第二章 土木工程材料

广州中信大厦（大 厦1996年建成。 由三座塔楼和裙房 组成，主塔楼为办 公楼，是80层的 钢筋混凝土框架— 筒体结构，高 322.5m，连同桅 杆（钢塔）总高 382.5m，为国内 最高，世界第二高 的钢筋混凝土建筑）
远眺广州中信 大厦（广场）
3.现代土木工程材料
• 19世纪钢材和混凝土使得土木工程的规 模产生了飞越性的发展；20世纪的高分 子材料、新型金属材料和各种复合材料 则使得土木工程的规模和外观发生了根 本性的变化。
目前亚洲跨度最大（140.7m）的木结构—日本出 云木结构圆顶。
2.近代土木工程材料
2.1 钢材
19世纪初 桥梁和房屋
19世纪中叶 大跨承重奠定
基础
20世纪30年代 预应力钢筋混凝土 结构飞越性发展
• 优点：
强度高（抗拉、抗压、抗弯、抗切强度）、 构件截面小；承受较大的冲击和振动荷载；良好 的加工性能（锻造、锻压、焊接、和切割）；外 表华美。
混凝土
＋水
2.3.2 混凝土的发展历史
• 1824年，Aspdin发明了波特兰水 泥（硅酸盐水泥），以水泥作为胶 凝材料的混凝土开始问世。
• 1850年，钢筋混凝土问世。 • 1928年，预应力混凝土问世。
优点：原料丰富、价格低廉、 生产工艺简单；抗压强度高、 耐久性好、强度等级范围宽 等。
2.3.3 混凝土的种类
2.1.1 钢材的分类
建筑钢材的产品种类一般分为型材、板材、 管材和金属制品四类。
（1）型材
钢结构用钢，主要有角钢、工字钢、槽钢、方钢 、吊车轨道、金属门窗、钢板桩型钢等。
槽
钢
钢
管
工 字 钢
角钢
H型钢
（2）板材
主要是钢结构用钢，建筑结构中主要采用 中厚板与薄板。
（3）管材
主要用于桁架、塔桅等钢结构中。
石膏
建筑石膏具有很好的防火性能、隔热性能和吸 音性能，具有良好的装饰性和可加工性。
石膏板装饰的墙面
石膏天花板装饰的剧院
石灰
石灰是在土木工程中使用较早的矿物胶凝材料 之一。
石灰石的主要成分是碳酸钙，将石灰石煅烧， 碳酸钙将分解成为生石灰。
1.6 木材
• 木材是一种古老的工程材料。由于具有一些独 特的优点，在出现众多新型土木工程材料的今 天，木材仍在工程中占有重要地位，特别在装 饰领域。
快凝快硬硅酸盐水泥：用于军事、机场跑 道、桥梁、隧道和涵洞等工程。
白色硅酸盐水泥：用于内外装修 高铝水泥：快硬、高强、耐热及耐腐蚀， 用于工程紧急的工程。 膨胀水泥：各种管道
2.3 混凝土
2.3.1 混凝土的定义
• 也称砼，是当代最主要的土木工程材料之一。 它是由胶结材料，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。
饰面石材
色石渣
人造大理石、水磨石、水刷石、干粘石、斩假石
石子
卵石
碎石
1.4 砂
混凝土和砂浆的主要组成材料之一
一般分为天然砂和人工 砂两类。
由自然条件作用（主要 是岩石风化）而形成的， 粒径在5mm以下的岩石 颗粒，称为天然砂。
人工砂是由岩石轧碎而 成，由于成本高、片状及 粉状物多，一般不用。
1.5 灰
国家大剧院（鸟巢）
沥青混凝土路面施工现场 工人正在搬运“鸟巢”沥青防水卷材
遇水膨胀止水条
3.2 玻璃、陶瓷制品
• 玻璃广泛应用于建筑物，不仅有采光和防护功 能，而且是良好的吸声、隔热及装饰材料。
2008年奥运会国家游泳中心的方案（水立方）
人民大会堂广东厅的微晶玻璃装饰板
香港中银大厦的玻璃外墙
用于室内装修的印花玻璃
山东省聊城市-熬头矶
长沙明朝大型砖石古墓
Байду номын сангаас
长城
故宫
• 生产工艺：烧结砖、非烧结砖 • 原材料：粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖
、炉渣砖和灰砂砖
• 有无孔洞：空心砖、多孔砖和实心砖
1.2 瓦
——是屋面材料
分类
• 成分：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
• 形状：平瓦、波纹瓦 • 尺寸偏差，外观质量和物理力学性能：优等品、
一等品和合格品
宁波普陀岛-黄墙青瓦
瓦
脊瓦、阴沟瓦 小波型瓦、大波型瓦
石棉瓦
水泥瓦屋面
玻璃钢瓦屋面
玻璃钢 瓦
沥青瓦
1.3 石
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。
埃及金字塔
石
凡尔赛宫的花园
欧洲最大的皇宫－凡尔赛宫（1661－1689年 建，占地100多万m2，建筑面积11万m2）
（2）特种混凝土
• 轻骨料混凝土 • 纤维增强混凝土 • 聚合物混凝土 • 碾压混凝土 • 自密实混凝土 • 抗渗能力佳，抗冲、耐磨、抗蚀能力强的硅粉
混凝土；有环保效益和经济效益的粉煤灰混凝 土；特细混凝土、透明混凝土和其它一些特种 混凝土。
国内部分钢纤维种类
平直微扭形
波纹形
弓形
凹凸形、方齿形、 端固形、扁异形、合易形
不同使用功能
水工混凝土
道路混凝土
结构混凝土
龙滩开浇世界第一高碾压混凝土大坝现场
2.3.3 混凝土的种类
（1）普通混凝土
• 普通混凝土是由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、 细骨料（砂）和水拌合，经硬化而成的一种人造 石材。
• 砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收 缩；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，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。
• 所谓灰是指石灰和石膏。 • 石灰和石膏是无机胶凝材料，土木工程中用胶凝材料将
散粒材料（如砂和石子）或块状材料（如砖和石块）粘 结为一个整体。 • 胶凝材料——凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚 固的石状体，并能胶结其他物料而具有一定机械强度的 物质。 • 胶凝材料可分为无机与有机两大类。石膏、石灰、水泥 属无机胶凝材料；沥青和各种树脂属有机胶凝材料。 • 无机胶凝材料可按照其硬化条件分为气硬性与水硬性两 种，只能在空气中硬化的称为气硬性胶凝材料，如石膏 、石灰。拌砂后既能在空气中又能在水中硬化的称为水 硬性胶凝材料，如水泥。
不同分类方法
胶凝材料
表观密度
使用功能
施工工艺
水泥混凝土 沥青混凝土 石膏混凝土 聚合物混凝土
重混混凝土 普通混凝土 轻混凝土
结构混凝土 道路混凝土 水工混凝土 耐热混凝土 耐酸混凝土 防辐射混凝土
喷射混凝土 泵送混凝土 振动灌浆混 凝土
不同施工工艺
振动灌浆混凝土 泵送混凝土
喷射混凝土
钢筋混凝土泵送的记录！世界上最高的摩天大楼，混凝土灌 注量达160，000立方米之巨。为确保连续泵送并达到385 米这样一个高度，开发者基于安全因素，采用六台超高压混 凝土泵及六根分离式布料杆灌注混凝土。
山西应县木塔－建于公元 1056年，塔高67.3m，八角形， 底层直径30.27m。该塔共9层， 是我国保存至今的唯一木塔， 也是现存的最高的木结构之一。 它虽经多次大地震仍完整无损。
悬空寺，全国重点文物保护单位，是佛、道教合一的独特寺庙。位于山西 省浑源县城南5km金龙峡半崖峭壁间。始建于北魏后期，至今已有1400多 年历史。
•工程上通常还按材料的化学成分将材料分为三 大类，如表。
无机材料
有机材料 复合材料
金属材料
黑色金属（铁、钢）、有色金属（铝 、铜及合金等）
非金属材料
天然石材（砂、石及各种岩石加工成 的石材），烧土制品（砖、瓦、陶瓷 ），玻璃胶凝材料（石灰、石膏、水 玻璃、水泥），混凝土、砂浆
植物材料 沥青材料 高分子材料
玻璃空心砖
陶瓷外墙砖
广州陈氏书院的陶塑脊饰
玻璃马赛克
瓦
3.3 人造板材
• 采用小木块、碎木屑、刨花等木质材料为基材， 使用胶凝材料、胶粘剂或夹层材料加工而成的各 种人造板材。
• 完全不使用天然木质材料的无机材料人造板。 • 常用：胶合板、纤维板、刨花板、木丝板、木屑
板。
制作中人造板
石棉橡胶板
竹木地板
木材、竹材等 石油沥青、煤沥青及其制品 塑料、涂料、胶粘剂
钢筋混凝土、聚合物混凝土、玻璃钢、纸面或纤维石 膏板
主要内容
➢1 传统土木工程材料 ➢2 近代土木工程材料 ➢3 现代土木工程材料
1.传统土木工程材料
1.1 砖——是一种常用的砌筑材料。 分类
标准砖
多孔砖
砌块
山 东 省 聊 城 市
古 砖
我国历史上木结构的辉煌成就
自8000年前的斐 李岗文化至6000年 前的仰韶文化期间 的木结构。
茅草下密排树 枝起龙骨作用
墙内竖 有木柱
d5~6m
北京故宫太和殿－建于明 永乐18年，（1420年）是故宫 最壮观的建筑，也是我国现存 最大的木构殿堂。木梁、木柱 做成承重骨架，用木制斗拱做 成大挑檐。
（4）金属制品
土木工程中主要使用的产品有钢丝、钢丝 绳以及预应力钢丝及钢绞线。
2.1.2 土木工程常用钢材
土木工程钢材可划分为钢结构用材和钢筋混 凝土用材两大类。 （1）钢结构用钢材
我国钢结构用钢材的钢类主要有普通碳素结 构钢和低合金结构钢。主要有Q235钢(A3钢 ）和Q315钢(16Mn钢）。
树木的年轮
木材
髓线
顺纹
髓心
优点：
木质部
轻质高强；易加工；高强度 弹性和韧性；能承受冲击和振动
年轮
作用；导电和导热性能低；木纹 横纹径向 横纹切向
美丽；装饰性好等。
树皮
缺点：
构造不均匀，各向异性；易
吸湿、吸水，产生较大的湿胀，
木材的构造
干缩变形；易燃、易腐等。可改
善。
影响强度因素：含水率、温度、荷载作用时间和木材缺陷。
木地板
3.4 塑料及制品
• 以有机高分子化合物为基本材料，加入各种改性 添加剂后，在一定的温度和压力下塑制而成的材 料。
• 材料也可按功能分类，一般分为结构材料（承 受荷载作用的材料，如基础、柱、梁所用的材 料）和功能材料（具有其它功能的材料，如起 围护作用的材料；起防水作用的材料；起装饰 作用的材料；起保温隔热作用的材料等）。
• 材料还可按用途分类，如建筑结构材料；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。
3.1 沥青、沥青制品与其它防水材料
• 极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化 合物的非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成 的混合物。较常用是石油沥青和煤沥青，其次 是天然沥青。
• 通过橡胶、树脂和矿物填料改变石油加工厂制 备的沥青的性能，改性后沥青的综合性能可以 大大提高。
• 橡胶系防水卷材、塑料系防水卷材和胶塑共混 型防水卷材三类。
（2）钢筋混凝土用钢材
• 钢筋混凝土用的钢材主要指钢筋。 • 钢筋的等级：
• 一级钢
• 二级钢
• 三级钢
• 四级钢
2.2 水泥
2.2.1 水泥的定义
水泥是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。
优点：
原料易得、成本较低、良 好的工程使用性能以及与环 境有较好的相容性。三大基 础材料之一。
直纹形
端钩形
（3）钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土
钢筋绑扎完成等待浇注
预应力混凝土在预制桥梁中广泛应用
浇注完成基础底板工程
马来西亚石油双塔大 厦（世界第二高大厦 －450m，世界最高 混凝土结构，双塔地 上88层。从底层至84 层采用的都是钢筋混 凝土结构。84层以上 是钢柱和钢环梁。大 厦在第60层、72层、 82层、85层处收进， 46层以下有两个圆形 副楼）
第二章 土木工程材料
• 土木工程中（包括道路、桥梁、港口、码头、 矿井、隧道等）所使用的各种材料统称为土木 工程材料。
• 它将直接影响建筑物的性能、功能、寿命和经 济成本，从而影响人类生活空间的安全性、方 便性、舒适性。
• 材料的品种很多，一般分为金属材料和非金属 材料两大类。金属材料包括黑色金属（钢、铁 ）与有色金属；而非金属材料，按其化学成分 ，则有无机（矿物质）与有机之别。
2.2.2 水泥的分类
（1）水泥按其用途及性能分为三类：
通用水泥 、专用水泥 、特性水泥
（2）水泥按其主要水硬性物质名称分为：
硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、 氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、以火山灰性或潜 在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的 水泥。
• 其它品种水泥
快硬硅酸盐水泥：适用于紧急抢修、低 温施工工程和高标号混凝土预制件，不适合 大体积混凝土工程。
抗压强度高、良好的耐磨性和耐久性，资源丰富 ，便于就地取材，生产成本低，经加工后具有良 好的装饰性。
绍兴 拜王桥
拱圈
拱顶细部
拱顶横锁石 细部
石的种类：
毛石 料石 饰面石材 色石渣
毛石
料 石
用料石砌筑的门拱
古希腊万神殿（The Parthenon)帕提农神 庙
古墓 建筑
饰面 石材
大理石板材
花岗石板材