土木工程材料讲义.doc

《土木工程材料》
教 案
（高峰Page: 1
同济大学材料科学与工程学院智能与结构材料研究所，讲师。
，2008.8.）
课程说明
本课程适用于高等院校工科土建类专业，属专业基础课。要求先修课程：普通化学、普通物理、材料力学；后续课程：工程材料学、胶凝材料学、无机非金属材料学、钢筋混凝土学等。注册建筑师、结构工程师资格考试中部分内容涉及本课程。
教学安排
课时：16周×2学时/周+期末测验。2008.9.9.~12.30.，考查课，2学分。
上课时间地点：周二3、4节，北楼418。
实验时间地点：周五1、2节，工程试验馆。
教材：《土木工程材料》，吴科如、张雄主编，同济大学出版社，2003年6月第1版。
参考书目：
1. 《新编建筑工程材料》，李铭臻 主编，中国建材工业出版社98.1.版。TU5/ZL411-2
2. 《建筑材料学》，徐家宝 主编，华南理工大学出版社95.4.版。TU5/ZX572a

课时安排：
第1讲：绪论，建筑材料的基本性质
第2讲：建筑材料的基本性质（续），建筑钢材
第3讲：木材，石材
第4讲：气硬性无机胶凝材料
第5讲：水泥
第6讲：混凝土
第7讲：混凝土（续1）
第8讲：混凝土（续2）
第9讲：建筑砂浆
第10讲：建筑塑料
第11讲：建筑塑料（续）
第12讲：墙体材料和屋面材料
第13讲：防水材料
第14讲：绝热材料和吸声隔声材料
第15讲：建筑装饰材料
第16讲：复习

===========第1讲==========

绪论

一． 教学目的
对建筑材料的基本知识（品种、材性、应用）有一般了解，能合理选择、使用常用的建筑材料，满足实际应用要求。
说明
1． 针对某一具体应用，能合理选择Page: 2
选材的要求：满意的性能、可接受的成本、可回收性。
所需建筑材料。
2． 针对某一具体建筑材料，能合理使用，满足实际需要。
二． 建筑材料的分类
1． 按组成：无机材料、有机材料、复合材料。
2． 按性能：结构材料Page: 2
以力学性能为主。
（钢筋混凝土、钢材）、功能材料Page: 2
以物理、化学性能为主。
（装饰、防水、绝热、隔声）。
3． 按使用部位：承重材料、屋面材料、墙体材料、地面材料。
说明
1． 目前，全世界注册的正式材料已超过25万种，并以每年5%的速度增长。
2． 材料的分类：按组成分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料；按使用领域分为：建筑材料、航空材料、电子材料、医用材料等。
3． 在学科上，一般按化学组成分类。
4． 无机非金属材料是由一百多种元素按不同组合构成的庞大家族，最主要的是由硅、铝、氧元素组成的硅酸盐材料Page: 2
欧美各国统称陶瓷（ceramics），日本称窑业制品。
，分为水泥、陶瓷、玻璃三大类。
5． 在建筑材料中，胶凝材料具有很重要的作用。
6． 材料学或材料工程学涉及材料的性能研究、测试、人工合成、应用。
7． 材料科学是从化学、物理学的角度研究材料的组成、结构与性能的关系，以此为材料的合成与应用提供科学依据。材料科学是介于基础科学与应用科学之间的基础应用学科。

三．建筑材料的发展
从天然材料发展到人造材料，从无机材料发展到有机材料，从单一材料发展到复合材料，从传统材料发展到新型材料。建筑材料的发展趋势是：轻质、高强、耐久、多功能。建筑材料的生产将越来越注重保护自然资源、利用再生资源、减少能源消耗和环境污染。建筑材料的发展与建筑设计、施工以及材料科学的发展有着密切联系。一个国家使用的材料品种和数量的多寡是衡量其科学技术和经济发展水平的重要标志。
回顾材料及材料科学发展的历史：人类利用石块、树枝作工具的时期叫旧石器时代；约50万年前，人类学会了用火，由此进入新石器时代，此间有两件重大发明：制陶Page: 2
涂抹了泥土的枝条编织的容器落入火里，内部枝条烧去，剩下成形的土陶器皿，就出现了最早的陶器。
（历史上第一个人造材料）、冶铜Page: 2
用陶质坩埚熔铜
（历史上第二个人造材料）；青铜时代，我国的殷、西周时期对青铜Page: 2
铜、锡合金
冶炼已达到很高水平；铁Page: 2
人类最先使用的是陨铁，如出土的商代的铁刃铜钺。
（历史上第三个人造材料）的熔点Page: 2
1530℃
更高、冶炼技术更复杂，至今，钢铁产量仍是衡量一个国家工业水平和国防实力的标志，可以说铁器时代延续至今。十八世纪工业革命（1789年）以后，机器战胜了手工劳动，对材料、特别是钢铁的需求急剧增长，在化学、物理学、材料力学等学科的基础上产生了一门新的科学——金属学。进入二十世纪后，在材料中非金属材料发展迅速，尤以人工合成高分子材料的发展最快，在金属学、陶瓷学、高分子科学及现代物理、化学的基础上，于六十年代发展起一门新兴科学——材料科学。目前材料研究面临的问题包括：轻质、腐蚀、磨损、老化、废物利用。
建筑材料的发展历史：胶凝材料经历了从泥土到气硬性胶凝材料石膏、石灰，到水硬性胶凝材料水泥；结构材料经历了从最初的石块、树枝、泥土，到木结构、砖石结构使用的木材、石材、烧结或非烧结砖，到目前的钢铁、混凝土；功能材料经历了从最初的茅草、兽皮、木材，到目前品种繁多的装饰材料、防水材料、绝热材料等。

四．建筑材料的技术标准
1． 国内：国家标准（GB）、部标准（JC、LG等）、企业标准（QB）。
2． 国际：国际标准化组织（ISO）、美国（ASTM）、英国（BS）、德国（DIN）等。
说明
所采用标准应现行有效。

思考题
1． 建筑材料的研究在现代建筑业中有何意义Page: 3
（1）建材在基建总费用中占很大比例（总投资的60%） （2）建筑形式、结构设计、施工方法等受建材品种、质量的制约（3）建材量大面广，涉及资源、能源、环境等各方面，具有综合的、巨大的社会经济效益。
？
2． 建筑材料可分为哪几类？
3． 选用建筑材料的基本原则Page: 3
（1）就地取材，选用技术成熟、经济实用的建材（2）遵照有关政策法规，合理使用利废、节能的新材料，淘汰粘土砖等落后传统建材（3）综合考虑材料性能、施工进度、热工及抗震等建筑性能要求、工程投资等因素。总之，要做到：价廉物美、满足使用要求、综合效益好。
是什么？
4． 对于传统建筑材料与新品种材料的使用应抱什么态度Page: 3
传统建材有长久的历史、广泛的应用，但面临社会的发展、技术进步更新，也暴露出不足和落后，应结合地区特点、工程性质、市场规律进行合理利用和改进。新型建材既存在技术成熟、经济可行方面的问题，也面临人们观念更新、设计与施工、销售配套等问题，因此，既不要盲目照搬，也不要消极保守，应积极而慎重地推广使用。
？

第一章 建筑材料的基本性质

第一节 建筑材料的基本物理性质
包括与重量、构造状态有关的性质（密度、孔隙率）；与水有关的性质（亲水性、吸水性、耐水性）；与热有关的性质（导热性）；与声有关的性质（吸声性）。

一. 密度、表观密度、堆积密度
定义
1． 密度：材料在绝对密实状态下，单位体积的重量。ρ= m / V ，单位：g/cm3 。
2． 表观密度：材料在自然状态下，单位体积的重量。ρ0 = m / V0 ，单位：g/cm3或kg/m3。
3． 堆积密度：散粒状材料在堆积状态下，单位体积的重量。ρ0’ = m / V0’ ，单位：kg/m3。
说明
1． 物理概念上的“质量”，在工程上常称为“重量”，以区别于品质意义上的“质量”。
2． 测定密度、表观密度、堆积密度时，重量指干燥至恒重时的重量（否则须注明含水情况）；体积有不同含义：绝对密实状态下，应排除材料中任何孔隙Page: 4
工程上一般为孔径0.20mm以上的孔。
（有孔隙材料应将其磨细、干燥后，用比重瓶测定。）；自然状态下，应包含材料内部孔隙（用排水法测定）；堆积状态下，应包含材料内部孔隙及颗粒间空隙（用容量筒测定）。
3． 表观密度建立了材料自然体积与重量之间的关系，在工程上可用来计算材料用量、构件自重、材料堆放空间等。
4． 应使用我国法定计量单位。按现行规范，不使用容重（现为表观密度）、比重（现为密度）的称呼。

二. 孔隙率、空隙率
定义
1． 孔隙率：材料内部孔隙体积占其总体积的百分率。
P =（V0-V）/ V0×100% =（1-ρ0/ρ）×100%
2． 空隙率：散粒状材料颗粒间空隙体积占其自然堆积体积的百分率。
P ’=（V0’-V0）/ V0×100% =（1-ρ0’/ρ0）×100%
说明
1． 孔隙率直接反映材料的密实程度，孔隙率高，则密实程度小。
2． 有关材料内部孔隙的大小、形状、数量、分布、连通与否等，统称为孔隙特征。工程上主要指孔隙的连通性，分为连通孔（开孔）、封闭孔（闭孔）。
3． 开孔不仅彼此贯通还与外界相通，如毛细孔。开孔能提高材料的吸水性、透水性、吸声性，降低抗冻性。
4． 闭孔不仅彼此不连通还与外界隔绝。闭孔能提高材料的隔热保温性能和耐久性。
5． 孔隙率和孔隙特征与材料的强度、吸水性、保温性、耐久性等有密切关系。
6． 空隙率可用于控制砂、石级配及计算混凝土配合比。

三. 亲水性、憎水性
定义
1． 润湿角：在材料、水、空气的三相交界处，沿水滴表面的切线与水和材料的接触
面之间的夹角。
2． 亲水性：材料与水接触时能被水润湿的性质。亲水性材料的润湿角θ≤90°。
3． 憎水性：材料与水接触时不能被水润湿的性质。憎水性材料的润湿角θ>90°。

说明
1． 亲水性材料能被水润湿，即水可在材料表面铺展开，而且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部，如右图（a）所示。憎水性材料不能被水润湿，水分不易渗入材料毛细管中，如右图（b）所示。
2． 憎水性材料常用作防水材料。亲水性材料表面作憎水处理，可提高其防水性能。

四. 吸水性、吸湿性
定义
1． 吸水性：材料在水中吸收水分的性质。以吸水率表示。
2． 吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质。以含水率表示。
3． 吸水率：重量吸水率指材料在吸水饱和状态下，所吸水重量占材料绝干重量的百分
率。体积吸水率指材料在吸水饱和状态下，所吸水体积占绝干材料自然体
积的百分率。工程上常用重量吸水率。
4．含水率：材料所吸收水分的重量占材料绝干重量的百分率。
说明
1． 材料的吸水率反映材料吸收水分的能力，是固定值。
2． 材料的含水率表示材料在某一时间的含水状态，不是固定值，随环境温度和空气湿度的变化而改变。与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。
3． 材料的吸水性和吸湿性，取决于材料的亲水性、孔隙率、孔隙特征。一般地，孔隙率大，则吸水性大。材料具有微小而连通的孔隙（如毛细孔），其吸水性和吸湿性较强。
4． 材料吸水后，对材料性能有不利影响：表观密度增大，体积膨胀，强度下降，保温性能下降，抗冻性变差。

五. 耐水性、抗渗性、抗冻性
定义
1． 耐水性：材料长期在饱和水作用下不破坏，且强度也不显著降低的性质。常用软化
系数表示。
2． 抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质。常用渗透系数或抗渗标号表示。
3． 抗冻性：材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度又不显
著降低的性质。常用抗冻标号表示。
4． 软化系数：材料在吸水饱和状态下的抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值。软
化系数越小，表示材料的耐水性越差。
5． 渗透系数：根据达西定律，K = Q * d /（A* t *H）。渗透系数越大，表示材料的抗
渗性越差。
6． 抗渗标号：材料在标准试验方法下进行透水试验，以试件在透水前所能承受的最大
水压力来确定。抗渗标号越大，表示材料的抗渗性越好。
7． 抗冻标号：材料在标准试验方法下进行冻融循环试验，以重量损失不超过5%、强
度下降不超过25%时，所能经受的最大冻融循环次数来确定。抗冻标
号越大，表示材料的抗冻性越好。
说明
1． 工程上，将软化系数不低于0.85的材料称为耐水性材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构，必须选用耐水材料；用于受潮较轻或次要结构的材料，其软化系数不应低于0.75。
2． 材料的耐水性主要与其组成成分在水中的溶解度和材料的孔隙率有关。如金属材料的软化系数为1，粘土为0。
3． 防渗、防水材料（如油毡、瓦、水工沥青混凝土）的防水性常用渗透系数表示。建筑工程材料（如砂浆、混凝土）的抗渗性常用抗渗标号表示，如P4、P6。
4． 材料的抗渗性与其亲水性、孔隙率和孔隙特征有关。亲水性材料的毛细孔有利于水的渗透；开口大孔最易渗水。
5． 材料的抗冻性与其孔隙率、孔隙特征、吸水饱和程度、强度及冻结条件有关。

六. 导热性、热容量
定义
1． 导热性：材料传导热量的性质。用导热系数表示。
2． 热容量：材料受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质。用比热表示。
3． 导热系数：单位厚度的材料，当两侧温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积
的热量。λ= Q*δ/（（τ1-τ2）* F * Z），单位：W /（m·K）。
4． 热阻：材料的导热系数与材料层厚度之比的倒数。R=δ/λ，单位：（m2·K）/ W。
5． 比热：单位重量的材料，温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量。
c = Q / (m*(τ1-τ2))，单位：J /（kg·K）。
说明
1． 热阻说明材料层抵抗热流通过的能力。热阻越大，表示材料层的保温绝热性能越好。
2． 导热系数的影响因素：材料的组成与结构（金属材料＞非金属材料，无机材料＞有机材料，晶体材料＞非晶体材料），表观密度，孔隙率（因为空气的导热系数很低），孔隙结构（由于对流传热，粗大、开孔材料＞细小、闭孔材料），含水状态（冰＞水＞空气），温度（高温＞低温，但金属材料除外）。
3． 比热反映材料吸热或放热能力的大小。
4． 热容量大，可长时间保持室内温度的稳定，因此，在建筑设计、热工计算时，应选用导热系数小、热容量大的材料。

七. 吸声性、隔声性
定义
1． 吸声性：材料吸收声音的性质。用吸声系数表示。
2． 隔声性：材料隔绝声音的性质。用隔声量表示。
3． 吸声系数：声波在材料表面被吸收的声能与入射总声能之比。α= E1/E0
4． 隔声量：R = 10 * lg( E0 / E2 )，单位：dB 。
说明
1． 吸声系数与声音的频率和入射方向有关。
2． 平均吸声系数不小于0.2的材料称为吸声材料。吸声材料多为轻质、疏松、多孔的材料，空隙率常在70%以上。如玻璃棉、岩棉、矿棉等纤维材料及其板、毡制品，开口石膏板、软质纤维板等。
3． 吸声效果的影响因素：孔隙特征（细小开孔有利于吸声）、表观密度（表观密度小有利于高频吸声）、材料层厚度（增大厚度有利于低频吸声，但对高频作用不大）。
4． 在建筑上，隔声分为隔空气声、隔固体声。两者的隔声方法不同。
5． 隔声量R表示材料隔绝空气声的能力，根据“质量定律”，单位面积的材料重量越大，越不易振动，则隔声效果越好。因此，可选用粘土砖、钢板、钢筋混凝土等密实、沉重的材料作隔声材料。
6． 隔绝固体声，应采用不连续的结构处理以减振隔声。如在楼板面层与结构层之间加弹性衬垫（毛毡、软木、橡皮等材料），在楼板上铺设柔软材料（地毯、木地板）。

第二节 建筑材料的力学性质
一． 强度、比强度
定义
1． 强度：材料抵抗外力破坏的能力。根据外力作用方式，分抗拉强度、抗压强度、抗
弯强度、抗剪强度等。通过静力破坏试验测定。
2． 比强度：材料的强度与其表观密度之比。
说明
1． 材料的强度与其组成和构造、孔隙率、试验条件（试件形状尺寸、加荷速度、环境
温湿度、试件端部约束情况、承压面平整度）等有关。
2． 根据强度大小对建筑材料划分强度等级或标号，以便于材料的选用和质量控制。
3． 比强度反映了单位重量的强度，用于比较不同密度材料的强度。比强度高，说明材料轻质高强性能好。

二． 弹性、塑性
定义
1． 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，变形能完全消失的性质。
2． 塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，仍保持一部分残余变形的性质。
3． 弹性模量：材料在弹性范围内，外力与变形的比值。
4． 徐变：材料在持续荷载的长期作用下，变形随时间延长而增加的现象。
说明
1． 弹性反映材料的变形是否可恢复。
2． 弹性变形是可逆变形，暂时变形；塑性变形是不可逆变形，永久变形。
3． 纯弹性材料是没有的。有的材料（如建筑钢材）在受力不大时仅表现弹性变形（可视为弹性材料），当受力超过一定限度后便出现塑性变形；有的材料（如混凝土）受力后同时产生弹性变形和塑性变形，称为弹塑性材料。
4． 弹性模量反映材料抵抗变形的能力。弹性模量越大，材料越不易变形，即刚度好。
5． 弹性模量是结构设计的重要参数。材料的弹性模量与强度之间没有固定关系。
6． 刚性反映材料变形所需外力的大小。

三． 脆性、韧性
定义
1． 脆性：材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质。
2． 韧性：材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生较大变形而不产生突
然破坏的性质。
说明
1． 脆性反映材料的破坏形式。
2． 脆性材料承受冲击或振动荷载的能力很差。所以，仅用强度不能反映材料承受动荷载作用的能力，还须考虑材料的韧性。吊车梁、桥梁、路面等所用材料应具有较高韧性。
3． 脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度。
4． 韧性以材料从承载起至破坏时所吸收的能量表示。可以用荷载-变形曲线下所包含的面积表示。冲击韧性值以带缺口的试件做冲击破坏试验测定。
5． 韧性材料的塑性变形大，抗拉强度接近或高于抗压强度。

四． 硬度、耐磨性
定义
1． 硬度：材料抵抗较硬物质刻划或压入的能力。
2． 耐磨性：材料抵抗磨损的能力。用耐磨率（单位面积上的重量磨损率）表示。
说明
1． 硬度与强度有一定关系。工程上有时用硬度间接推算强度，如对混凝土材料用回弹法推定强度。
2． 耐磨性与硬度、强度、材料内部构造有关。
3． 不同材料的硬度测试方法不同：矿物材料用划痕法，测得为莫氏硬度（HM）；钢材、木材用压痕法，测得为布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV）；混凝土、砂浆、砖石材料用回弹法，测得为肖氏硬度（HS）。

第三节 建筑材料的耐久性
定义
1．耐久性：材料在长期使用过程中，能保持其原有性能而不变质、破坏的性质。
说明
1． 耐久性是一种综合性质，包括：抗冻性、耐热性、耐光性、大气稳定性、抗化学腐蚀性、对碱骨料反应的抵抗等。材料在使用过程中所受的破坏作用包括：物理作用（外力、干湿交替、冷热变化、冻融循环）、化学作用（大气和环境水中的酸、碱、盐等有害物质的侵蚀，日光、紫外线的作用等）、生物作用（虫蛀、菌类腐朽）。
2． 不同材料的主导性破坏因素不同：砖、石、混凝土等矿物质材料多由于物理破坏（处于水中时也受到化学破坏）；金属材料主要受化学和电化学腐蚀；木材等天然有机质材料常受生物破坏；沥青、塑料、橡胶等高分子材料受阳光、空气、热的作用而老化破坏。
3． 提高材料耐久性的措施：减轻环境破坏作用，采取表面保护措施，提高材料密实性，合理选用材料等。
4． 耐久性是一种长期性质，可以用模拟法进行快速试验。

===========第2讲==========

第四节 建筑材料的组成与结构
一．组成
定义
1． 组成：组成材料的化学成分或矿物成分。
2． 化学组成：构成材料的基本化合物或元素。无机非金属材料以各种氧化物的含量表示，金属材料以元素含量表示。
3． 矿物组成：无机非金属材料中化合物存在的特定结合形式。
说明
材料的组成决定了材料的性质（化学性质、物理力学性质）。

二．微观结构
定义
1． 微观结构：材料的原子、分子层次（10-10m级）的结构。分为：晶体，玻璃体、胶体。
2． 晶体：材料的内部质点（原子、分子、离子）呈现规则排列的物体。分为：原子晶体（石英、金刚石）、离子晶体（石膏、氯化钠）、分子晶体（蜡、部分有机化合物）、金属晶体（铁、钢、铝、铜及其合金）。
3． 玻璃体：熔融物质经急冷而形成的无定形体（粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰），是非晶体。
4． 胶体：细小的固体粒子（直径1~100μm）分散在介质中所组成的结构，一般属非晶体。
说明
1． 材料的微观结构与材料的物理性质（强度、硬度、弹塑性、导热性等）有关。
2． 晶体具有一定的几何外形，并显示各向异性。
3． 玻璃体具有潜在的化学活性。
4． 胶体有很大的粘结力。
5． 胶体脱水形成凝胶。凝胶体具有固体性质，在长期应力作用下又具有粘性液体的流动性质。

三．宏观结构
定义
1． 宏观结构：材料宏观存在的状态（肉眼可分辨的毫米级）。固体材料分为：致密结
构（钢材、玻璃）、多孔结构（烧结粘土砖、泡沫塑料）、纤维结构（木
材、石棉）、层状结构（胶合板、纸面石膏板）、散粒材料（粒状、粉状
材料）。

说明
1． 材料的构造决定了材料的性能。可根据使用性能的要求，将材料做成致密、多孔、层状等不同构造。

四．细观结构
定义
1． 细观结构：用光学显微镜能观察到的微米级材料结构。如金属材料的金相组织，岩
石的矿物组织，木材的木纤维、导管、髓线、树脂道等显微组织，混凝
土的微裂缝等。

思考题
1． 材料含水后，对材料的密度Page: 11
不变
、表观密度Page: 11
增大
有何影响？
2． 一块砖，外形尺寸240*115*53mm，从室外取来时重量为2700g，浸水饱和后重量为2850g，绝干时重量为2600g，求此砖的含水率Page: 11
W含=（2700-2600）/2600*100%
、吸水率Page: 11
W吸=（2850-2600）/2600*100%
、干表观密度Page: 11
ρ0=2600/（24*11.5*5.3）
。
3． 某石灰石的密度为2.70g/cm3，孔隙率为1.2%，将该石灰石破碎成石子，石子的堆积密度为1580kg/m3，求此石子的表观密度Page: 11
ρ0=（1-0.012）*2.70
和空隙率Page: 11
P’=（1-1580/ρ0）*100%
。
4． 某岩石在气干、绝干、水饱和状态下测得的抗压强度分别为172、178、168MPa，求该岩石的软化系数Page: 11
K软=168/178
？并指出该岩石可否用于水下工程Page: 11
K软≥0.85
？
5． 已知室内温度15℃，室外温度-15℃，外墙面积100m2，每天烧煤20kg，煤的发热量4.2*104kJ/kg，砖的导热系数0.78W/(m.K)，问外墙需要多厚Page: 11
δ=λ*F*Z*（τ1-τ2）/Q=0.78*100*24*3600*30/（20*4.2*10000*1000）
？
6． 建筑物的屋面Page: 11
抗弯、抗冲、轻质、抗渗、抗冻、保温隔热、耐久性。
、外墙Page: 11
抗压、抗冲、轻质、抗渗、抗冻、保温隔热、耐久性、隔声。
、基础Page: 11
抗压、耐水、抗渗、耐久性
所使用的材料各应具备哪些性质？
7． 脆性材料与韧性材料有何不同Page: 11
破坏方式不同。
？使用时应注意Page: 11
脆性材料应受压，避免受拉或冲击、振动。
哪些问题？

第二章 建筑钢材
金属材料分为黑色金属（铁、钢、合金钢）、有色金属（铜、铝、铅等非铁金属及其合金）。人类使用金属材料始于青铜时代，随后进入铁器时代。1860年前后，发明了钢的冶炼技术。1889年建造的法国埃菲尔塔，标志着钢结构的兴起。1940年以后，铝合金、不锈钢等现代金属建筑材料迅速发展。目前用量较大的金属材料有500多种。
建筑钢材指建筑工程中所用的各种钢材（型钢、钢板、钢筋、建筑五金）。建筑钢材是最重要的建筑材料之一。建筑钢材强度高，材性好，比强度高，施工便利，缺点是易锈蚀。

第一节 钢的冶炼和分类
一．钢的冶炼
1． 生铁的冶炼：铁矿石、石灰石、焦碳和少量锰矿石在高炉内进行还原反应，由氧化铁形成金属铁，再吸收碳而成生铁。铁渣排出时用水急冷，形成水淬矿渣Page: 12
水泥及混凝土行业普遍使用的一种活性掺合料。
。
2． 钢的冶炼：生铁在转炉（最常用）、平炉或电炉中进行氧化反应，除去杂质而成钢。

二．钢的分类
1． 按冶炼时脱氧程度分类：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。
2． 按化学成分分类：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）。
3． 按有害杂质分类：普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢。
4． 按用途分类：结构钢（结构构件、机械零件等，一般为低碳钢或中碳钢）、工具钢（工具、量具、模具等，一般为高碳钢）、特殊钢（不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等，一般为合金钢）。建筑工程中常用普通碳素结构钢中的低碳钢（软钢）、普通合金结构钢中的低合金钢。

第二节 建筑钢材的技术性能
一． 力学性能

1． 抗拉性能

低碳钢（软钢）是建筑工程中广泛使用的一种钢材，其拉伸应力-应变曲线如上左图所示。中碳钢、高碳钢（硬钢）的拉伸应力-应变曲线与低碳钢不同，如上右图所示。硬钢的抗拉强度高，塑性变形小，屈服现象不明显。规范规定以产生相对于初始长度0.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，以σ0.2表示。
低碳钢的拉伸应力-应变曲线反映了材料的许多重要技术性能：
（1） 弹性阶段：OA段，呈直线，应力与应变成正比，其比值即弹性模量（E=σ/ε），产生弹性变形，A点对应的应力为弹性极限（σP）。
（2） 屈服阶段：AB段，呈锯齿状，应力在不大的范围内波动，应变急剧增大，开始产生塑性变形Page: 13
OA段与AB段分界的标志
，出现屈服现象。B下点对应的应力为屈服点或屈服强度Page: 13
硬钢无法测得屈服点，故以σ0.2代替。
（σS）。钢材受力达到屈服点后，由于变形迅速发展，尽管尚未破坏，但已不能满足使用要求，故设计中一般以屈服点作为强度取值的依据Page: 13
钢结构在弹性范围内工作
。
（3） 强化阶段：BC段，呈平缓上升曲线，应力持续上升，应变快速发展，C点对应的应力为极限强度或抗拉强度（σb）。工程上，不能直接利用抗拉强度，而是用屈强比（σS /σb）反映材料的安全可靠程度和利用率（常用碳素钢的屈强比0.58~0.63，低合金钢0.65~0.75）。
（4） 颈缩阶段：CD段，呈快速下降曲线，应力持续下降Page: 13
由于产生颈缩，承载面积急剧减小
，应变快速增加，变形不再是均匀分布，在试件的薄弱处产生颈缩Page: 13
试件某一处断面显著减小
现象，直至在D点断裂。

2． 塑性：钢材在外力作用下发生塑性变形Page: 13
使应力重新分布，消除应力集中，避免脆性断裂。
而不破坏的能力。钢材的塑性指标：伸长率、
断面收缩率。
（1）伸长率：试件拉断后对接在一起，测得标距伸长值与原始标距的百分比。
δ=（l1-l0）/ l0*100%
（2）断面收缩率：试件拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分
比。ψ=（A0-A1）/A0*100%
说明
（1） 伸长率反映钢材塑性大小。伸长率越大，塑性越好。
（2） 钢材拉伸时的塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大，故l0/d0越大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占比例越小，则计算所得伸长率越小。l0/d0通常取5或10，相应的伸长率分别为δ5 、δ10Page: 13
对于同一钢材，δ5＞δ10
。
（3） 对于一般非承重结构，只要保证钢材的抗拉强度和伸长率即能满足要求；对于承重结构则必须具有抗拉强度、屈服点、伸长率三项指标合格的保证。

3． 冲击韧性：钢材抵抗冲击荷载的能力。以缺口试件的冲击弯曲试验测定。

说明
（1） 钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、冶炼质量、温度、时效等因素有关。
（2） 当温度下降到一定范围时，钢材的冲击韧性值突然下降很多，这种性质称为钢材的冷脆性。如右图所示。北方寒冷地区需检验钢材的冷脆性，应选用脆性转变温度低于使用温度的钢材。

4． 疲劳强度：钢材在交变荷载Page: 14
大小、方向变化的荷载
的反复作用下，在应力远小于抗拉强度时发生破坏，称疲劳破坏Page: 14
疲劳破坏是由于疲劳裂纹累积扩展所致，在断口可明显分辨出疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。
。钢材在无数次Page: 14
通常取10000000次
重复的交变荷载作用下不发生断裂所能承受的最大应力，称疲劳强度。

5． 硬度：布氏法、洛氏法。

二． 工艺性能
1． 冷弯性能：钢材在常温下承受弯曲变形的能力。以冷弯试验判定是否合格。冷弯性
能反映钢材在苛刻变形条件下承受静荷载作用时的塑性。

2． 焊接性能：焊接件的拉伸、弯曲试验，以破坏不发生在焊接处为合格。

第三节 钢材的冷加工强化、时效处理和焊接
一． 冷加工强化
定义
1． 冷加工：在常温下进行机械加工，包括冷拉、冷拔、冷扭、冷冲、冷压等。
2． 冷加工强化：钢材通过冷加工产生塑性变形，提高屈服强度，相应地降低塑性和韧性。常对钢筋进行冷拉Page: 14
一般钢筋控制冷拉率（单控），预应力钢筋既控制冷拉率、又控制冷拉应力（双控）。
、冷拔。
说明
1． 冷加工强化的原因：钢材在冷加工变形时，产生晶格变形。
2． 经过冷加工强化，钢材的屈服强度提高（见下图，由B提高至K），冲击韧性降低（曲线下包含的面积减小）。在工程上，可节约钢材，但受冲击荷载的部位不得使用冷拉、冷拔钢筋。

二． 时效处理
定义
1． 时效：钢材经冷加工后，随时间的延长，屈服强度（由K提高至K1）和极限强度（由C提高至C1）逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象。
2． 时效处理：经过冷拉的钢筋，在常温下存放15~20天（自然时效Page: 15
用于强度较低的钢筋
），或加热到100~200℃并保持2~3小时（人工时效Page: 15
用于强度较高的钢筋
），使强度进一步提高的过程。
说明
1． 产生时效的原因：溶于α-Fe晶格中的氮、氧等原子，向滑移面等缺陷处移动、聚集，使晶格变形加剧。
2． 在工程中，经过时效处理，可使钢筋的屈服强度提高20~25%，节约钢材20~30% 。
3． 钢材的时效敏感性用应变时效敏感系数表示。

三． 焊接
1． 电弧焊：利用高温电弧，使焊条金属熔化在焊件上以联接焊件。用于钢结构。
2． 接触对焊：利用电流使焊件的接触面金属熔融，经加压熔合而成。用于钢筋。

第四节 建筑钢材的选用
一． 钢结构用钢
1． 碳素结构钢：
根据《碳素结构钢》（GB700-88）规定，分五个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。技术要求：化学成分、力学性能（拉伸、冲击、冷弯）。
碳素结构钢的牌号由四部分组成：QPage: 15
屈服点
、屈服点数值Page: 15
N/mm2
、质量等级Page: 15
A、B、C、D
、脱氧程度Page: 15
F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）
。如：Q235-A•F表示屈服强度为235（N/mm2）的A级沸腾钢；Q215-C表示屈服强度为215（N/mm2）的C级镇静钢。
Q235号钢，综合性能好，广泛应用于建筑结构，用作钢结构的屋架、闸门、管道、桥梁及钢筋。Q195、Q215号钢，强度较低，塑性、韧性、可焊性好，用于受荷较小及焊接结构、铆钉、地脚螺丝等。Q255、Q275Page: 15
现已被20MnSi等低合金钢代替
号钢，强度较高，塑性、韧性、可焊性差，用于钢筋混凝土结构中配筋、螺栓等。

2． 低合金结构钢：
根据《低合金结构钢》（GB1591-88）规定，分17个牌号。
低合金结构钢的牌号由四部分组成：含碳量Page: 15
平均含碳量的万分数
、合金元素、合金元素含量Page: 15
平均含量小于1.5%时，无脚注；平均含量1.5%~2.4%时，脚注2；平均含量2.5%~3.4%时，脚注3；以此类推。
、脱氧程度Page: 15
一般为镇静钢，不标注。若为半镇静钢则标注b。
。如：16Mn表示平均含碳量0.16%，合金元素为锰（Mn），平均含锰量小于1.5%，镇静钢。
低合金结构钢主要用于型钢、钢板、钢管、钢筋，适用于重型结构、大跨度结
构、高层结构、桥梁。

3． 优质碳素结构钢：
根据《优质碳素结构钢》（GB699-88）规定，分31个牌号。
优质碳素结构钢的牌号由三部分组成：含碳量Page: 16
平均含碳量的万分数
、含锰量Page: 16
普通含锰量（0.35%~0.80%）不标注，较高含锰量（0.70%~1.20%）标注Mn。
、脱氧程度Page: 16
有3个牌号是沸腾钢，标注F。其余都是镇静钢，不标注。
。如：45表示平均含碳量0.45%、普通含锰量的镇静钢；45 Mn表示含锰量较高的45号钢；15F表示平均含碳量0.15%、普通含锰量的沸腾钢。
优质碳素结构钢主要用于钢铸件、高强螺栓、预应力混凝土的锚具、钢丝。

二． 钢筋混凝土用钢
由碳素结构钢、低合金结构钢加工而成。
1． 热轧钢筋
根据《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB13013-91）、《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499-91）规定，热轧钢筋按屈服强度分四个等级Page: 16
强度等级代号分别为：R235、RL335、RL400、RL540。
：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。其中Ⅰ级钢筋为Q235（A、B级）热轧光圆钢筋，宜做非预应力钢筋；Ⅱ、Ⅲ级钢筋为月牙肋钢筋，由普通低合金钢轧制，宜做非预应力钢筋和预应力钢筋；Ⅳ级钢筋为等高肋钢筋，由优质合金钢轧制，宜做预应力钢筋。

2．冷拉钢筋
工程上，为提高钢筋强度、节约钢筋，常对热轧钢筋进行冷拉。根据《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-92），冷拉钢筋分四个等级：冷拉Ⅰ级、冷拉Ⅱ级、冷拉Ⅲ级、冷拉Ⅳ级。其中冷拉Ⅰ级钢筋用于非预应力受拉钢筋，冷拉Ⅱ级、冷拉Ⅲ级、冷拉Ⅳ级钢筋用于预应力钢筋