2土木工程概论

2.1 2.1 土木工程材料概述土木工程材料概述 2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 土木工程材料的发展土木工程材料的发展土木工程材料的发展土木工程材料的发展 任何土木工程建（结）筑物（包括道路、桥梁、港口、任何土木工程建（结）筑物（包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等）都是用材料按一定的要求打造成的，码头、矿井、隧道等）都是用材料按一定的要求打造成的，土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料。土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料。每当出现新的优良的土木工程材料时，建筑结构就会有每当出现新的优良的土木工程材料时，建筑结构就会有飞跃式的发展。土木工程结构的发展历程，就是以材料为飞跃式的发展。土木工程结构的发展历程，就是以材料为主要标志的。主要标志的。建筑结构的三次飞跃分别是建筑结构的三次飞跃分别是砖瓦砖瓦的出现、的出现、混凝土混凝土的兴的兴起、起、钢材钢材的大量应用。的大量应用。2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 土木工程材料的分类土木工程材料的分类土木工程材料的分类土木工程材料的分类 土木工程材料种类繁多，可按其土木工程材料种类繁多，可按其化学成分性质化学成分性质、用途用途和和性能性能等进行分类，如下表所示。等进行分类，如下表所示。2.2 2.2 早期土木工程材料早期土木工程材料 砖砖、瓦瓦、砂砂、石石和和木材木材是最基本的建筑材料，由于其是最基本的建筑材料，由于其工程用量大，原料价格低，取材方便，无论是在古代，还工程用量大，原料价格低，取材方便，无论是在古代，还是在近现代的建筑领域中，均处于不可替代的地位。是在近现代的建筑领域中，均处于不可替代的地位。砂、石等古老而基本的材砂、石等古老而基本的材料建成的埃及金字塔料建成的埃及金字塔建于建于1056年年的山西的山西省应县省应县木塔木塔2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 砖砖砖砖砌筑材料砌筑材料砌筑材料砌筑材料按按生产工艺生产工艺：烧结砖和非烧结砖：烧结砖和非烧结砖。按所用按所用原材料原材料：粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、：粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等炉渣砖和灰砂砖等。按按有无孔洞有无孔洞：空心砖、多孔砖和实心砖：空心砖、多孔砖和实心砖。空心砖空心砖多孔砖多孔砖实心砖实心砖2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 瓦瓦瓦瓦屋面材料屋面材料屋面材料屋面材料按按成分成分：粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、：粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃钢瓦、沥青瓦等聚氯乙烯瓦、玻璃钢瓦、沥青瓦等。按按铺设位置铺设位置：烧结屋面瓦和烧结配件瓦：烧结屋面瓦和烧结配件瓦。按按表面状态表面状态：有釉瓦和无釉瓦：有釉瓦和无釉瓦。粘土瓦粘土瓦按按形状形状：平瓦和波形瓦：平瓦和波形瓦。块状石材：毛石、料石块状石材：毛石、料石2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 石石石石按加工后的外形按加工后的外形板状石材板状石材散状石材：色石渣、石子散状石材：色石渣、石子（碎石、卵石）（碎石、卵石）凡采自天然岩石，经过加工或未经加工的石材，统凡采自天然岩石，经过加工或未经加工的石材，统称为天然石材。称为天然石材。毛石毛石也称片石，是不成形的石料，是采石场也称片石，是不成形的石料，是采石场由爆破直接由爆破直接获得的形状不规则的石块获得的形状不规则的石块，处于开采以后的自然状态。，处于开采以后的自然状态。毛石毛石 料石料石是用毛料是用毛料加工成的具有一定规格加工成的具有一定规格，用来砌筑，用来砌筑建筑物用的石料。建筑物用的石料。料石料石 板状石材板状石材是用是用致密的岩石经凿平、锯断、磨光等致密的岩石经凿平、锯断、磨光等各种加工方法制作而成的石料，如花岗石、大理石和各种加工方法制作而成的石料，如花岗石、大理石和青石板材等。青石板材等。花岗岩石材花岗岩石材大理石板材大理石板材青石板材青石板材 碎石、卵石碎石、卵石可用作可用作骨料、装饰铺砌材料骨料、装饰铺砌材料，其中卵，其中卵石还可作为园林、庭院等地面的铺砌材料。石还可作为园林、庭院等地面的铺砌材料。碎石碎石卵石卵石 色石渣色石渣由由天然大理石或花岗岩等残碎料加工天然大理石或花岗岩等残碎料加工而成，而成，有各种色彩，可作人造大理石、水磨石、水刷石及其有各种色彩，可作人造大理石、水磨石、水刷石及其它它饰面粉刷骨料之用饰面粉刷骨料之用。色石渣色石渣砂砂是组成是组成混凝土混凝土和和砂浆砂浆的主要组成材料之一，是土的主要组成材料之一，是土木工程的木工程的大宗材料大宗材料。根据根据粗细程度不同又有粗细程度不同又有粗砂粗砂、中砂中砂、细砂细砂之分。之分。砂的颗粒级配是指不同砂的颗粒级配是指不同大小颗粒的砂的搭配比例。大小颗粒的砂的搭配比例。由自然条件作用（主要是岩石风化）而由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成，粒径在形成，粒径在5mm以下的岩石颗粒。以下的岩石颗粒。由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及由岩石轧碎而成，由于成本高、片状及粉状物多，一般不用。粉状物多，一般不用。人工砂：人工砂：天然砂：天然砂：2.2.4 2.2.4 2.2.4 2.2.4 砂砂砂砂天然集料：碎石、卵石、浮石、天然砂等天然集料：碎石、卵石、浮石、天然砂等 通常是指通常是指松散的材料松散的材料，在混合料中起，在混合料中起骨架骨架和和填充填充作用的粒料。作用的粒料。2.2.5 2.2.5 2.2.5 2.2.5 集料集料集料集料人造集料：煤渣、矿渣、陶粒、膨胀珍珠岩等人造集料：煤渣、矿渣、陶粒、膨胀珍珠岩等粗集料：粒径大于粗集料：粒径大于5 mm（以圆孔筛计）、粒径大（以圆孔筛计）、粒径大于于2.36mm（以方孔筛计）（以方孔筛计）细集料：粒径小于细集料：粒径小于5 mm（以圆孔筛计）、粒径小（以圆孔筛计）、粒径小于于2.36mm（以方孔筛计）（以方孔筛计）类型：类型：圆材、方材、圆材、方材、条材、板材等。条材、板材等。2.2.6 2.2.6 2.2.6 2.2.6 木材木材木材木材 属于各向异性材属于各向异性材料，要注意顺纹和料，要注意顺纹和横纹方向的强度差横纹方向的强度差异很大。异很大。优点：优点：结构自重小、制作容易、架设简便、工期快、结构自重小、制作容易、架设简便、工期快、造价便宜。造价便宜。缺点：缺点：易燃、易腐朽、结构变形较大等。易燃、易腐朽、结构变形较大等。2.3 2.3 近代土木工程材料近代土木工程材料2.3.1 2.3.1 2.3.1 2.3.1 钢材钢材钢材钢材普通碳素结构钢普通碳素结构钢按材质分按材质分低合金结构钢低合金结构钢钢结构用钢：各种型钢、钢板、钢管等钢结构用钢：各种型钢、钢板、钢管等按用于不同按用于不同的工程结构的工程结构分分钢筋混凝土工程用钢：各种钢筋和钢丝等钢筋混凝土工程用钢：各种钢筋和钢丝等土木工程中应用量最大的金属材料。土木工程中应用量最大的金属材料。(1).(1).(1).(1).钢结构用钢钢结构用钢钢结构用钢钢结构用钢 碳素结构钢：一般结构钢及工程用热轧板、管、碳素结构钢：一般结构钢及工程用热轧板、管、带、型、棒材。带、型、棒材。低合金结构钢：在普通碳素钢的基础上，少量低合金结构钢：在普通碳素钢的基础上，少量添加若干合金元素添加若干合金元素而成，在诸如大跨度桥梁、大型而成，在诸如大跨度桥梁、大型柱网构架、电视塔、大型厅馆中成为主体结构材料。柱网构架、电视塔、大型厅馆中成为主体结构材料。碳素结构钢可轧制各种型钢、碳素结构钢可轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋钢板、钢管与钢筋 槽槽 钢钢钢钢 管管工字钢工字钢(2).(2).(2).(2).钢筋混凝土用钢钢筋混凝土用钢钢筋混凝土用钢钢筋混凝土用钢钢筋钢筋钢筋钢筋普通碳素结构钢普通碳素结构钢按材质分按材质分低合金结构钢低合金结构钢按生产工艺按生产工艺性能和用途性能和用途分分 热轧钢筋热轧钢筋 冷加工钢筋冷加工钢筋 热处理钢筋热处理钢筋 碳素钢丝碳素钢丝 刻痕钢丝刻痕钢丝 钢绞线钢绞线 钢筋在土木工程中的应用钢筋在土木工程中的应用(3).(3).(3).(3).评价评价评价评价优点：优点：材质均匀、强度高、塑性好、便于加工安装。材质均匀、强度高、塑性好、便于加工安装。缺点：缺点：耐火性差、易于锈蚀、维护费用较高。耐火性差、易于锈蚀、维护费用较高。2.3.2 2.3.2 2.3.2 2.3.2 水泥水泥水泥水泥 粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性浆体，能在空气中和水中凝结硬化，可将其它材料胶结成整，并形成坚硬石材的材料。袋装水泥袋装水泥通用水泥通用水泥按用途及性按用途及性能分能分专用水泥专用水泥按主要水硬按主要水硬性物质名称性物质名称分分特性水泥特性水泥硅酸盐水泥硅酸盐水泥铝酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥磷酸盐水泥磷酸盐水泥以火山灰性或潜在水硬性材料以及其他活以火山灰性或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要成分的水泥性材料为主要成分的水泥2.3.3 2.3.3 2.3.3 2.3.3 混凝土混凝土混凝土混凝土 简写砼，是由胶结材料，骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材，是当代最主要的土木工程材料之一。混凝土运输混凝土运输(1).(1).(1).(1).普通混凝土普通混凝土普通混凝土普通混凝土 由由水泥水泥、粗骨料粗骨料（碎石或卵石）、（碎石或卵石）、细骨料细骨料（砂）（砂）和和水水拌合，经硬化而成的一种拌合，经硬化而成的一种人造石材人造石材。砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收缩；缩；水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并填充骨料间的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，填充骨料间的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后将骨料胶使混凝土拌合物具有良好工作性能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚强的整体。结在一起，形成坚强的整体。普通混凝土结构组成普通混凝土结构组成 混凝土的强度等级混凝土的强度等级 混凝土的强度是指混凝土在承受各种力作混凝土的强度是指混凝土在承受各种力作用时，所能承受的极限应力值。我国用时，所能承受的极限应力值。我国混凝混凝土结构设计规范土结构设计规范规定的混凝土等级共十四规定的混凝土等级共十四个等级，为个等级，为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。C30表示边长为表示边长为15cm的混凝土立方体，在温的混凝土立方体，在温度度20和相对湿度和相对湿度90%以上潮湿空气中养护以上潮湿空气中养护28天所测的强度为天所测的强度为30MPa，其保证率为，其保证率为95%。(2).(2).(2).(2).特种混凝土特种混凝土特种混凝土特种混凝土轻骨料混凝土轻骨料混凝土纤维增强混凝土（简称纤维增强混凝土（简称FRC）聚合物混凝土聚合物混凝土道路混凝土（碾压混凝土）道路混凝土（碾压混凝土）自密实混凝土自密实混凝土(3).(3).(3).(3).钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土(4).(4).(4).(4).评价评价评价评价优点：优点：可模性、耐久性、耐火性、整体性都好，易于可模性、耐久性、耐火性、整体性都好，易于就地取材，价格较低，强度比砖、石材都高，能与钢就地取材，价格较低，强度比砖、石材都高，能与钢筋粘结做成各种强度高的钢筋砼结构。筋粘结做成各种强度高的钢筋砼结构。缺点：缺点：自重较大、施工复杂、工序多、工期长、易产自重较大、施工复杂、工序多、工期长、易产生裂缝。生裂缝。2.3.4 2.3.4 2.3.4 2.3.4 砂浆砂浆砂浆砂浆由胶凝材料、细骨料和水等材料按适当比例配制而成。水泥砂浆水泥砂浆按胶凝材料按胶凝材料不同不同石灰砂浆石灰砂浆按用途不同按用途不同混合砂浆混合砂浆砌筑砂浆砌筑砂浆抹面砂浆抹面砂浆防水砂浆防水砂浆其它特种砂浆其它特种砂浆2.4 2.4 现代土木工程材料现代土木工程材料2.4.1 2.4.1 2.4.1 2.4.1 高强混凝土（高强混凝土（高强混凝土（高强混凝土（high strength high strength high strength high strength concreteconcreteconcreteconcrete ）早前一般指强度等级在C45以上的混凝土。现在一般指强度等级在C60以上的混凝土。它是用水泥、砂、石原材料外加减水剂或同时外加粉煤灰、矿粉、硅粉等混合料，经常规工艺生产而获得高强的混凝土。目前已应用在实际工程中的最高强度的混凝土为C200。特点：抗压强度高、脆性大。特别适用于高层建筑。特点：抗压强度高、脆性大。特别适用于高层建筑。2.4.2 2.4.2 2.4.2 2.4.2 高性能混凝土（高性能混凝土（高性能混凝土（高性能混凝土（High Performance High Performance High Performance High Performance ConcreteConcreteConcreteConcrete）目前还没有完全统一的定义。1990年5月美国国家标准与技术研究所（NIST）与美国混凝土协会（ACI）举办研讨会的定义：合乎需求性能及均匀性性能包括：便于浇捣、不离析；力学性能稳定；早期强度高；具有韧性；体积稳定性好；恶劣环境下寿命长 即HPC要求高强度、高流动性、高耐久性（简称三高）高性能混凝土的制备水泥、砂、石和水 高效减水剂降低混凝土的水胶比，保证流动性磨细矿物外加剂（硅粉、粉煤灰等）填充孔隙提高致密性，提高混凝土的耐久性和强度2.4.3 2.4.3 2.4.3 2.4.3 纤维混凝土（纤维混凝土（纤维混凝土（纤维混凝土（fiber reinforced concretefiber reinforced concretefiber reinforced concretefiber reinforced concrete ）是以水泥净浆、砂浆或混凝土做基材，以非连续是以水泥净浆、砂浆或混凝土做基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维做增强材所组成的水泥的短纤维或连续的长纤维做增强材所组成的水泥基复合材料的总称。基复合材料的总称。目前主要有合成纤维混凝土和钢纤维混凝土。目前主要有合成纤维混凝土和钢纤维混凝土。钢纤维聚丙烯纤维2.4.4 2.4.4 2.4.4 2.4.4 绝热保温材料绝热保温材料绝热保温材料绝热保温材料 将不易传热的材料，即将不易传热的材料，即对热流有显著阻抗性对热流有显著阻抗性的材料或的材料或材料复合体称为绝热保温材料，是保温和隔热材料的总称。材料复合体称为绝热保温材料，是保温和隔热材料的总称。有机绝热材料有机绝热材料石棉及制品石棉及制品矿渣棉及制品矿渣棉及制品岩棉及制品岩棉及制品膨胀珍珠岩及制品膨胀珍珠岩及制品软木板软木板泡沫塑料泡沫塑料多孔混凝土多孔混凝土蜂窝板蜂窝板无机绝热材料无机绝热材料2.4.5 2.4.5 2.4.5 2.4.5 吸声隔声材料吸声隔声材料吸声隔声材料吸声隔声材料 材料的吸声着眼于材料的吸声着眼于声源一侧反射声能的大小声源一侧反射声能的大小，目标是反，目标是反射声能要小。射声能要小。隔声材料隔声材料无机材料无机材料有机材料有机材料多孔材料多孔材料纤维材料纤维材料隔绝空气声隔绝空气声隔绝固体声隔绝固体声吸声材料吸声材料 材料隔声着眼于入射声源另一侧的透射声能的大小，目材料隔声着眼于入射声源另一侧的透射声能的大小，目标是透射声能要小。标是透射声能要小。2.4.6 2.4.6 2.4.6 2.4.6 膜结构材膜结构材膜结构材膜结构材料料料料 以聚酯纤维基布等配以优质的以聚酯纤维基布等配以优质的PVCPVC（聚氯乙烯）表（聚氯乙烯）表面涂层组成的具有稳定的形状，并可承受一定载荷的面涂层组成的具有稳定的形状，并可承受一定载荷的建筑纺织品。建筑纺织品。优点：优点：轻盈、自洁、可自然采光、耐老化。轻盈、自洁、可自然采光、耐老化。应用：应用：可广泛应用于建筑、土工、交通、环保、广告可广泛应用于建筑、土工、交通、环保、广告等行业。等行业。缺点：缺点：制造成本、维护费用高。制造成本、维护费用高。“水立方水立方”膜结构膜结构示意图及安装膜结构膜结构示意图及安装 2.4.7 2.4.7 2.4.7 2.4.7 金属及其合金材料金属及其合金材料金属及其合金材料金属及其合金材料(1).(1).(1).(1).钢结构钢结构 采用各种型钢和钢板为主制作的钢结构，一般多用于建采用各种型钢和钢板为主制作的钢结构，一般多用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。造大跨度和超高、超重型的建筑物。“鸟巢鸟巢”钢结构卸载现场钢结构卸载现场(2).(2).钛及钛合金材料钛及钛合金材料未来的金属材料未来的金属材料优点：优点：重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等。重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等。应用：应用：航空、航天、土木、化工、石油、轻工、冶金、电航空、航天、土木、化工、石油、轻工、冶金、电力。力。中国国家大剧院的钛金属屋顶中国国家大剧院的钛金属屋顶