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第三章 土木工程材料 第三章 土木工程材料 内容提要 本章主要内容包括土木工程材料的分类、发展趋势；金属材料、胶凝材料、砖、瓦、砌块、砂、石、木材、混凝土和砂浆、高分子材料和功能材料以及其他土木工程材料和新型建筑材料的种类、特点及用途。 教学提示 本章内容侧重于介绍各种土木工程材料的种类及用途，可以以“材料的分类——材料的特点——材料的用途”为主线来学习。 教学要求 掌握土木工程材料的分类，重点掌握钢材、水泥、混凝土和砂浆等重要材料的分类和应用范围，了解土木工程材料发展趋势，了解新型建材的种类及用途。 第三章 土木工程材料 3.1 土木工程材料概述 3.2 金属材料 3.3 胶凝材料 3.4 砖、瓦、砌块、砂、石、木材 3.5 混凝土和砂浆 3.6 高分子材料及功能材料 3.7 其他材料 3.1土木工程材料概述 一、土木工程材料的发展历程 原始社会时期，人们居住于天然的岩洞、树巢中； 进入石器、铁器时代，人们开始利用简单的工具砍伐树木，凿洞搭棚； 进入青铜器时代，人们开始利用木材建造更为舒适的木结构建筑； 公元前10世纪前后，人类学会了用粘土烧制砖、瓦，用岩石烧制石灰、石膏； 18、19世纪，相继出现了钢材、水泥、混凝土和预应力混凝土及其他新型材料； 进入20世纪，新型的土木工程材料特别是化学建材不断涌现，出现了塑料、涂料、建筑陶瓷与玻璃、新型复合材料（纤维增强材料、夹层材料等）等。 3.1 土木工程材料概述 二、土木工程对材料的要求 优良的土木工程材料必须具备： 足够的强度，能够安全地承受设计荷载； 材料自身的质量以轻为宜（即表观密度较小），以减轻下部结构和地基的负荷； 具有与使用环境相适应的耐久性，以减少维修费用； 用于装饰的材料，应能美化建筑，产生一定的艺术效果； 用于特殊部位的材料， 应具有相应的特殊功能。 另外，土木工程材料的生产过程应尽可能低能耗、低物耗及环境友好。 3.1 土木工程材料概述 三、土木工程材料的分类 根据材料的来源，土木工程材料可分为天然材料和人工材料； 根据材料的功能，可分为结构材料、装饰材料、防水材料、绝热材料、吸声隔声材料等； 根据组成物质及化学成分，土木工程材料可以分为无机材料、有机材料和复合材料，各大类又可以细分，如图3.1所示。 3.1 土木工程材料概述 3.1 土木工程材料概述 四、土木工程材料在土木工程中的作用 1.土木工程材料是保证土木工程建（构）筑物质量的基础。 2.土木工程材料的造价是决定土木工程造价的主要因素。 3.合理选择、正确使用土木工程材料，决定构筑物的使用功能及耐久性。 4.土木工程材料的发展影响土木工程的结构形式和施工方法。 5.土木工程材料的更新促进了新技术、新工艺的开发，新材料的出现，促进了工程结构形式的变化、设计方法的改进以及施工技术的革新。 3.1 土木工程材料概述 五、土木工程材料的发展趋势 1.复合化。 2.多功能化。 3.轻质高强化。 4.节能和绿色化。 5.智能化。 3.2 金属材料 土木工程中，金属材料有着广泛的用途。金属材料可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合金，如生铁和钢等；有色金属是以其他金属元素为主要成分的金属及其合金，如铝合金、铜合金等。 3.2 金属材料 一、钢材 特点 钢材是在严格的技术控制条件下生产的，品质均匀致密，抗拉、抗压、抗弯、抗剪切强度都很高。常温下能承受较大的冲击和振动荷载，有一定的塑性和很好的韧性。钢材具有良好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割，便于装配。 但钢材的耐火性差，容易生锈，维护费用大。 （一）钢材的分类 根据化学成分不同，钢材可以分为碳素钢和合金钢两大类，土木工程用钢基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢。 3.2 金属材料 碳素钢的含碳量小于2.11%，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%）。 合金钢根据合金元素总含量可以分为低合金钢（合金元素含量小于5%）、中合金钢（合金元素含量5%~10%）和高合金钢（合金元素含量大于10%）。 根据冶炼时的脱氧程度，钢材可以分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 根据用途，钢材可以分为结构钢、工具钢和特殊钢。 3.2 金属材料 （二）钢材的加工、防腐和防火 将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使钢材发生塑性变形，可以提高其屈服强度。将钢材按一定的规则加热、保温和冷却，如退火、正火、淬火和回火，可改变钢材内部组织，改善钢材性能 。 随着钢材所处环境温度升高，其持久强度将会下降，如发生火灾时，无保护层的钢柱耐火极限只有0.25h。因此，土木工程中，钢结构用钢