材具有良好的质术性质，能承受较大的弹塑性变形，加工性能好，因此在土木建筑工程中被广泛采用。1．钢材分类。钢材分类见表1－2－5。表2.5钢材分类序号依据类别备注1化学成分碳素钢低碳钢含碳量为0.25%中碳钢含碳量为0.25％～0.6％高碳钢含碳量为大于0.6%合金钢低合金钢合金无素总含量小于5%中合金钢合金无素总含量为5%~10%高合金钢高金元素总含量大于10%2用途结构钢、工具钢和特殊性能钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）3脱氧程度脱氧充分者为镇静钢和特殊镇静钢（代号Z及TZ）；脱氧不充分者为沸腾纲（F）；介于二者之间为半镇静钢（B）土木建筑工程中所使用的钢材大多为普通碳素结构钢的低碳钢和属普通钢一类的低合金结构钢。2．钢材的力学性能与工艺性能。钢材的力学性能与工艺性能见表1－2－6。表1－2－6钢材的力学性能与工艺性能序号性能备注1抗拉性能抗拉性能是钢材最重要的性能，在设计和施工中被广泛使用。表征抗拉性能的技术指标是由拉力试验测定的屈服点(服强度)、抗拉强度()和伸长率。对于屈服不明显的钢材，规定以0．2％残余变形时的应力作为屈服强度屈强比()有一定的意义：愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构越安全；反之，钢材不能有效地被利用2冷弯性能冷弯性BS足指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的重要工艺性能。冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度(90\180)及弯心直径d对试件厚度(或直径)a的比值(d／a)区分的3冲击成韧性冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。其指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。对直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行冲击韧性检验4硬度钢材的硬度是指表面层局部体积抵抗压入产生塑性变形的能力。表征值常用布氏硬度值HB表示，HB值用专门试验测得5耐疲劳性在反复荷载作用下的结构构件，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力6焊接性能钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及其含量。如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹3．钢材的化学成分。钢材的化学成分及其对性能的影响见表1－2－7。钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素对钢材性能的影响。表1－2－7钢材的化学成分及其对性能的影响序号成分备注1碳土木建筑工程用钢材含碳量≤0．8％。在此范围内，随着碳含量的提高，强度与硬度提高；塑性和韧性则降低。碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢材的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性2硅当含量较低(1％)时，随着含量的加大可提高钢材的强度，对塑性和韧性影响不明显主加合金元素，含量在1％-2％，主要作用是使强度提高；还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性能得到改善3锰主加合金元素，含量在1％-2％，主要作用是使强度提高；还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性能得到改善4硫有害元素，硫化物可降低各种机械性能，造成的低熔点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性5磷有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著降低。磷使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性；但是，可提高钢材的耐磨性和耐腐蚀性4．土木建筑工程常用钢材(1)碳素结构钢碳素结构钢指一般的结构钢及工程用的热轧板、管、带、型、棒材。碳素结构钢的牌号包括四个部分，依顺序为：屈服点字母(Q)，屈服点数值(单位MPa)，质量等级(分为A、B、C、D四级，逐级提高)和脱氧方法符号(F为沸腾钢，B为半镇静钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇静钢。但表示中如遇Z、TZ可省略)。选用钢材时，要根据结构的受荷情况(动荷载和静荷载)、连接方式(焊接或非焊接)及使用时的温度条件等，综合考虑钢材的牌号、质量等级、脱氧方法加以选择。如受动荷载、焊接方式、在低温情况下工作的结构，不能选用A、B质量等级及沸腾钢。(2)低合金结构钢普通低合金结构钢一般是在普通碳素钢的基础上，少量添加若干合金元素而成，如硅、锰、钒、钛、铌等，加入这些合金元素可使这些钢的强度增强、具有良好的综合性能(耐腐蚀、耐低温性能好；抗冲击性强；使用寿命长)，并易于加工及施工，良好的可焊性及冷加工性能为施工提供了方便。另外，当低合金结构钢中的铬含量达11．5％时，铬就在合金金属的表面形成一层惰性的氧化铬膜，这时就成为不锈钢。不锈钢具有低的导热性和良好的耐蚀性能，但温度变化时膨胀性较大。(3)型钢与钢板①型钢。绝大部分型钢用热轧方式生产，常用的热轧型钢有角钢(等边和不等边)、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。冷弯薄壁型钢有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。通常由2~6mm薄钢板冷弯或模压而成，可用于轻型钢结构o②钢板。热轧钢板按厚度可分为中厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度为0．35—4mm)两种，冷轧钢板只有薄板(厚度为0．2～4mm)一种。薄钢板可在面层镀锌(俗称白铁皮)、敷以有机涂层(或称彩色钢板)等薄钢板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V形等形状，称为压型钢板，主要用于围护结构、楼板、屋面等。(4)钢筋钢筋是土木建筑工程中使用量最大的钢材品种之一，其材质包括普通碳素钢和普通低合金钢两大类。常用的有热轧钢筋、冷加工钢筋以及钢丝、钢绞线等。钢筋的分类见表1－2－8。表1－2－8钢筋的分类类别特点应用热轧钢筋Ⅰ级(HPB235)碳素结构钢轧制而成，表面光圆，强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工普通钢筋混凝土中的非预应力钢筋Ⅱ级(HRB335)低合金结构钢轧制而成，外表带肋，强度较高，塑性及焊接大、中型钢筋混凝土结构的受力筋Ⅲ级(HRB400/RRB400)性也较好冷加工钢筋冷拉、冷拔、冷轧强度提高，但塑性、韧性下降不宜用于负温及承受冲击或重复荷载结构热处理钢筋以热轧的螺纹钢筋经淬火和回火质处理而成钢筋强度高，预应力值稳预应力钢筋混凝土枕轨、预应力混凝土板、吊车梁等碳素钢丝碳素钢丝强度高、安全可靠、便于施工大跨度、大负荷的桥梁，电杆，枕轨，屋架，大跨度吊车梁等刻痕钢丝钢绞线(5)焊接材料焊接多作为钢结构制作和钢筋的连接工艺，是土木建筑工程中常用的工艺手段之一。焊接材料主要包括焊条和焊剂。5．钢材的防锈与防火(1)钢材的防锈钢材防锈的方法通常是采用表面刷防锈漆。常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧漆等；面漆有灰铅油、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。薄壁钢材可热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层，这种方法防锈效果好，但造价高。混凝土配筋的防锈措施为：限制水灰比和水泥用量，限制氯盐外加剂的使用，采取措施保证混凝土的密实性，还可以采用掺加防锈剂(加重铬酸盐等)的方法。(2)钢材的防火对于钢结构，特别是有可能经历高温环境的