材料科学导论

书名:《土木工程材料》（第二版）

种类：普通高等教育“十一五”国家级规划教材 作者：湖南大学 天津大

学

同济大学 东南大学 合编 责任编辑：朱首明 刘平平 主要内容：⒈建筑钢材 ⒉无机胶凝材料

⒊水泥混凝土 ⒋砂浆 ⒌砌筑材料 ⒍沥青及沥青

混合料

一、 建筑钢

材

1、 钢材的化

学组成

钢的基本成分是铁与碳，此外还有某些合金元素和杂质元素。按化学成分钢材

可分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳量小于0.25%），中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）和高碳钢（含碳量大于0.6%）。钢材中碳原子与铁原子之间的结合方式有固溶体、化合物和机械混合物三种。由于铁与碳结合方式的不同，碳素钢在常温下形成的基本组织有铁素体、渗碳体和珠光体三种。

合金钢按合金元素的总含量可分为：低合金钢（合金元素含量小于5%）、中合金钢（合金元素含量为5%~10%）和高合金钢（合

金元素含量大于10%）。

2、 建筑钢材

的主要力学性能

（1） 抗拉性能

抗拉性能是建筑钢材最主要的性能之一。由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材看啦性能的主要技术指标。 （2） 冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。

钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。试验时采用的弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值越小，表示对冷弯性能的要求越高。按规定，的弯曲角度和弯心直径进行试验时，试件的弯曲处不发生裂缝、断裂或起层，即认为冷弯性能合格。

冷弯试验试件的弯曲处会产生不均匀塑性变形，能在一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力。夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷。因此，冷弯性能也能反映钢材的冶炼质量和焊接质量。

《材料科学概论》读书报告

（3）冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准时间的弯曲冲击韧性试验确定的。试验以摆锤打击刻槽的时间，于刻槽处将期打断。以时间打断时说吸收的能量作为钢材的冲击韧性值，以Kv表示：

Kv=GH1-GH2

（4）硬度

钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。（5）耐疲劳性

在交变应力作用下的结构构件，钢材往往在应力远低于抗拉强度时发生断裂，这种现象沉稳钢材的疲劳破坏。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，时间在交变应力作用下，于规定的周期基数内部发生断裂所能承受的最大应力。

3、钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接

（1）钢材的冷加工强化及时效强化

将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度，称为冷加工强化。产生加工强化的原因是：钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，对位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。由于冷加工时产生的内应力，故冷加工钢材的弹性模量有所下降。（2）钢材的热处理

热处理是指将钢材按一定规则加热、保温盒冷却，以改变其组织，从而获得所需的一种工艺措施。热处理的方法有退火、正火、淬火和回火。（3）钢材的焊接

建筑钢材的焊接方法最主要的是钢结构焊接用的电弧焊和钢筋连接用的电渣压力焊。焊件的质量主要取决于选择正确的焊接工艺和适当的焊接材料，以及钢材本身的课焊接性。

焊接质量的检验方法主要有取样时间试验和原位非破损检测两类。取样试件试验是指在结构焊接部位切取试样，然后在试验室进行各种力学性能的对比试验，以观察焊接的影响。非破损检测则是在不损及结构物使用性能的前提下，直接在结构原位，采用超声、射线、磁力、荧光等物理方法，对焊接进行缺陷探伤，从而间接推定力学性能的变化。

4、钢材的防火和防腐蚀

（1）钢材的防火

在钢结构中应采取预防包覆措施，高层建筑更应如此，其中包括设置防火涂料等。在钢筋混凝土结构中，钢筋应有一定厚度的保护层。

（2）钢材的锈蚀与防止

钢材被腐蚀的主要原因：

①化学腐蚀

②电化学腐蚀

③应力腐蚀

防止钢材腐蚀的措施：

钢结构中型钢的防锈，主要采用表面涂覆的方法。例如表面刷漆，常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等。面漆有灰铅漆、醇酸磁漆、酚

醛磁漆等。薄壁型钢及薄钢板制品可采用热浸镀锌或后加涂塑料复合层。

5、建筑钢材的品种与选用

（1）建筑钢材的主要钢种

碳素结构钢

低合金高强度结构钢

（2）常用建筑钢材

①钢筋：

热轧光圆钢筋

钢筋混凝土用热轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋

预应力混凝土用钢棒

预应力混凝土用钢丝与钢绞线

②型钢：

热轧型钢

冷弯薄壁型钢

钢板和压型钢板

二、无机胶凝材料

1、气硬性胶凝材料

（1）石膏

石膏胶凝材料是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优良的性质，原料来源丰富，生产能耗低，因而在建筑工程得到广泛应用。

①石膏胶凝材料的生产

生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏矿石，也可用含有二水石膏的化工副产品和废渣。天然无水石膏又称天然硬石膏，只可用于

生产无水石膏水泥。石膏胶凝材料生产的主要工序是破碎、加热煅烧与

磨细。根据加热方式和煅烧温度的不同，可生产出不同性质的石膏胶凝

材料产品。

②建筑石膏的凝结硬化

建筑石膏与适量的水拌合后，最初成为可塑的浆体，但很快就失去塑性和产生强度，并逐渐发展成为坚硬的固体。这种现象称为凝结硬化，

它是由于浆体内部发生了一系列的物理化学变化。

③建筑石膏的技术性质与应用

建筑石膏为白色粉末，密度约为 2.60~2.75g/cm3，堆积密度约为800~1000kg/m3。建筑石膏按原材料分为天然建筑石膏、脱硫建筑石膏

和磷建筑石膏三种，对于建筑石膏有强度、细度、凝结时间等技术要求。

建筑石膏在建筑上的主要用途有：支撑石膏抹灰材料、各种墙体材料（如

纸面石膏板、石膏空心条板、石膏砌块等），各种装饰石膏板、石膏浮

雕花饰、雕塑制品等。

（2）石灰

①石灰的生产