土木工程材料第二章建筑金属材料

冷拉 • 将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生
一定的塑性变形称之为冷拉。 • 钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度,屈服点可提
高20%-25%。
第2章 建筑金属材料>> 2.4 钢材的强化与加工
冷拔 将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之
不仅受拉、而且受挤压以提高强度。每次冷拔 断面缩小应为10%以下，可多次冷拔,在这个过 程中，屈服强度可提高40-60%，效果好于冷拉。
第2章 建筑金属材料>> 2.4 钢材的强化与加工
冷加工强化与时效处理的意义 观察与讨论 请观察下图钢筋的应力- -应变曲线，并讨论 冷加工强化与时效处理的意义。
钢筋冷拉时效后应力--应变图的变化
第2章 建筑金属材料>> 2.4 钢材的强化与加工
讨论
从上图可见，将钢筋冷拉至强化阶段的K点，然
后卸荷，则产生塑性变形，若立即受拉，钢筋的应力
第2章 建筑金属材料>> 2.4 钢材的强化与加工
原因分析
经研究获悉：在生产钢材时，由于片面追求速 度，铸钢时刚浇好的钢锭仅冷却至400℃～500℃就 拆模，未检查与清理即送至升温轧钢，轧制时钢板 温度还在300℃以上，就送去结构加工厂下料制作， 钢板冷却至50℃左右时，已有裂纹。即钢锭温差过 大，导致钢材表面存在大量微裂纹，经加热轧压， 裂纹不能闭合消失；由于钢锭是多边形，故所轧制 的钢板上下两面有裂纹。而加劲板为另外采购的钢 板，故未发现裂纹。
除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃 料中引入一些其他元素。钢材的成分对性能有重要 影响。这些成分可分为两类：
一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要 有Si、Mn、Ti、V、Nb等； 另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要 有氧、硫、氮、磷等。

腐蚀防护措施
表面涂层
涂覆防锈漆、镀锌、镀铬等，隔绝金属与腐 蚀介质接触。
缓蚀剂
添加到腐蚀介质中，通过物理或化学作用抑 制金属的腐蚀过程。
电化学保护
阴极保护和阳极保护，通过改变金属的电化 学状态来减缓腐蚀速率。
环境控制
控制环境湿度、温度、氧气浓度、污染物等 ，降低金属材料的腐蚀风险。
腐蚀监测与评估
利用电解原理，在金属表面镀上一层 金属或合金的过程。
03
建筑金属材料的性能与 检测
力学性能
抗拉强度
屈服强度
金属抵抗拉伸应力的能力，是评估金属材 料强度的重要指标。
金属在受到拉伸或压缩应力时开始发生屈 服变形的应力极限。
伸长率
断面收缩率
金属材料在拉伸断裂前所承受的最大变形 量，是衡量金属塑性的重要参数。
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化速度。
比热容
金属材料吸收或释放热 量时温度变化的程度， 反映了材料的热稳定性
。
化学性能
耐腐蚀性
金属材料抵抗各种腐蚀介质侵蚀的能力，是 决定材料使用寿命的重要因素。
பைடு நூலகம்
抗氧化性
金属材料在高温下抵抗氧化作用的能力，对 材料的稳定性和使用寿命有重要影响。
化学稳定性
金属材料在化学环境中保持其结构和性能稳 定的能力。
腐蚀监测技术
电化学方法、物理方法、无损检测技术等。
腐蚀评估方法
外观检查、厚度测量、硬度测试、金相分析等。
监测与评估周期
根据金属材料的使用环境和重要性，制定合理的 监测与评估周期。
05
建筑金属材料的发展趋 势与挑战
新材料与新技术
新材料
随着科技的发展，新型的建筑金属材料不断涌现，如高强度轻质材料、耐腐蚀 材料、节能材料等，这些新材料具有更高的性能和更广泛的应用前景。

奥氏体
0.8 碳在－Fe 中的固溶体 强度、硬度不高， 但塑性好
渗碳体
6.67 铁和碳的化合物Fe3C
抗拉强度低，塑性 差，性硬脆，耐磨
珠光体
0.8 铁素体和渗碳体的机械 塑性较好，强度和
混合物
硬度较高
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第2章 建筑金属材料>> 2.3 钢材的组成结构及其对性能的影响
2.3.3 钢材的成分对性能的影响
苏联某钢铁厂仓库运输廊道为钢结构，于某日倒 塌。经检查可知：杆件发生断裂的位置在应力集中处 节点附近的整块母材上，桁架腹板和弦杆的焊接接头 均未破坏；全部断口和拉断处都很新鲜,未发黑、无 锈迹。所用钢材为苏联国家标准CT·3号沸腾钢。
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第2章 建筑金属材料>> 2.3 钢材的组成结构及其对性能的影响
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第2章 建筑金属材料>> 2.3 钢材的组成结构及其对性能的影响
(2) 钢材的晶体结构与性能 请观察下图，讨论钢材的实际强度与理论强度的
关系。
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第2章 建筑金属材料>> 2.3 钢材的组成结构及其对性能的影响
(2) 钢材的晶体结构与性能
讨论
①钢材晶格中，有些平面上的原子较密集，结合 力较强。而面与面之间，则由于原子间距离较大，结 合力较弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面产 生相对滑移，故建筑钢材塑性变形较大。
针状和块状铁素体（100倍）
片状珠光体（1000倍）
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5
钢 材 的 晶 体 组 织
铁珠铁珠素光球素光体体状体体的的珠和与晶晶光珠渗编体体辑体p光碳p组组t 体体织织
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3）疲劳破坏是在低应力状态下突然发
生的，所以危害极大，往往造成灾难性 的事故。
钢材疲劳曲线示意图
4）疲劳影响因素
疲劳受内部组织和表面质量双重那个影 响。
2.2.1.4 钢材的硬度
1）定义：
硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能 力。是材料弹性、塑性、变形强化率、强度和 韧性等参数的综合指标。
布氏法
2.2.1.2 冲击韧性
4）影响冲击韧性的因素
硫、磷含量高，存在化学偏析，
含非金属夹杂物，焊接形成裂纹， 温度降低等，均会降低冲击韧性。
内部组织缺陷、冶金和轧制焊接
质量等关系大。
失效敏感性越大钢材，时效后冲
击韧性和强度降低迅速。
对于承受冲击荷载和振动荷载部
位的钢材，必须考虑冲击韧性。
冲击荷载 钢板 脆断 塑性变形
土木工程材料 第二章 建筑钢材
学习目标
通过本章的学习： （ 1）掌握钢材力学 性能的几个指标参 数：抗拉、冷弯、 冲击韧性、耐疲劳 和硬度等；
本章内容
2.1 建筑钢材基本知识 2.1.1 建筑钢材概述
2.1.2 钢的冶炼加工及其对钢
材质量的影响 2.1.3 钢的分类 2.1.4 钢材的加工 2.2 建筑钢材的主要技术性能 2.2.1 力学性能 2.2.2 工艺性能
长度与原来长度的百分比，伸长率 按试棒长度的不同分为：试棒的标 距等于5倍直径，短试棒求得的伸长 率，代号为 δ5 ；试棒的标距等于 10 倍直径，长试棒求得的伸长率，代 号为δ10。伸长率是钢材发生断裂时 所能承受的永久变形的能力。

l1 l0 1000 0 l0
δ——试件的伸长率，%； l0——拉伸前的标距长度； l1——拉断后的标距长度； l0——拉伸前的标距长度； l1——拉断后的标距长度。

土木工程概论
Wh
mh m
m
100%
Wh —材料在吸湿状态下的重量，g； mh —材料的含水率，％；
m —材料在干燥状态下的重量，g。
在一定的温度和湿度条件下，材料中所含水分与周围 空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。
土木工程概论
（2）吸水性 材料在水中(通过毛细孔隙)吸收水分的性质称为吸水性。土木工 程材料吸水性的大小一般用质量吸水率表示。质量吸水率是指材料 吸水饱和时，其内部吸收水分的质量占干材料质量的百分率。 计算公式：
m V
式中 ——材料的表观密度，kg/m3或g/cm3；
m ——材料的质量（干燥至恒重，kg或g）；
V0——材料在自然状态下的体积或表观体积（m3或cm3）。
土木工程概论
自然状态下的体积：包括材料实体体积和内部孔隙（闭口和开口 ）体积的外观几何形状的体积。
测定方法：材料在包含孔隙条件下的体积可采用排液置换法或水 中称重法测量。
土木工程概论
1.按组成物质和化学成份分类 土木工程材料按基本成分分类，分为金属材料和非金属材料 两大类，金属材料包括黑色金属（钢、铁）与有色金属，非 金属材料按其化学成分分为有机材料和无机材料。工程中常 见的材料按组成物质和化学成份分类见表。
土木工程概论
土木工程概论
2.按功能分类 土木工程材料按功能分类，可分为结构材料（承受荷载作用 的材料，如基础、柱、梁所用的材料）和功能材料（具有其 他功能的材料，如起围护作用的材料、起防水作用的材料、 起装饰作用的材料、起保温隔热作用的材料等）。
m
V
式中 ：——材料的密度（g/cm3）； m——材料的质量（干燥至恒重，g）； V——材料在绝对密实状态下的体积（cm3）。

用途：配制石灰砂浆或混合砂浆，作为砌筑材料。
二、石膏
概念：石膏的主要成分是硫酸钙。
特点：建筑石膏中含有许多自由水蒸发后留下的孔隙，故其表面密度小
、绝热性好、吸声性强，但这也使其具有强度较低、吸水率较大、抗渗性和 抗冻性差等缺点。
用途：建筑石膏除可用作室内抹灰、粉刷、水泥原料中的缓凝剂和激发
状，涂布后能够在结构物表面形成无接缝的完整防水膜的材料。 防水涂料适合于各种复杂、不规则部位的防水，可以采用冷施工 ，从而大大改善了劳动条件，施工方便、快捷。
二、 保温隔热材料 概念：保温隔热材料也称为绝热材料，主要用于建筑工程的
墙壁、屋面保温、热力管道保温、制冷工程隔热等。
建筑保温隔热材料按材质可分为：无机保温隔热材料和有机保
普通硅酸盐水泥：
由硅酸盐水泥熟料、6%～20%混合材料、适量石膏磨细而制成的水 硬性胶凝材料。其矿物组成成分和基本性能与硅酸盐水泥接近，是土 木工程中应用最广泛的水泥品种。
其它品种水泥：
有特殊需要的水泥，如道路硅酸盐水泥、中低热水泥、快硬硅酸 盐水泥、白色硅酸盐水泥与彩色硅酸盐水泥等。
四、沥青及其它胶凝材料
分类：按照生产工艺不同可分为烧结砖和非烧结砖。
烧结砖是以粘土、页岩、煤矸石、粉煤灰为主要原料，经过 焙烧而成的长方体块体。非烧结砖不需要焙烧，一般是以硅质材 料（如粉砂、粉煤灰）和钙质材料（如石灰、石膏）为主要原料 ，加入少量水泥或石灰作固结剂，再加入微量外加剂和适量水混 合搅拌压制成型，经自然养护或蒸养一定时间即成的块体材料。
2.5 木材
概念：
木材具有轻质高强、弹性和韧性好、耐冲击、导热性低、装 饰性强等优点，是土木工程的常用材料。
分类：木材加工后的材种可分为原木、原条、板方材、

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发生冷脆时的温度称为临界温度，其数
值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所
以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界
温度较工作温度为低的钢材。
随时间的延长而表现出强度提高，塑性 和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效 变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷 加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的 影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能 改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷 载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。
将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧， 使产生塑性变形，从而提高屈服强度，这 个过程称为钢材的冷加工强化。
冷加工强化的原理是：钢材在塑性变 形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重 畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作 用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降 低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材 的弹性模量Ｅ降低。
钢材产生时效的主要原因是，溶于α 一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动 和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺 陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧， 造成其滑移、变形更为困难，因而强度进 一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而 弹性模量则基本恢复。
7.4.2 钢材的热处理
按照一定的制度，将钢材加热到一定的温 度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的 速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织 和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的 内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能， 这一过程就称为钢材的热处理。
3. 耐疲劳性
在反复荷载作用下的结构构件，钢材 往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂， 这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏 的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲 劳试验中，试件在交变应力作用下，于规 定的周期基数内不发生断裂所能承受的最 大应力。

（2）石灰 石灰石的主要成分是碳酸钙，将石灰石
煅烧，碳酸钙分解成为生石灰。 碳酸钙在土木工程中的用途有：
1）制作石灰乳涂料 2）配制砂浆 3）拌制石灰土和三合土 4）生产硅酸盐制品
石膏板 石灰
第二章 土木工程材料
2.2.2 钢材
土木工程中应用量最大的金属材料是钢材，广泛应用各种结构工程中。 钢材均匀致密、抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度都很高，有一定的塑性 和很好的韧性。 建筑钢材的产品种类一般分为型材、板材、管材和金属制品四类。
木材的性质包括物理性质和力学性质，如含水量、 热胀冷缩、密度、强度。其中，抗拉、抗压、抗剪强 度又有顺纹和横纹之分。顺纹和横纹强度有很大的差 别。
影响木材强度的主要因素为含水量（一般含水量 高，强度降低），温度（温度高，强度降低），荷载 作用时间（持续荷载时间长，强度下降）及木材的缺 陷（木节、腐朽、裂纹、翘曲、病虫害等）。
如 GRC(Glass Reinforced Concrete) 网 架 屋 面 板 、 FRC(Fiber Reinforced Concrete)壁板、泡沫塑料壁板、玻璃幕墙等。 （2）功能材料
如钢化玻璃、中空玻璃、变色玻璃及泡沫聚氯酯保温板、泰柏板 等。 （3）装饰材料
第二章 土木工程材料
2.新型路桥材料
（1）水泥混凝土材料 显著发展有：1）碾压混凝土；2）混凝土嵌挤块；3）轻 混凝土；4）高强度混凝土；5）纤维增强混凝土；6）聚合物 浸渍混凝土
（2）沥青混凝土材料 改性沥青的研究方向主要有以下几方面： １）寻找更适合炼制道路沥青的油源 ２）制定更适用的道路沥青标准 ３）改性沥青的研制，主要是开发多种改性剂 ４）其他沥青外掺剂的研究，包括再生剂、抗剥离剂、抗 冻剂及沥青混合料增强纤维 ５）研制泡沫沥青

2．2 混凝土
2．2．1 水泥 1．水泥的性质 水泥是水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性 浆体，能在空气中和水中凝结硬化，可将其他材料 胶结成整体，并形成坚硬石材的材料。
水泥按其用途及性能分为三类:通用水泥、 专用水泥、特性水泥。水泥按其主要水硬性物质名 称分为：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、 氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥，以火山灰性或潜在水 硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥。 水泥为干粉状物，加适量的水并拌合后便形成 可塑性的水泥浆体，水泥浆体在常温下会逐渐变稠直 到开始失去塑性，这一现象称为水泥的初凝；随着塑 性的消失,水泥浆体开始产生强度，此时称为水泥的终 凝；水泥浆体由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结。 水泥浆体终凝后，其强度会随着时间的延长不断增长， 并形成坚硬的水泥石，这一过程称为水泥的硬化。
北京市自2002年5月1日起，所有建筑工程 （包括基础部分）禁止使用粘土实心砖。采用几种新 型非粘土的页岩煤矸石多孔砖、页岩多孔砖，可用于 多层砖混结构0以上的墙体，以逐步取代粘土多孔砖。 新型非粘土砖有：
1）页岩煤矸石和页岩实心砖 这两种非粘土烧结实心砖与原粘土实心砖外形尺寸 完全相同，240mm×115mm×53mm。全面替代粘土实心 砖，可用于多层砖混结构的基础墙、暖气沟墙、室外 挡土墙及其他室内外原使用粘土实心砖的部位。
2．水泥品种பைடு நூலகம்
用于配制普通混凝土的水泥，可采用常用的五大类水泥。 1）硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料、0～5%石灰石或粒化高炉矿渣、 适量石膏磨细制成。
2）普通硅酸盐水泥 由硅酸盐水泥熟料、6～15%混合材料、适量 石膏磨细制成。掺活性混合材料时，不得超过15%， 其中允许用5%的窑灰或10%的非活性混合材料代替。 与硅酸盐水泥相比，早期硬化速度梢慢，抗冻性与耐 磨性略差。普通硅酸盐水泥标号比较高，适用于重要 结构的高强混凝土和预应力混凝土。硬化较快，耐冻 性好。耐腐蚀性差，放热量大。硅酸盐水泥适用于一 般建筑工程，不适用于大体积、耐高温和海工结构。

钢结构
2.4 水泥
一、水泥的定义 水泥是粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌合成塑性浆体，能在
空气中和水中凝结硬化，可将其它材料胶结成整，并形成坚硬石材 的材料 。
二、水泥的分类
•按化学成分划分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等系 列。
•硅酸盐水泥按掺混合材料的种类及数量不同，又分为硅酸盐水泥 、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤 灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。
常用的建筑塑料有：
聚氯乙烯塑料（PVC）、聚乙烯（PE）、聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA）、酚醛树酯、不饱和聚脂树酯（UP）、环氧树酯（EP）等 。
三、建筑装饰材料
建筑装饰材料是指用于建筑物表面（如墙面、柱面、地面及顶 棚等）起装饰效果的材料。
建筑陶瓷 建筑玻璃
四、建筑涂料
建筑涂料是指涂敷于建筑物表面能干结成膜，具有防护、装饰、 防腐、防火或其他特殊功能的物质。
第2章 土木工程材料
2.1 概述 2.2 砖、瓦、砂、石、灰 2.3 钢材 2.4 水泥 2.5 木材 2.6 混凝土 2.7 砂浆 2.8 其他材料
二、建筑材料的分类
三、土木工程材料的产品标准
1
2
3
4
国家标准 行业标准 地方标准 企业标准
2.2 砖、瓦、砂、石、灰
一、砖
标准砖
多孔砖
空心砖
1-粗骨料；2-细骨料；3-水泥浆体
2.7 砂浆
砂浆是由胶凝材料、细骨料和水等材料按适当比例配制而成， 其在土木工程中起黏结、铺垫、传递荷载的作用。 砌筑砂浆主要用于各类砌体结构的砌筑，以水泥砂浆或水泥石灰砂 浆为主。
2.8 其他材料
一、沥青及沥青防水卷材 沥青是一种有机胶凝材料，它是由多种碳氢化合物及其非金属衍