土木工程材料 - 思维导图

绪论

土木工程材料的定义

指在土木工程建设中所使用的各种材料及其制品的总称，它是土木工程的物质基础.。

土木工程材料的分类

按化学成分

无机材料

金属材料

非金属材料

有机材料

植物材料

沥青材料

高分子材料

复合材料

非金属+非金属

非金属+有机

非金属+金属

金属+有机

按使用功能

建筑结构材料

受力构件和结构的材料

墙体材料

承重和非承重

建筑功能材料

防水，隔热等

土木工程材料的技术标准

国家标准<行业标准<地方标准<企业标准

例：GB 175-1999硅酸泥水泥

GB;国家标准的代号

175:标准编号

1999：标准颁布年代号

标准技术名称

土木工程材料的基本性质

基本物理性质

密度

绝对干燥

概念：材料在绝对密实状态下单位体积的质量。

公式：ρ=m/V

ρ—密度, g/cm3 或 kg/m3 m—材料在干燥状态下的质量， g 或 kg V—材料在绝对密实状态下的体积， cm3 或 m3

表观密度

空气中状态

概念：材料在自然状态下单位体积的质量。

公式：ρ0=m/V0

ρ0—材料的表观密度, g/cm3 或 kg/m3 m —在自然状态下材料的质量，g 或 kg V0—在自然状态下材料的体积，cm3 或 m3

密实度，孔隙率

密实度

概念：材料体积内被固体物质充实的程度

公式：D=v/v0×100%

孔隙率

概念:孔隙所占比例

公式：P=(V0-V)/v0×100%

D+P=1

亲水性与憎水性

湿润角θ越小，越容易被湿润。湿润角在材料，空气和水的交界处。

耐水性

材料吸水，强度降低； Kr>0.8，耐水材料

概念：材料在长期饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。

公式：Kr=fb/fg

Kr——软化系数。 fb——材料吸水饱和状态下的抗压强度。（Mpa） fg——材料干燥状态下的抗压强度（Mpa）

抗渗性

k越小，抗渗性越强

概念：材料在压力水作用下抵抗水渗透的性能。

公式：K=Qd/AtH

K--渗透系数（cm/h）； Q--渗水量（cm3）； A--渗水面积（cm2）；d--试件厚度（cm） H--材料两侧水压差（cm）；t--渗水时间（h）

抗渗等级：P4,P6等表示0.4MPa，0.6MPa下不渗透。

基本力学性质

强度

概念：在外力作用下抵抗破坏的能力。

分类

抗压

抗剪

抗拉

计算公式：f=Fmax/A

f--材料强度（MPa）； Fmax--材料破坏时的最大载荷（N）； A--试件受力面积

抗弯 .......

三分点加荷f=FL/bh² 单点加荷f=3FL/2bh²

影响因素

1.材料的组成，结构和构造。

2.孔隙率与孔隙特征。（空隙率高强度低）

3.试件的形状和尺寸。（棱柱体<正方体）

4.加荷速度。（速度快，破坏时强度值高）

5.实验环境的温度，湿度。（温度高，强度低）

6.受力面状态。（表面平整的强度高）

弹性和塑性

弹性

定义：材料在外力作用下产生变形，外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质。

指标：弹性模量--E=σ/ε

E越大，越不易变形

塑性

永久变形

定义：材料在外力作用下变形，外力取消后，仍能保持变形后的形状和尺寸，并不产生裂缝。

大多数材料先经过弹性变形，再塑性变形

脆性和韧性

脆性

定义：外力达到限度时，材料突然破坏，并无明显的塑性变形。

力学特点：抗压远高于抗拉。

韧性

定义：在冲击、震动荷载作用下，材料能够吸收较大能量，同时也能产生一定的变形而不被破坏。

耐久性

定义：泛指材料在使用条件下，受各种内在或外来自然因素及有害介质的作用，能长久的保持使用性能的性质。

指标：抗渗性，抗碳化性，抗侵蚀性，抗碱骨料反应性，抗腐蚀性，抗冻性

破坏因素：物理，化学，机械，生物作用等

重要意义： 1.节约成本。 2.减少维修费用。 3.延长土木工程结构使用寿命。

建筑钢材

定义：主要是指用于钢结构中各种型钢、钢板、钢管和用于混凝土结构中的各种钢筋、钢丝等。

优点：组织结构密实，性能稳定，强度高，塑性好，韧性好等。

缺点：能耗大，成本高，易锈蚀，维护费用高，耐火性差。

结构及分类

晶体结构

1.体心立方晶体

2.密集六方晶体

3.面心立方晶体

原子间以金属键相互结合，因此钢有高强度和良好的塑性。

分类

按成分

碳素钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢。

合金钢：低合金钢、中合金钢、高合金钢。

按用途

建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢。

力学性能（抗拉性能）

低碳钢

四个阶段

1.弹性阶段（OA段）满足E=σ/ε,σp弹性极限。

2.屈服阶段（AB段）产生塑性变形，σs屈服极限

3.强化阶段（BC段）内部组织变化，恢复抵抗变形的能力，σb强度极限

σs/σb屈强比，越大，利用率高，安全性低

4.缩颈阶段（CD段）抵抗变形的能力急剧下降，产生断裂。

重要指标·：伸长率δ=L-L0/L0*100%，δ越大，塑性越好；屈服强度：结构设计中，钢材强度取值的依据；抗拉强度σb：钢材所能承受的最大应力

中碳钢、高碳钢

特点：抗拉强度高，无明显屈服平台。

规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。

加工与处理

冷弯性能，焊接性能，冷拉，冷拔，冷轧

性质及运用

技术标准

碳素结构钢

例：Q235－A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。

Q：钢材屈服点代号

235：钢材屈服点数值

A：质量等级代号分A、B、C、D四级

F：脱氧程度代号，F代表沸腾钢；b代表半镇静钢Z ；Z代表镇静钢；TZ代表特殊镇静钢

低合金高强度结构钢

Q345A表示屈服点为345MPa的A级钢

Q：钢材屈服点代号

345：钢材屈服点数值

A：质量等级代号分A、B、C、D、E五级

砌体材料

定义：指采用少量粘土、工业废料或其他地方性资源为主要原料，以不同工艺制成的、用于砌筑的墙用砖。

分类

烧结砖（普通砖）

标准尺寸：240*115*53mm

1.技术指标：尺寸偏差、外观质量（两条面高度差、弯曲、杂质突出高度、缺棱掉角、裂纹长度、完整面和颜色）、强度、抗风化性能、泛霜、石灰爆裂。

2.优点：强度高，耐久性高，保温隔热好，吸声隔音好。

3.缺点：块体小，效率低；自重大；能耗高；毁田取土，挤占耕地；抗震差

非烧结砖（砌块）

特点：减少土地资源的耗用，环保；应用面广；降低建筑物自重，成本低

建筑砂浆

定义：砂浆是由胶结料、细骨料、掺加料和水配置而成的建筑工程材料，起黏结、衬垫和传递应力的作用。

分类

砌筑砂浆

抹灰砂浆

预拌砂浆

组成材料：胶结材料（水泥、石膏、石灰）、砂、掺加料、水和外加剂等。

主要技术性质

新拌砂浆

和易性

流动性

定义：指砂浆在自重或外力作用下流动的性能。

测法：砂浆稠度测定仪——受检砂浆装入标准圆锥体内，测实心圆锥下降的深度。

指标：沉入量（mm）越大，流动性越大。

保水性

定义：砂浆拌合物保持水分的能力。

测法：砂浆分层度桶——测砂浆沉入量，装入分层度桶中静置30min，去掉上部2/3的砂浆，测剩余的沉入量，两次之差为分层度。

指标：分层度（mm）越小，保水性越好。

硬化后

抗压强度

黏结强度

沥青和沥青混合料

沥青

概念：沥青是高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的极其复杂的混合物。

基本组成：由碳、氢及少量的氧、氮、硫组成。划分为油分，树脂，地沥青质三个组分。

技术性质

防水性

粘滞性

概念：反应沥青材料在外力作用下，材料内部阻碍其相对流动的能力。

测试方法

针入度实验（液体石油沥青）

指标：粘滞度（黏度）

过程：液体沥青在一定温度t（25℃或60℃），经规定直径d（3mm，5mm或10mm）的孔流出50cm3沥青所需的时间秒数T，常用符号CdtT表示。 CdtT 粘滞度值越大，表示沥青的稠度越大。

沥青标准黏度计实验（半固体或固体）

指标：针入度

过程：在温度25℃条件下，以规定质量100g的标准针，在规定时间5s内贯入试样中的深度，以0.1mm为1度表示。针入度越大，表示沥青流动性大，粘滞性差。

塑性

指标：延展（cm）

过程：规定试样在规定温度下以一定速度受拉伸至断开的长度。越大，塑性越好。

温度敏感性

概念：指石油沥青的粘滞度和塑性随温度升降而变化的性能。

指标：软化点——指沥青材料由固态转变为具有一定流动性膏体的温度。

测定过程：环球法——把沥青试样注入内径为18.9mm的铜环内，环上放一直径9.53mm，重3.5g的钢球。浸入水或甘油中，按规定升温速度（每分钟5℃）从0℃开始升温，使沥青软化下垂，当下到规定距离25mm时的温度，为软化点。越高，耐热性越好

大气稳定性：大气稳定性是指石油沥青在热、阳光、氧气和潮湿等因素长期综合作用下抵抗老化的性能。它反映沥青的耐久性。

沥青混合料

定义：由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称。

组成材料：沥青、粗骨料、细骨料、填料。

优点

1.良好的力学性质和路用性能。

2.机械化施工，有利于施工质量控制。

3.便于分期修建和再生利用。

缺点

1.易老化

2.温度敏感性较差

结构组成

悬浮-密实结构：密实度高，内摩擦角低，黏聚力高，高温稳定性较差。

骨架-空隙结构：内摩擦角较大，黏聚力较低，温度稳定性较好。

密实-骨架结构：密实度，内摩擦角，黏聚力都高，温度稳定性好。

技术性质

高温稳定性

概念：指沥青混合料在高温条件下，在长期交通荷载作用下，不产生车辙、波浪和油包等现象的性能。

马歇尔试验

指标：稳定度（MS）流值（FL）马歇尔模数（T）

车辙试验

指标：稳定度（DS）

低温抗裂性：指沥青混合料不出现低温脆化，低温缩裂，温度疲劳现象，导致低温裂缝的性能。

耐久性：指其在外界因素的长期作用下不破坏的性能。

抗滑性

施工和易性

配合比设计

水泥混凝土

混凝土

1.混凝土定义：由胶凝材料、细骨料、粗骨料、水按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。

2.优点

a.抗压强度高、耐久、耐火、维修费用低。

b.原材料丰富、成本低。

c.具有良好的可塑性。

d.与钢筋粘结良好，不会锈蚀钢筋。

3.缺点

1.抗拉强度低、变形性能差。

2.导热系数大。

3.体积密度大。

4.硬化缓慢。

普通水泥混凝土

1.普通水泥混凝土定义：由水泥、砂、石、水按适当比例配合、拌制成拌合物，经一定时间硬化，干体积密度为2000--2800Kg/m3的人造石材。

2.组成材料

水泥

一般情况下，水泥强度等级比混凝土等级高1.5--2.0倍，配置高强混凝土，可选择1倍左右。

骨料

砂

定义：粒径在4.75mm以下的颗粒。

分类

天然砂

人工砂

机制砂

混合砂

技术性能要求

1.有害杂质含量少。

2.具有良好的颗粒形状。

3.适宜的颗粒级配和细度。

4.表面粗糙，与水泥粘结牢固。

5.性能稳定，坚固耐久。

石

定义：粒径大于4.75mm的粗骨料，俗称石。

技术要求：与砂相似。

水

技术要求：不得含有影响水泥正常凝结硬化的杂质；污水，ph<4的酸水，含硫酸盐超过水重1%的水不得使用；饮用自来水可以使用。

3.主要技术要求

硬化前

和易性

概念：指混凝土拌合物易于施工操作并能获得质量均匀，成型密实的混凝土的性能。包括流动性，黏聚性，保水性。

评定方法

1.坍落度法：测定混凝土拌合物在自重作用下产生的变形值--坍落度（mm）

2.维勃稠度法：测定使拌合物密实所需要的时间（s）

影响因素

a.水泥浆数量和单位用水量。

b.骨料的品种、级配和粗细程度。

c.砂率

d.外加剂

e.施工环境的温度、搅拌制度。

改善措施

1.采用合理砂率。

2.改善砂石级配。

3.掺外加剂。

4.在水灰比不变的条件下，适当增加水泥浆的用量，可增大拌合物的流动性；

5.在砂率不变的条件下，适当增加砂石的用量，可减小拌合物的流动性。

硬化后

强度

抗压强度

立方体抗压强度

换算系数标准试件：150*150*150（mm） 1.0 非标准试件100*100*100（mm） 0.95 200*200*200（mm） 1.05

轴心抗压强度

换算系数标准试件：150*150*300（mm） 1.0 非标准试件100*100*300（mm） 0.95 200*200*300（mm） 1.05

标准试件时，在立方体抗压强度为 0～55MPa范围内 fcp=（0.7～0.8）fcu 。在结构设计计算时，一般取 fcp ＝0.67 fcu。 fcp--棱柱体强度值，fcu--立方体强度值

抗拉强度

劈裂抗拉强度

fts--劈裂抗拉强度(MPa) P--破坏载荷(N) A--试件劈裂面积（mm2）

抗剪强度

握裹强度

影响因素

1.水泥的强度和水灰比

2.粗集料的品种

3.养护条件

4.龄期

5.外加剂

提高强度措施

a.采用高强度等级水泥

b.采用单位用水量较小，水灰比较小的干硬性混凝土。

c.采用合理砂率，以及级配合格、强度较高、质量良好的随时。

d.改进施工工艺，加强搅拌和振捣。

e.采用加速硬化措施，提高混凝土的早期强度。

f.在混凝土拌和时掺入减水剂或早强剂。

变形性能

非荷载作用下的变形

砼的化学收缩

干湿变形

温度变形

荷载作用下的变形

短期荷载

弹性变形阶段，荷载小于极限荷载的30%。

弹塑性变形阶段，极限荷载的30%--50%。

塑性变形增大，极限荷载的50%--80%。

直至极限荷载，大于80%。

长期荷载

徐变

定义：在长期荷载的作用下，沿着作用力方向随时间的延长而增加的变形。

有利：能消除混凝土内部温度应力和收缩应力，减弱混凝土的开裂现象。

不利:对预应力的混凝土构件，混凝土的徐变使预应力损失增加。

松弛

加荷使混凝土产生一定变性后，若维持此变形不变，随着时间的延长，混凝土内的应力逐渐降低的现象。

耐久性

定义:指混凝土在使用条件下抵抗周围环境中各种因素长期作用而不被破坏的能力。

指标:抗渗性，抗冻性，抗侵蚀性，碳化，碱-骨料反应，砼中钢筋耐锈蚀的能力。

提高耐久性的措施

1.合理选择混凝土的组成材料。

2.提高混凝土制品的密实度。

3.改善混凝土的孔隙结构。

4.质量控制

波动规律

统计参数

强度保证率

5.配合比设计

见课本112

无机胶凝材料

定义：经过一系列的物理和化学变化，能够产生凝结硬化，将块状或粉状材料胶结起来，形成一个具有一定强度整体的材料。

气硬性凝胶材料

只能在空气中凝结硬化

石膏（建筑石膏）

化学反应：CaSO4·0.5H2O + 1.5 H2O = CaSO4·2H2O

凝结硬化过程：建筑石膏+水→浆体→凝结→硬化

优缺点：隔热吸声、防火性好、阻湿阻温、加工性好、耐水性差、防冻性差

石灰

生石灰的熟化

CaO、MgO

过程：CaO + H2O == Ca（OH）2 + 65KJ

方式：1.淋灰--生石灰粉 2.化灰--熟石灰膏

特点：速度快，放出大量热，体积膨胀1.5--3.5倍，可逆

注意事项：1.熟石灰使用前必须陈伏14天以上---防止过火石灰的危害 2.化灰池表面留一层水---防止石灰碳化

石灰的硬化

分为干燥结晶硬化过程，碳化过程。

石灰的应用

配置石灰乳，砂浆，石灰土，三合土。制作硅酸盐制品，碳化石灰板

水玻璃

概述：俗称泡花碱，由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶于水的硅酸盐材料。

性质：粘结力强，耐酸性好，耐热性好，强度高，不耐水，不耐碱

应用：配置建筑涂料，加固地基，修补裂缝、堵漏，配置耐酸、耐热砂浆、混凝土。

水硬性凝胶材料

在空气中和水中都可以凝结硬化

水泥

硅酸盐水泥

1.生产工艺流程：

2.熟料矿物

矿物组成：硅酸二钙，硅酸三钙，铝酸三钙，铁铝酸四钙

主要特征：

3.熟料矿物的水化反应：硅酸三钙水化，硅酸二钙水化，铝酸三钙水化，铁铝酸四钙水化

4.水泥的凝结硬化

概念：水泥的凝结是指水泥加水拌和后，成为塑性的水泥浆，但还不具有强度的过程。硬化是指凝结的水泥浆随着水化的进一步进行，开始产生明显的强度并逐渐发展而成为坚硬水泥石的过程。

影响因素：熟料矿物成分、水泥的细度、用水量、养护时间、石膏掺量、温度和湿度。

5.物理指标

凝结时间

初凝：从加水至水泥浆开始失去塑性的时间，不得早于45min。

终凝：从加水至水泥浆完全失去塑性的时间，不得迟于6.5h。

体积安定性

定义;：指水泥浆体硬化之后体积变化的稳定性。

安定性不良原因

熟料中游离氧化镁过多，石膏过量，游离的氧化钙过多

6.特性

凝结硬化快、抗冻性好、耐腐蚀性差、水化热高、抗碳化性好、耐热性差、耐磨好

掺混合材料的硅酸盐水泥

分类

通用水泥

硅酸盐水泥

普通水泥

矿渣水泥

火山灰水泥

粉煤灰谁水泥

专用水泥

特性水泥

水泥的保存

1.不同品种水泥不得混放。

2.防水防潮。

3.堆垛不宜过高。

4.储存周期不宜过长，不超过三个月。

生铁经过冶炼产出钢生铁：C>2%，钢：0.06%<C<2%,纯铁：C>0.04%