第二章 建筑材料
知识点一、建筑材料的发展趋势
高性能建筑材料(轻质、高强、高耐久性、优异装饰性和多功能)和绿色建筑材料成为其发展方向。

知识点二、水泥
(一)水泥的种类
硅酸盐水泥是一种最基本的水泥。
1.硅酸盐水泥,国外通称为波特兰水泥。
2.普通硅酸盐水泥,该水泥不是硅酸盐水泥,是另一种水泥。
3.矿渣硅酸盐水泥=硅酸盐水泥+高炉矿渣。
4.火山灰硅酸盐水泥=硅酸盐水泥+火山灰
5.粉煤灰硅酸盐水泥=硅酸盐水泥+粉煤灰
6.复合硅酸盐水泥。由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,简称复合水泥。
(二)水泥的性质
1.水泥硬化,在潮湿条件下或在水中进行,水硬性材料。
2.水泥硬化过程可产生大量水化热。
3.水泥凝结硬化速度与水泥颗粒细度、温度及用水量有关,颗粒越细硬化越快,温度越高,硬化越快。但是,加入的水只有在适量的情况下,才能保持较快的硬化速度。
4.普通水泥硬化过程中,在空气中体积收缩,在水中体积略有增大。
5.水泥凝固过程可分为初凝和终凝。
水泥凝结时间在施工中有重要意义,初凝时间不宜过短,终凝时间不宜过长。硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min,终凝时间不得迟于390min;普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min,终凝时间不得迟于600min.凡初凝时间不符合规定的水泥为废品,终凝时间不符合规定的水泥为不合格品。
6.水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀程度。
均匀=安定性合格。
不均匀变化会引起水泥产生膨胀性裂纹或翘曲变形,降低建筑物质量。这种体积的不均匀变化称为安定性不良。
(三)水泥的强度等级及应用范围
1.水泥的强度等级。
水泥的强度是指水泥胶砂的强度,而不是水泥净浆的强度。将水泥、标准砂和水按l:2.5:0.5的比例,制成40mm×40mm×160mm的标准试件,在标准养护条件下[1天内为(20±1)℃、相对湿度为90%以上的空气中,l天后为(20±1)℃的水中]养护至规定的龄期,分别按规定的方法测定其3天和28天的抗压强度和抗折强度。根据规定龄期的抗压强度和抗折强度划分硅酸盐水泥强度等级,并按照3天强度的大小分为普遍型和早强型(用R表示)。水泥的强度等级在过去习惯被称为水泥标号:32.5、32.5R(R表示早强型)2.不同水泥品种的特点及适用范围。*注意阅读,选择水泥
水泥品种 | 特 性 | 适用范围 | ||
优 点 | 缺 点 | 适用于 | 不适用于 | |
硅酸盐水泥 | (1)凝结硬化快 (2)抗冻性好 (3)早期、后期强度高 (4)水化热大 (5)抗碳化性好 (6)耐磨性好 | 耐海水侵蚀和耐化学腐蚀性能差 | (1)重要结构的高强度混凝土和预应力混凝土 (2)冬季施工及严寒地区遭受反复冰冻工程 (3)要求混凝土耐磨或抗渗的工程 | (1)经常受压力水作用的工程 (2)受海水、矿物水作用的工程 (3)大体积混凝土工程 |
普通硅酸盐水泥 | (1)早期、后期强度高 (2)水化热大 (3)抗冻性好 (4)抗碳化性好 (5)耐磨性好 | (1)耐热性差 (2)耐腐蚀与抗渗性较差 | (1)一般土建工程及受冰冻作用的工程 (2)早期强度要求高的工程 (3)要求混凝土耐磨或抗渗的工程 | (1)大体积混凝土工程 (2)受化学及海水侵蚀的工程 (3)受水压作用的工程 |
矿渣硅酸盐水泥 | (1)抗侵蚀、耐水性好 (2)耐热性好 (3)水化热低 (4)蒸汽养护强度发展较快 (5)后期强度较大 | (1)早期强度低,凝结慢 (2)抗冻性较差 (3)干缩性大,有泌水现象 | (1)地下、水下(含海水)工程及受高压 水作用的工程 (2)大体积混凝土工程 (3)蒸汽养护工程 (4)有抗侵蚀、耐高温要求的工程 | (1)早期强度要求高的工程 (2)严寒地区处在水位升降范围内的工程 |
火山灰硅酸盐水泥 | (1)抗侵蚀能力强 (2)抗渗性好 (3)水化热低 (4)后期强度较大 | (1)耐热性较差 (2)抗冻性差 (3)吸水性强 (4)干缩性较大 | (1)地下、地下及水中的大体积混凝土工程 (2)蒸汽养护的混凝土构件 (3)有抗侵蚀要求的一般工程 (4)大体积混凝土 | (1)早期强度要求高的工程 (2)受冻工程 (3)干燥环境中的工程 (4)有耐磨性要求的工程 |
粉煤灰硅酸盐水泥 | (1)抗渗性较好 (2)干缩性小 (3)水化热低 (4)抗侵蚀能力较强 | 抗碳化能力差 | (1)地下、地下及水中的大体积混凝土工程 (2)蒸汽养护的混凝土构件 (3)有抗侵蚀要求的一般工程 (4)大体积混凝土 | (1)有碳化要求的工程 (2)其他同火山灰硅酸盐水泥 |
复合硅酸盐水泥 | (1)后期强度增长较快 (2)水化热较低 (3)耐蚀性较好 | (1)凝结硬化慢 (2)早期强度低 (3)抗冻性差 (4)抗碳化性差 (5)耐磨性差 | (1)在高湿环境中或长期处于水中的混凝土工程 (2)厚大体积的混凝土工程 (3)受侵蚀介质作用的混凝土工程 | (1)要求快硬早强的混凝土工程 (2)严寒地区处在水位升降范围内的混凝土工程 (3)有抗碳化要求的混凝土工程 (4)干燥气候条件下的混凝土工程 |
知识点三、木材
木材主要用于门窗、地板及室内装修、装饰方面。木材最大的特点在于其自然性,美观,富于装饰性。但由于受天然生长中产生的木节、斜纹、质地不均匀等因素限制,力学性能变化较大。木材易燃,故防火性能差。
(一)木材的分类
木材按树种分类,可分为两大类:针叶树材(建筑工程中的主要用材)和阔叶树材(多用于装饰工程)。
按建筑型材分类:分为原木、板材、枋材。
(二)木材的物理力学性质
1.木材的物理性质。
(1)含水率。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湿胀干缩的临界点。
木材中的含水量最后会达到与周围环境湿度相平衡,这时木材的含水率称为平衡含水率。——控制平衡含水率,保持木材质量。
(2)湿胀干缩。纤维饱和点是木材发生湿胀干缩变形的转折点。
避免不利影响的最根本措施是在木材加工制作前将其进行干燥处理,使其含水率与使用环境的湿度相适应。
2.木材的力学性质。木材的组织结构决定了木材的抗拉、抗压、抗弯和抗剪四种强度均具有明显的方向性。木材的顺纹强度比其横纹强度要大得多,所以在工程上均充分利用其顺纹强度。
影响木材强度的因素,除自身的组织结构外,还与下列因素有关。
(1)含水率。当木材含水率在纤维饱和点以下时,其强度随含水率增加而降低。
(2)负荷时间。木材的持久强度(长期荷载作用下不致引起破坏的最大强度)一般为短期极限强度的50%~60%。
(3)温度。木材长期处于40~60℃的温度环境中,会引起缓慢碳化使强度降低。当温度超过l00℃,木材即分解变质,导致强度急剧下降。
(4)缺陷(疵病)。木材的缺陷,如腐朽、木节(死节、活节)、斜纹、裂缝与虫眼等都会导致木材强度的降低。
(三)木材在建筑工程中的应用
1.在建筑结构中的应用。主要用于屋架、梁柱、檩椽、门窗及施工中的临时支护结构及模板等。
2.在建筑装饰装修中的应用。木材被广泛应用于民用建筑的装饰装修中,如地板、护墙板、木花格、木制装饰等。天然美丽的木纹理及作为自然生态的产品,在一定程度上决定了木材在室内装饰装修中的不可替代性。
知识点四、建筑钢材(本部分重点,在所有建筑工程相关考试中均如此)建筑钢材主要有型钢、钢板、钢管和各种钢筋、钢丝、钢绞线等。钢材的优点是材质均匀、性能可靠、强度高而结构自重轻:具有良好的塑性和韧性:能承受较大的冲击荷载和振动荷载:既可以采用焊缝连接,又可以采用螺栓和铆钉连接:便于装配,易于拆卸。适用于重型工业厂房、大跨度结构、可装配移动的结构以及高耸结构和高层建筑。钢材的缺点是易锈蚀,需经常进行维护,维护费高,且耐火性差。在钢筋混凝土中,钢材能弥补混凝土抗拉、抗弯、抗剪和抗裂性能低的缺点。
(一)钢材的分类
1.按化学成分分类。按所含化学成分不同,钢材可分为碳素钢和合金钢。
钢的含碳量越高,钢材的硬度、强度越高,但其塑性、韧性越差。
硫(S)、磷(P)是钢材中的有害物质,硫的含量越高,会提高钢材热脆性:磷的含量越高,会提高钢材的低温冷脆性。
加入少量合金元素后,钢材的强度会提高,具有弹性、韧性和良好的可焊性。
低合金钢:合金元素总含量小于5%的合金钢。
中合金钢:合金元素总含量为5%一l0%的合金钢。
高合金钢:合金元素总含量大于l0%的合金钢。
2.按用途分类。根据用途不同,钢材可分为:结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢、耐酸钢、耐热钢等)。建筑工程常用的钢材多为普通碳素钢中的结构钢和低合金钢,轧材占绝大部分。
(二)钢材的技术性能
钢材的主要技术性能包括抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度、冷弯性能、时效反应、焊接性能等。
1.抗拉性能。抗拉性能是建筑钢材最重要和最常用的性能。通过拉伸试验可以测出弹性极限(或比例极限)、屈服强度、抗拉强度及伸长率等技术指标。
*教材中的实验过程比较复杂,不必投入过多精力去理解。实际上很多理工科毕业生和工程师也不能很好的理解这些问题。
屈服强度是钢材的重要指标,是钢材弹性变形转变为塑性变形的转折点。如果钢材在超过屈服强度下工作,将会引起塑性变形。钢材在正常使用情况下,不允许超过屈服点。
抗拉强度较屈服强度更高,在结构设计上虽然不能应用,超过抗拉强度钢材会被拉断,但是屈服强度与抗拉强度的比值,即屈强比fy/fu却有一定的意义。在一定范围内,屈强比小,则表明钢材在超过屈服点工作时结构的可靠性较高,较为安全。
颈缩阶段是钢材从拉伸到破坏的最后阶段。
2.冲击韧性。冲击韧性是指在抗冲击荷载作用下,钢材抵抗破坏的能力。
3.疲劳强度。钢材在交变荷载的作用下,在远低于抗拉强度时突然发生断裂破坏,称为疲劳破坏。一般把钢材承受规定次数交变荷载发生破坏所能承受的最大应力称为疲劳强度。
4.硬度。硬度是指材料抵抗其他较硬物体压入的能力,也可以说是材料表面抵抗变形的能力。
5.冷弯性能。冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。承受弯曲变形程度越大,说明钢材冷弯性能越好。
6.钢材的冷加工强化与时效反应。将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧,使之产生一定的塑性变形,强度明显提高,塑性和韧性有所降低,这个过程称为钢材的冷加工强化。
对钢筋冷拉或冷拔加工——提高钢材强度和节约钢材的目的。
将经过冷拉的钢筋,常温下存放15~20天,或加热到100~200℃并保持2~3小时后,则钢筋强度将进一步提高,这个过程称为时效处理,前者称为自然时效,后者称为人工时效。通常对强度较低的钢筋可采用自然时效,强度较高的钢筋则需采用人工时效。
7.焊接性能。焊接后的力学性能,特别是强度不得低于原材料。
钢材的可焊性主要受化学成分及其含量的影响,含碳量高将增加焊接的硬脆性,含碳量低于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性,加入合金元素如硅、锰、钒、钛等,也将增大焊接的硬脆性,降低可焊性。尤其是硫能使焊接产生热裂纹和热脆性。
(三)建筑常用钢材
建筑工程用钢有钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢两类,前者主要应用型钢和钢板,后者主要采用钢筋和钢丝,二者所用的原料钢钢种多为碳素钢和低合金钢。
1.钢筋混凝土、预应力混凝土用钢。
(1)钢筋。钢筋混凝土中常用的钢筋为热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋等,一般按外形可分为光面筋及变形钢筋(螺纹筋、月牙纹筋等)。
钢筋混凝土用钢筋要有足够的强度,还要有一定的塑性,使钢筋在断裂前有足够的变形。可焊性以及与混凝土要有足够的握裹力也是钢筋混凝土用钢筋的非常重要的要求。
钢筋按强度一般分为HPB235、HRB335、HRB400、RRB400等不同型号,屈服及抗拉强度逐级增加,塑性逐级降低。
(2)钢丝及钢绞线。大型预应力混凝土构件,由于受力很大,常采用高强度钢丝或钢绞线作为主要受力钢筋。
主要用于大跨度屋架及薄腹梁、大跨度吊车梁、桥梁、电杆、轨枕等的预应力钢筋。
2.钢结构用钢。钢材中的型钢、钢板与钢管都是钢结构中常用的钢材品种。
(1)型钢。角钢、工字钢、槽钢、H型钢和T型钢等。
(2)钢板。钢板有厚钢材、薄钢板和扁钢(带钢)三种规格。
(3)钢管。根据制作方法不同,钢管分为无缝钢管和焊接钢管。无缝钢管是由优质碳素钢或合金钢制作,有热轧和冷拔两种。主要用于地质钻探及输送各种液体、气体的工业管道等。焊接钢管按表面处理的不同,分为镀锌钢管和不镀锌钢管两种。一般用作输水管、煤气管、暖气管及结构零件等。
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