土木建筑专业 建筑材料学 习题课04 附解析

例 7-10 从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为 42.4、42.8kN; 抗 拉极限荷载分别为 62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为 12ｍｍ，标距为 60ｍｍ，拉断时长度分别为 70.6 和 71.4mm, 评定其级别？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？ 解：1.钢筋试样屈服点为： P 42 . 4 10 3 s1 375 N / mm 2 A 62 P 42 . 8 10 3 s2 394 N / mm 2 2 A 6 2 σs =(394+375)÷2 = 385 N/mm
建筑材料
习题课(四）
金属材料 例 7-1 钢材如何按化学成分分类？土木工程中常用什么钢材？ 解：钢材按化学成分可以分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢可以分为： 低碳钢（含碳量小于 0.25％） 中碳钢（合碳量 0.25％～0.60％） 高碳钢（合碳量大于 0.60％） 合金钢可以分为： 低合金钢（合金元素总含量小于 5.0％） 中合金钢（合金元素总含量 5.0%～10.0%） 高合金钢（合金元素总含量大于 10.0%） 土木工程中常用的钢材主要是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金钢。 [评注] 碳素钢在冶炼时不特意掺加合金，故又称非合金钢。
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l1 l 0 71 . 4 60 19 . 0 % l0 60
δ=(17.7+19.0)÷2 =18.4% 查表 7-2 知σs1、σs2 均大于 335 N/mm2,σb1、σb2 均大于 490 N/mm2,均大于 16%，故该钢筋为 II 级钢。 2. 该钢筋的屈强比为： σs/σb = 385/555 =0.69 该 II 级钢筋的屈强比在 0.65~0.75 范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。
例 7-3 什么是钢材的冷弯性能？它的表示方法及实际意义是什么？ 解：冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能，常用弯曲的角度、弯心直径ｄ与试件直径 （或厚度 a）的比值来表示。弯曲角度愈大，ｄ／ａ愈小，说明试件受弯程度愈高。当按规定的弯曲角度和ｄ／ａ 值对试件进行冷弯时试件受弯处不发生裂缝、断裂或起层，即认为冷弯性能合格。 冷弯性能表示钢材在常温下易于加工而不破坏的能力。其实质反映了钢材内部组织状态、含有内应力及杂质等 缺陷的程度。因此，可以利用冷弯的方法，使焊口处受到不均匀变形，来检验建筑钢材各种焊接接头的焊接质量。 [评注] 钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映。但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而 冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力。它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等 缺陷。
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例 7-8 何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？ 解：在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程称为冷加工强化。机械加工方法 主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。 时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放 15～20 天，或者加热到 100～200ｏＣ，并保持 2 小时以内， 这个过程称为时效处理。常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。 冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点提高 20%--25%，抗拉强度也有提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。 [评注] 在建筑工地和混凝土预制厂， 经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉 或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较 简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。
木材 例 8-1 解释以下名词： (1)自由水；(2)吸附水；(3)纤维饱和点；(4)平衡含水率；(5)标准含水率；(6)持久强度。 解 (1)自由水：自由水是存在于木材细胞腔和细胞间隙中的水分。 (2)吸附水：吸附水是被吸附在细胞壁内细纤维之间的水分。 (3)纤维饱和点：当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时的木材含水率称为纤维饱和点。 (4)平衡含水率：在一定温度和湿度环境中，木材中的含水量达到与周围环境湿度相平衡时含水率称为平衡含水率。 (5)标准含水率：含水率为 15％为木材的标准含水率。 (6)持久强度：木材在长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度，称为持久强度。 [评注] 木材的纤维饱和点，是指木材的细胞壁中吸附水达饱和状态，而细胞腔及细胞间隙中不含自由水时的含 水率。是木材变形、强度等主要性质受含水变化影响的转折点。
沥青及沥青混合料 例 9-1 试述石油沥青的三大组分及其特性。石油沥青的组分与其性质有何关系？ 解：石油沥青的三大组分及其特性如下： （1）油分。油分为淡黄色至红褐色的油状液体，是沥青中分子量最小和密度最小的组分，密度介于 0.7～1.0ｇ／ cm3 之间。在 170°Ｃ较长时间加热，油分可以挥发。油分能溶于石油醚、二硫化碳、三氯甲烷、苯、四氧化碳和丙 酮等有机溶剂中，但不溶于酒精。油分的多少决定了沥青的流动性。
例 8-2 一块松木试件长期置于相对湿度为 60％、温度为 20℃的空气中，其平衡含水率为 12.8%，测得顺纹抗压强度 为 49.4ＭＰａ，问此木材在标准含水率情况下抗压强度为多少？ 解：木材在标准含水率情况下抗压强度为：
12 w [1 （W 12） ]
= 49.4×[1+0.05×（12.8-12）] = 49.6 MPa
例 7-6．碳素结构钢是如何划分牌号的？说明 Q235—A·F 和 Q235—Ｄ号钢在性能上有何区别？ 解：碳素结构钢的牌号按顺序由代表屈服点的字母（Q） 、屈服点数值（Ｎ/mm2） 、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧 程度符号(F、B、Z、TZ)等四部分组成。 Q235—A·F 和 Q235—D 均为Ｑ235 碳素结构钢，是建筑中应用最多的碳素钢。二者性能差别主要表现在质量等 级和脱氧程度上。按硫、磷含量多少来衡量，Q235—D 磷、硫含量均少于 Q235—A·F, 质量较好，按脱氧程度衡量 Q235—D 为ＴＺ震静钢，质量最好，Q235—A·F 为沸腾钢。Q235—A·F 钢，仅适用于承受间接动荷载的静荷载的结 构。而 Q235—D 可适用于动荷载作用或处在低温环境下的工作条件。 [评注] 碳素结构钢分五个牌号，即Ｑ195、Q215、Q235、Q255 和 Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分 为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个质量等级。
(２)树脂 （沥青脂胶） 。 沥青脂胶为黄色至黑褐色粘稠状物质 （半固体） ， 分子量比油分大 （600～1000） ， 密度为 1.0～ 1.1g／cm3。沥青脂胶中绝大部分属于中性树脂。中性树脂含量增加，石油沥青的延度和粘结力等品质愈好。 （３）地沥青质（沥青质） 。地沥青质为深褐色至黑色固态无定形物质（固体粉末） ，分子量比树脂更大（1000 以上） ， 密度大于 1 g／cm3，不溶于酒精、正戊烷，但溶于三氯甲烷和二硫化碳，染色力强，对光的敏感性强，感光后就不 能溶解。地沥青质是决定石油沥青温度敏感性、粘性的重要组成部分。 石油沥青的组分与其性质的关系为：油分赋予沥青以流动性。沥青脂胶使石油沥青具有良好的塑性和粘结性。 地沥青质含量愈多，则软化点愈高，粘性愈大，即愈硬脆。
例 7-5 简述碳元素对钢材基本组织和性能的影响规律。 解：碳素钢中基本组织的相对含量与其含Ｃ量关系密切，当含Ｃ量小于 0.8％时，钢的基本组织由铁素体和珠光体 组成，其间随着含Ｃ量提高，铁素体逐渐减少而珠光体逐渐增多，钢材则随之强度、硬度逐渐提高而塑性、韧性逐 渐降低。 当含 C 量为 0.8％时， 钢的基本组织仅为珠光体。 当含 C 量大于 0.8％时， 钢的基本组织由珠光体和渗碳体组成， 此后随含Ｃ量增加，珠光体逐渐减少而渗碳体相对渐增，从而使钢的硬度逐渐增大而塑性、韧性逐渐减小，且强度 下降。
例 7-2 为什么说屈服点（σs） 、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？ 解：屈服点（σs）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过σs 值；屈服点与抗拉强度的 比值（σs／σb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中的安全可靠程度； 伸长率（δ）表示钢材的塑性变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断， 要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过σs 时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免 结构物的破坏。 [评注] 常温下将钢材加工成一定形状，也要求钢材要具有一定塑性（伸长率） 。但伸长率不能过大，否则会使 钢材在使用中发生超过允许的变形值。
例 9-2 石油沥青的主要技术性质是什么？各用什么指标表示？ 解 石油沥青的主要技术性质有： （1）粘滞性 石油沥青的粘滞性又称粘性。 粘滞性应以绝对粘度表示，但因其测定方法较复杂，故工程中常用相对粘度（条 件粘度）来表示粘滞性，对使用粘稠（半固体或固体）的石油沥青用针入度表示，对液体石油沥青则用粘滞度表示。 （２）塑性 塑性指石油沥青在外力作用下产生变形而不破坏，除去外力后，仍能保持变形后的形状的性质。 石油沥青的塑性 用延度表示。延度愈大，塑性愈好。 （３）温度敏感性 温度敏感性是指石油沥青的粘滞性和塑性随温度升降而变化的性能。 由于沥青是一种高分子非晶态热塑性物质， 故没有一定的熔点。 温度敏感性以软化点指标表示。由于沥青材料从固态至液态有一定的变态间隔，故规定以其中某一状态作为从 固态转变到粘流态的起点，相应的温度则称为沥青的软化点。另外，沥青的脆点是反映温度敏感性的另一个指标， 它是指沥青从高弹态转到玻璃态过程中的某一规定状态的相应温度，该指标主要反映沥青的低温变形能力。 （４）大气稳定性 石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等大气因素的长期综合作用下抵抗老化的性能，称为大气稳定性，也是沥青材料 的耐久性。石油沥青的大气稳定性以加热蒸发损失百分率和加热前后针入度比来评定。
钢筋试样抗拉强度为： P 62 .0 10 3 b1 548 N / mm 2 A 62 P 63 .4 10 3 b2 561 N / mm 2 A 62 2 σb =(548+561)÷2 = 555 N/mm 钢筋试样伸长率为： l l0 70 . 6 60 5 1 17 . 7 % l0 60
例 7-4 低温冷脆性、脆性转变温度、时效和时效敏感性的概念及其实际意义是什么？ 解：钢材的冲击韧性随环境温度降低而下降，当达到某一温度时，其冲击韧性值显著降低的现象称为钢材的低温冷 脆性。出现低温冷脆性时的温度（范围） ，称为脆性转变温度（范围） 。 随时间的推移，钢材的机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。因时效作用导致钢材性能改变的程 度称为钢材的时效敏感性。 承受动荷载的结构，选用钢材时，必须按规范要求测定其冲击韧性值。处于低温条件下的钢结构要选用脆性临 界温度低于环境最低温度的钢材。若在严寒地区，露天焊接钢结构，受振动荷载作用时，要选用脆性临界温度低和 时效敏感性小的钢材。 [评注] 冲击韧性是指在冲击振动荷载作用下，钢材吸收能量、抵抗破坏的能力。冲击韧性以冲断试件时单位面 积所消耗的功，称为冲击功（值）来表示。
例 7-7．钢筋混凝土用热轧钢筋按力学性能分为几级？各级钢筋性质差别及主要用途如何？ 解：我国热轧钢筋标准，按屈服强度、抗拉强度等力学性能分为 I～IV 级。由 I 级到 IV 级，钢筋的机械强度不断提 高，而塑性、韧性降低，可焊性亦相应降低。Ｉ级钢筋是由Ｑ235 碳素结构钢热轧的光圆钢筋，适合做非预应力混 凝土用钢筋。II、 III、 IV 级钢筋由普通低合金结构钢轧制的热轧带肋钢筋, 可用于非预应力也可以用于预应力 混凝构件中。 [评注] II、 III、 IV 级由普通低合金结构钢轧制的热轧带肋钢筋, 其牌号由 HRB 和规定屈服强度最小值构成， 分别为：HRB335 、HRB400、HRB500。Ｈ、Ｒ、Ｂ分别为热轧、肋、钢筋的英文名称的第一个字母。