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第五讲 建筑材料概述、钢材、木材内容提要
建筑材料概述、钢材、木材的介绍
重点难点
1、熟悉土木建筑工程主要材料的分类、基本性能及用途
2、建筑材料的物理、力学性质
3、钢材、木材分类、基本性能及用途
内容讲解
第二章 工程材料
大纲要求：
1．熟悉土木建筑工程主要材料的分类及特性；
2．熟悉混凝土强度等级及配合比计算；
3．了解主要装饰材料的基本知识。
本章在2003年考试中约占15题，共19分；2004年占16题，共21分。
2005年的考核重点有：
(1)土木建筑工程材料的分类、物理状态参数。
(2)钢材的力学性能与工艺性能。
(3)木材的特性与分类、木材的物理力学性质。
(4)防水涂料。
(5)影响混凝土强度的因素。
2004年考分分布大致如下：
章数页数2003年考试2003分/页2004年考试2004分/页第一章工程构造72约占11题，共13分0.181约占10题，共13分0.181第二章工程材料47约占15题，共19分0.404约占16题，共21分0.447第三章工程施工技术110约占20题，共25分0.227约占19题，共25分0.227第四章工程施工组织术48约占18题，共23分0.479约占18题，共23分0.479第五章工程计量19约占16题，占20分1.053约占17题，共18分0.947
第一节 概 述
一、 土木建筑工程材料的分类
1、按基本成分分类
复合材料能够克服单一材料的弱点，发挥复合后材料的综合优点。
2．按功能分类
结构材料、功能材料。
3．按用途分类
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。
例题、土木建筑工程材料按基本成分分类有（ ）。
a、有机材料
b、复合材料
c、无机材料
d、金属材料
e、非金属材料
答案：a、b、c
二、土木建筑工程材料的物理力学性质
(一)材料的物理状态参数
1．密度。材料在绝对密实状态下，单位体积的质量用下式表示：
密度(g／cm3、kg／m3)= 材料在干燥状态的质量/ 材料的绝对密实体积
材料的绝对密实体积是指固体物质所占体积，不包括孔隙在内。
密实材料如钢材、玻璃等的体积可根据其外形尺寸求得。
其它材料多或少含有孔隙，可以将该材料磨成细粉，干燥后用排液法测得的粉末体积，即为绝对密实体积。
2．表观密度。即体积密度，是材料在自然状态下单位体积的质量，用下式表示：
表观密度(kg／m3)= 材料的重量/ 材料在自然状态下的外形体积
若外观形状不规则，可用排液法求得，为了防止液体由孔隙渗入材料内部而影响测值，应在材料表面涂蜡。
另外，材料的表观密度与含水状况有关。材料含水时，重量要增加，体积也会发生不同程度的变化。因此，一般测定表观密度时，以干燥状态为准，而对含水状态下测定的表观密度，须注明含水情况。
3．堆密度。堆密度也称堆积密度，系指粉状或粒状材料，在堆积自然状态下，材料的堆积体积包括材料内部孔隙和松散材料颗粒之间的外部空隙在内的体积。堆密度是材料在自然堆积状态下单位体积的质量，按下式计算：
堆密度(kg／m3)= 材料的重量/材料的堆积体积
散粒材料堆积状态下的外观体积，既包含了颗粒自然状态下的体积，又包含了颗粒之间的空隙体积。散粒材料的堆积体积，常用其所填充满的容器的标定容积来表示。散粒材料的堆积方式是松散的，为自然堆积；也可以是捣实的，为紧密堆积。由紧密堆积测试得到的是紧密堆积密度。
例题、包括内、外部孔隙的密度是（ ）
a、密度 b、表观密度 c、堆密度 d、密实度
答案：c
4、密实度。指材料体积内被固体物质所充实的程度，用下式表示：
密实度(％)= [表观密度/密度]*100%
5．孔(空)隙率。指材料体积内孔隙体积所占的比例，用下式表示：
孔(空)隙率(％)=1-密实度
散状颗粒材料在自然堆积状态时，颗粒间空隙体积占总体积的比率，称为空隙率。
密实度和孔隙率两者之和为1，两者均反映了材料的密实程度，通常用孔隙率来直接反映材料密实程度。孔隙率的大小对材料的物理性质和力学性质均有影响，而孔隙特征、孔隙构造和大小对材料性能影响较大。构造分为封闭孔隙(与外界隔绝)和连通孔隙(与外界连通)；按孔隙的尺寸大小分为粗大孔隙、细小孔隙、极细微孔隙。孔隙率小，并有均匀分布闭合小孔的材料，建筑性能好。
例题、仅仅包括内部孔隙的密度是（ ）
a、密度 b、表观密度 c、堆密度 d、密实度
答案：b
二)材料与水有关的性质
1．吸水性与吸湿性。
(1)吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水气的能力称为吸湿性。反之为还湿性。吸湿性的大小用含水率表示，
材料的含水率ωwc =材料所含水分的质量/材料烘干到恒重时的质量
=[材料吸收空气中的水气后的质量(g)。-材料烘干到恒重时的质量(g)]/ 材料烘干到恒重时的质量(g)
当气温低、相对湿度大时，材料的含水率也大。材料的含水率与外界湿度一致时的含水率 称为平衡含水率。它随环境中的温度和湿度的变化而改变，当材料的吸水达到饱和状态时的含水率即为材料的吸水率。
(2)吸水性。材料与水接触吸收水分的能力称为吸水性。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率分质量吸水率和体积吸水率。
质量吸水率ωwa=[材料吸水饱和后的质量(g)- 材料烘干到恒重时的质量(g)]/ 材料烘干到恒重时的质量(g)
体积吸水率ωwa体 =[材料吸水饱和后的质量(g)- 材料烘干到恒重时的质量(g)]/ 干燥材料在自然状态下的体积
材料吸水率的大小与材料的孔隙率和孔隙特征有关。具有细微而连通孔隙的材料吸水率大，具有封闭孔隙的材料吸水率小。当材料有粗大的孔隙时，水分不易存留，这时吸水率也小。轻质材料，如海绵、塑料泡沫等，可吸收水分的质量远大于干燥材料的质量，这种情况下， 吸水率一般要用体积吸水率表示。
2004考题．某物体在自然状态下的体积为100cm3，质量500g，其含水率和密实度分别为10％、85％，则其密度为( b )。
a．4．5g／cm3 b．5．35g／cm3
c．5．29g／cm3 d．5．0g／cm3
2．耐水性。材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。有孔材料的耐水性用软化系数表示，按下式计算材料的软化系数kr：
kr=材料在水饱和状态下的抗压强度(mpa)fb/ 材料在干燥状态下的抗压强度(mpa)fg
材料的软化系数在o～1之间波动。因为材料吸水，水分渗入后，材料内部颗料间的结合力 减弱，软化了材料中的不耐水成分，致使材料强度降低。所以材料处于同一条件时，一般而言吸水后的强度比干燥状态下的强度低。软化系数越小，材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差。对重要工程及长期浸泡或潮湿环境下的材料，要求软化系数不低于o．85～o．90。通常把软化系数大大于0.85的材料称为耐水材料。
例题、关于耐水性不正确的[ ]。
a、有孔材料的耐水性用软化系数表示
b、材料的软化系数在o～1之间波动
c、软化系数大于0.85的材料称为耐水材料。
d、软化系数小于0.85的材料称为耐水材料。
e、软化系数越大，材料吸水饱和后强度降低越多，耐水性越差
答案：de
3．抗渗性。材料抵抗压力水渗透的性质，用渗透系数k表示。公式的组成要记忆，记清和哪些因素有关。渗透系数k小，抗渗性能好。
4、抗冻性。
抗冻性用“抗冻等级”表示。“抗冻等级”表示材料经过规定的冻融次数，其质量损失、强度降低均不低于规定值。如混凝土抗冻等级d15号是指所能承受的最大冻融次数是15次(在-15c的温度冻结后，再在200c的水中融化，为一次冻融循环)，这时强度损失率不超过25％，质量损失不超过5％。
2004考题．混凝土抗冻等级d15号中的15是指( a )。
a．承受冻融的最大次数为15次
b．冻结后在15~c的水中融化
c．最大冻融次数后强度损失率不超过15％
d．最大冻融次数后质量损失率不超过15％
（三）、材料的力学性质
1、强度与比强度
（1）．强度。强度是指在外力(荷载)作用下材料抵抗破坏的能力。
材料抵抗外力破坏的强度分为抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗扭。又称静力强度.
2），比强度。比强度是按单位质量计算的材料的强度，其值等于材料强度对其表观密度的比值，是衡量材料轻质高强性能的重要指标。如普通混凝土c30的比强度(0．0125)低于ⅱ级钢的比强度(o．043)，说明这两种材料相比混凝土显出质量大而强度低的弱点，应向轻质高强方向改进配制技术。
例题、（ ）是衡量材料轻质高强性能的重要指标比强度。
a、强度b、抗拉强度c、比强度d、弹性
答案：c
2、弹性与塑性
（1）弹性是指外力作用下材料产生变形，外力取消后变形消失，材料能完全恢复原来形状的性质，这种变形属可逆变形，称为弹性变形，变形数值的大小与外力成正比。在弹性范围内符合虎克定律。材料的弹性模量e是衡量材料在弹性范围内抵抗变形能力的指标。
（2）．塑性。塑性是指外力作用下材料产生变形，外力取消后仍保持变形后的形状和尺寸，但不产生裂隙的性质，这种变形称为塑性变形。
实际工程中多数材料受力后变形是介于弹塑性变形之间的。当受力不大时，主要产生弹性变形，受力超过一定限度，才产生明显的塑性变形。如混凝土，既具有弹性变形，又具有塑性变形。
3、材料的脆性和韧性，了解。
第二节 钢材，木材，水泥
一、钢材
将生铁(含碳量高于2．06％)在炼钢炉中冶炼，将含碳量降低到指定范围，并控制其它杂质含量后得到钢。
(一)钢材分类
1、按化学成分分类有碳素钢；合金钢：
碳素钢；分为低碳钢(c；0．60％)。
合金钢：含有某些用来改善钢材性能的合金元素，如si、mn、ti、v等。合金元素总含量小于5％为低合金钢；5％～10％为中合金钢；大于10％为高合金钢。
2、按用途分类：分为结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)。
3、按脱氧程度分类：脱氧充分者为镇静钢及特殊镇静钢(代号z及tz)，脱氧不充分者为沸腾钢(f)，介于二者之间为半镇静钢(b)。
建筑钢材多为 普通碳素钢结构钢的低碳钢与低合金钢结构钢。
(二)钢材的力学性能与工艺性能
1．抗拉性能。抗拉性能是建筑钢材最重要的性能。表征抗拉性能的技术指标有：屈服点、抗拉强度及伸长率。
(1) 屈服点。设计时，一般以屈服强度或压服点作为强度取值的依据。
(2)抗拉强度。在设计中，一定范围内，屈强比小则表明钢材在超过屈服点工作时可靠性较高，较为安全。太小了则反映钢材不能有效的被利用。
(3)伸长率。表征了钢材的塑性变形能力。越大越好。
2．冷弯性能。冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，它表征在恶劣变形条件下钢材的塑性，试件按规定条件弯曲，若弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。能揭示内应力，杂质等缺陷，可用于焊接质量的检验，能揭示焊件在受弯表面裂纹，杂质等缺陷。
3．冲击韧性。冲击韧性指钢材抵抗冲击载荷的能力。对直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行冲击韧性检验。
2004考题．影响钢材冲击韧性的重要因素有( )。
a．钢材化学成分 b．所承受荷载的大小
c．钢材内在缺陷 d．环境温度
e．钢材组织状态
4．硬度。硬度指表面层局部体积抵抗压入产生塑性变形的能力。表征值常用布氏硬度值hb表示。
5．耐疲劳性。在反复荷载作用下，钢材在远低于抗拉强度时突然发生断裂，称为疲劳破。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限表示，其含义是：试件在交变应力下工作，在规定的周期基数内不发生断裂的最大应力。
6．焊接性能。可焊性主要指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。
例题：[ ] 性能表征在恶劣变形条件下钢材的塑性，能揭示内应力，杂质等缺陷。
a焊接性能
b耐疲劳性
c伸长率
d冷弯性能
答案：d
(三)、钢材的化学成分
1．碳(c)；当含碳量小于o．8％时，c含量增加将使抗拉强度及硬度提高，但塑性与韧性将降低，焊接性能、耐腐蚀性能也下降。
2．硅(si)：当小于等于1％时，si含量的增加可显著提高强度及硬度，而对塑性及韧性无显著影响。
3．锰(mn)：在一定限度内，随mn含量的增加可显著提高强度并可消减因氧与硫引起的热脆性。改善热加工性能。
4．硫(s)：为有害元素，有强烈的偏析作用，使机械性能、焊接性能下降（引起热裂纹）。
5．磷(p)；为有害元素，含量的增加可提高强度，塑性及韧性显著下降。
有强烈的偏析作用，引起冷脆性，焊接性下降。但可提高耐磨性及耐腐蚀性。
例题、钢材的化学成分中：在一定限度内，随（ ）含量的增加可显著提高强度并可消减因氧与硫引起的热脆性，改善热加工性能。
a、s b、 si c、mn d、p
答案:c
（四）、土木建筑常用钢材
1、碳素结构钢
碳素结构钢指一般的结构钢，碳素结构钢的牌号包括四个部分，依顺序为：屈服点字母(q)
屈服点数值(单位为mpa)
质量等级(分为a、b、c、d四级，逐级提高)
脱氧方法符号(f为沸腾钢，b为半镇静钢，z为镇静钢，tz为特殊镇静钢。但表示中如遇z、tz可省略)。
[例]1，q235—a．f，表示屈服点为235mpa，a级沸腾钢。
[例]2，q235-b，表示屈服点为235mpa，b级镇静钢。
碳素结构钢依据屈服点q数值的大小被划分为五个牌号，q195，q215，q235，q255，q275，依牌号升序，含碳量及抗拉强度增大，但冷弯性及伸长率呈下降趋势。
建筑工程中主要应用的碳素钢是q235号钢，可轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。q235号钢广泛用于一般钢结构。其中c、d级可用在重要的焊接结构。
q195、q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋。
q255、q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。
选用钢材时，还要根据工程结构的荷载类型(动荷载或静荷载)、连接方式(焊接或铆接)及环境温度等，综合考虑钢材的牌号、质量等级、脱氧方法加以选择。如受动荷载、焊接结构、在低温情况下工作的结构，不能选用a、b质量等级钢材及沸腾钢。
2、低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，少量添加若干合金元素而成。提高强度、韧性、耐磨性及耐腐蚀性。
2004考题．普通低合金结构钢比普通碳素钢的( b )。
a．强度低 b．强度高
c．抗冲击性差 d.工难度大
3、型钢、钢板：
热轧钢板按板厚分两种：
(1)中厚板，厚度大于4mm；
(2)薄板，厚度为0．35-4mm。
冷轧钢板只有薄板一种，厚度为0．2-4mm。
4、钢筋
（1）、热轧钢筋
i级钢筋（表面光圆，）的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛用作普通混凝土中非预应力钢筋，ⅱ级与ⅲ级钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好，广泛用作 大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。
(2)冷加工钢筋。在常温下对钢筋进行机械加工(冷拉、冷拔、冷轧)，使其产生塑性变形，从而达到提高强度(屈服点)、节约钢材的目的，这种方法称为冷加工。经冷加工后，虽钢筋的强度有所提高，但其塑性、韧性有所下降。
(3)热处理钢筋。热处理钢筋是以热轧的螺纹钢筋经淬火和回火调质处理而成，即以热处理状态交货，成盘供应，每盘长约200m。预应力混凝土用热处理钢筋强度高，可代替高强钢丝使用，配筋根数少，预应力值稳定，主要用作预应力钢筋混凝土轨枕，也可用于预应力混凝土板、吊车梁等构件。
(4)碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线。预应力混凝土需使用专门的钢丝，这些钢丝用优质碳素结构钢经冷拔、热处理、冷轧等工艺过程制得，具有很高的强度，安全可靠且便于施工。预应力混凝土用钢丝分为碳素钢丝(矫直回火钢丝，代号j)、冷拉钢丝(代号l)及矫直回火刻痕钢丝(代号jk)三种。
碳素钢丝(矫直回火钢丝)。由含碳量不低于0．8％的优质碳素结构钢盘条，经冷拔及回火制成。碳素钢丝具有很好的力学性能，是生产刻痕钢丝和钢绞线的母材。
刻痕钢丝。将碳素钢丝表面沿长度方向压出椭圆形刻痕，即为刻痕钢丝。压痕后，成盘的刻痕钢丝需作低温回火处理后交货。
钢绞线。钢绞线是将碳素钢丝若干根，经绞捻及热处理后制成。钢绞线强度高、柔性好，特别适用于曲线配筋的预应力混凝土结构、大跨度或重荷载的屋架等。
钢丝和钢绞线主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨、屋架、大跨度吊车梁等，安全可靠，节约钢材，且不需冷拉、焊接接头等加工，因此在土木建筑工程中得到广泛应用。
例题、q235—a．f，表示（ ），
a、镇静钢 b、a级 c、屈服点为235mpa d、f级、
答案：b c、
(五)焊接材料
1．焊条
焊条材质分为碳素结构钢及低合金结构钢两种。根据药皮的不同，大体分为酸性型及碱性低氢型两种。焊条的选用要依据构件材质、化学成分及工艺要求来确定。
结构钢电焊条用量最大，主要用来焊接碳素钢、普通低合金钢及铸钢。
铸铁电焊条适用于焊接各种铸铁施焊物，如一般灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁等。
2．焊剂
为使焊头具有较好的机械性能，在进行焊接时多应选择适当的焊剂。焊剂的选择以适应施焊材料及施焊结构为依据。如一般的低碳钢结构可选用高锰高硅型焊剂，并配以h08a和h08mna焊丝。对于q345、q390等低合金钢，则可选用高锰型或低锰型焊剂。在使用焊剂时要注意：在使用前，焊剂一般要在250~c下烘烤1-2h。
(六)钢材的防锈与防火
1．钢材的防锈
混凝土配筋的防锈措施应考虑：限制水灰比和水泥用量，限制氯盐外加剂的使用，采取措施保证混凝土的密实性，还可以采用掺加防锈剂(加重铬酸盐等)的方法。
2．钢材的防火
裸露的、未作表面防火处理的钢结构，耐火极限仅15min左右。防火处理主要的方法是在其表面上涂敷防火涂料。
防火涂料有sti—a型钢结构防火涂料及lg钢结构防火隔热涂料等。
二、木材
(一)木材的特性与分类
1．木材的特性
(1)比强度大，具有轻质高强的特点；
(2) 弹性韧性好，能承受冲击和振动作用
(3)；导热性低，具有较好的隔热、保温性能
(4)；在适当的保养条件下，有较好的耐久性
木材在使用时必然会受到木材自然属性的限制，主要有以下几个方面：
(1) 构造不均匀，呈各向异性；
2)湿胀干缩大，处理不当易翘曲和开裂；
(3)天然缺陷较多，降低了材质和利用率；
(4)耐火性差，易着火燃烧；易腐朽、虫蛀
2．木材的分类
土木建筑工程用木材，通常以三种材型供货，即：
原木：伐倒后经修枝并截成一定长度的木材。
板材：宽度为厚度的三倍或三倍以上的型材。
枋材：宽度不及厚度三倍的型材。
板材及枋材，统称锯材。锯材按国家标准分为特种锯材和普通锯材两个级别。普通锯材根据其缺陷又分为一等、二等和三等三个等级。
对于承重结构用木材，按受力要求分成三级，即i、ⅱ、ⅲ级。 i级材用于受拉或受弯构件；ⅱ级材用于受弯或受压弯的构件；ⅲ级材用于受压构件及次要受弯构件。
例题、对于承重结构用木材，（ ）级材用于受压构件及次要受弯构件。
a、i b、ⅱ c、ⅲ d、iv
答案：c
(二)木材的物理力学性质
1．木材的物理学性质
(1)含水率。木材内部所含的水根据其存在形式可分为三种，即自由水(存在于细胞腔与细胞间隙中)、吸附水(存在于细胞壁内)和化合水(木材化学组成中的结合水)。
水分进入木材后，首先吸附在细胞壁内的细纤维间，成为吸附水，吸附水饱和后，其余的水成为自由水。木材干燥时，首先失去自由水，然后才失去吸附水。当木材细胞腔和细胞间隙中的自由水完全脱去为零，而细胞壁吸附水饱和时，木材的含水率称为“木材的纤维饱和点”。纤维饱和点随树种而异。纤维饱和点是木材物理力学性质发生改变的转折点，是木材含水率是否影响其强度和干缩湿胀的临界值。
木材具有较强的“吸湿性”。当木材的含水率与周围空气相对湿度达到平衡时，此含水率称为平衡含水率。周围空气的相对湿度为100％时，木材的平衡含水率便等于其纤维饱和点。
(2)湿胀干缩。防止胀缩最常用的方法是对木料预先进行干燥，达到估计的平衡含水率时再加工使用。
2．木材的力学性质
木材的组织结构决定了它的许多性质为各向异性，在力学性质上尤其突出。以强度为例，木材不仅有抗拉、抗压、抗弯和抗剪四种强度，而且均具有明显的方向性。
抗拉强度——顺纹方向最大，横纹方向最小。
抗压强度——顺纹方向大，横纹方向小。
抗剪强度——横纹方向大，顺纹方向小。
抗弯强度——很大。因中性轴以上为顺纹抗压，以下为顺纹抗拉，都是很强的，所以抗弯很好。
(三)木材的防护
主要包括干燥、防腐、防火。
（四）、木材的加工利用
(一)胶合板
1．制作：将木材软化处理后切成薄板，表面刷胶后按纹理相互垂直方向叠放，加压热合而成的板材。以层数取名，如三合板。
2．特点：①解决了各项异性的缺点；②可用小直径原木制成宽幅板。 3．适用范围：室内、外工程。
(二)纤维板
1．制作：以植物纤维为原料，经破碎、浸泡、研磨、加压成型、干燥处理而成。
2．特点：各项同性，不易胀缩、翘曲及开裂，并有良好的保温、吸声、绝缘效果。
3．适用范围：室内墙面、天花板、地板。