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2005建設工程技術與計量(土建) 精講班
第五講  建筑材料概述、鋼材、木材  

內容提要
建筑材料概述、鋼材、木材的介紹
重點難點
1、熟悉土木建筑工程主要材料的分類、基本性能及用途
2、建筑材料的物理、力學性質
3、鋼材、木材分類、基本性能及用途
內容講解
第二章  工程材料
大綱要求： 
    1．熟悉土木建筑工程主要材料的分類及特性；
    2．熟悉混凝土強度等級及配合比計算；
    3．了解主要裝飾材料的基本知識。
   
   本章在2003年考試中約占15題，共19分；2004年占16題，共21分。
2005年的考核重點有： .
   (1)土木建筑工程材料的分類、物理狀態參數。
   (2)鋼材的力學性能與工藝性能。
   (3)木材的特性與分類、木材的物理力學性質。
   (4)防水涂料。
   (5)影響混凝土強度的因素。
2004年考分分布大致如下：

（三）、材料的力學性質
1、強度與比強度
（1）．強度。強度是指在外力(荷載)作用下材料抵抗破壞的能力。
   材料抵抗外力破壞的強度分為抗壓、抗拉、抗剪、抗彎、抗扭。又稱靜力強度.
2），比強度。比強度是按單位質量計算的材料的強度，其值等于材料強度對其表觀密度的比值，是衡量材料輕質高強性能的重要指標。如普通混凝土C30的比強度(0．0125)低于Ⅱ級鋼的比強度(o．043)，說明這兩種材料相比混凝土顯出質量大而強度低的弱點，應向輕質高強方向改進配制技術。
   例題、（    ）是衡量材料輕質高強性能的重要指標比強度。
A、強度B、抗拉強度C、比強度D、彈性
答案：C

 2、彈性與塑性
    （1）彈性是指外力作用下材料產生變形，外力取消后變形消失，材料能完全恢復原來形狀的性質，這種變形屬可逆變形，稱為彈性變形，變形數值的大小與外力成正比。在彈性范圍內符合虎克定律。材料的彈性模量E是衡量材料在彈性范圍內抵抗變形能力的指標。
    （2）．塑性。塑性是指外力作用下材料產生變形，外力取消后仍保持變形后的形狀和尺寸，但不產生裂隙的性質，這種變形稱為塑性變形。
    實際工程中多數材料受力后變形是介于彈塑性變形之間的。當受力不大時，主要產生彈性變形，受力超過一定限度，才產生明顯的塑性變形。如混凝土，既具有彈性變形，又具有塑性變形。
3、材料的脆性和韌性，了解。 .

第二節      鋼材，木材，水泥
一、鋼材
    將生鐵(含碳量高于2．06％)在煉鋼爐中冶煉，將含碳量降低到指定范圍，并控制其它雜質含量后得到鋼。
    (一)鋼材分類
   1、按化學成分分類有碳素鋼；合金鋼：
碳素鋼；分為低碳鋼(C；<0．25％)；中碳鋼(C：0．25％～0．60％)；高碳鋼(C：>0．60％)。 
合金鋼：含有某些用來改善鋼材性能的合金元素，如Si、Mn、Ti、V等。合金元素總含量小于5％為低合金鋼；5％～10％為中合金鋼；大于10％為高合金鋼。
2、按用途分類：分為結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)。
3、按脫氧程度分類：脫氧充分者為鎮靜鋼及特殊鎮靜鋼(代號Z及TZ)，脫氧不充分者為沸騰鋼(F)，介于二者之間為半鎮靜鋼(b)。
建筑鋼材多為 普通碳素鋼結構鋼的低碳鋼與低合金鋼結構鋼。
(二)鋼材的力學性能與工藝性能
1．抗拉性能。抗拉性能是建筑鋼材最重要的性能。表征抗拉性能的技術指標有：屈服點、抗拉強度及伸長率。
(1)    屈服點。設計時，一般以屈服強度或壓服點作為強度取值的依據。  
(2)抗拉強度。在設計中，一定范圍內，屈強比小則表明鋼材在超過屈服點工作時可靠性較高，較為安全。太小了則反映鋼材不能有效的被利用。
(3)伸長率。表征了鋼材的塑性變形能力。越大越好。
2．冷彎性能。冷彎性能指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，它表征在惡劣變形條件下鋼材的塑性，試件按規定條件彎曲，若彎曲處的外表面無裂斷、裂縫或起層，即認為冷彎性能合格。能揭示內應力，雜質等缺陷，可用于焊接質量的檢驗，能揭示焊件在受彎表面裂紋，雜質等缺陷。
3．沖擊韌性。沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊載荷的能力。對直接承受動荷載而且可能在負溫下工作的重要結構，必須進行沖擊韌性檢驗。

2004考題．影響鋼材沖擊韌性的重要因素有(    )。
   A．鋼材化學成分    B．所承受荷載的大小
   C．鋼材內在缺陷    D．環境溫度
   E．鋼材組織狀態

4．硬度。硬度指表面層局部體積抵抗壓入產生塑性變形的能力。表征值常用布氏硬度值HB表示。
5．耐疲勞性。在反復荷載作用下，鋼材在遠低于抗拉強度時突然發生斷裂，稱為疲勞破。疲勞破壞的危險應力用疲勞極限表示，其含義是：試件在交變應力下工作，在規定的周期基數內不發生斷裂的最大應力。
6．焊接性能。可焊性主要指焊接后在焊縫處的性質與母材性質的一致程度。   

例題：[   ] 性能表征在惡劣變形條件下鋼材的塑性，能揭示內應力，雜質等缺陷。
A焊接性能
B耐疲勞性
C伸長率
D冷彎性能
答案：D

 (三)、鋼材的化學成分
1．碳(C)；當含碳量小于o．8％時，C含量增加將使抗拉強度及硬度提高，但塑性與韌性將降低，焊接性能、耐腐蝕性能也下降。
 2．硅(Si)：當小于等于1％時，Si含量的增加可顯著提高強度及硬度，而對塑性及韌性無顯著影響。
 3．錳(Mn)：在一定限度內，隨Mn含量的增加可顯著提高強度并可消減因氧與硫引起的熱脆性。改善熱加工性能。
 4．硫(S)：為有害元素，有強烈的偏析作用，使機械性能、焊接性能下降（引起熱裂紋）。
 5．磷(P)；為有害元素，含量的增加可提高強度，塑性及韌性顯著下降。
有強烈的偏析作用，引起冷脆性，焊接性下降。但可提高耐磨性及耐腐蝕性。

例題、鋼材的化學成分中：在一定限度內，隨（   ）含量的增加可顯著提高強度并可消減因氧與硫引起的熱脆性，改善熱加工性能。
A、S    B、 Si   C、Mn    D、P
答案:C

（四）、土木建筑常用鋼材   
 1、碳素結構鋼
碳素結構鋼指一般的結構鋼，碳素結構鋼的牌號包括四個部分，依順序為：屈服點字母(Q)
屈服點數值(單位為MPa)
質量等級(分為A、B、C、D四級，逐級提高)
脫氧方法符號(F為沸騰鋼，B為半鎮靜鋼，Z為鎮靜鋼，TZ為特殊鎮靜鋼。但表示中如遇Z、TZ可省略)。

  [例]1，Q235―A．F，表示屈服點為235MPa，A級沸騰鋼。
 [例]2，Q235-B，表示屈服點為235MPa，B級鎮靜鋼。  
  
  碳素結構鋼依據屈服點Q數值的大小被劃分為五個牌號，Q195，Q215，Q235，Q255，Q275，依牌號升序，含碳量及抗拉強度增大，但冷彎性及伸長率呈下降趨勢。
建筑工程中主要應用的碳素鋼是Q235號鋼，可軋制各種型鋼、鋼板、鋼管與鋼筋。Q235號鋼廣泛用于一般鋼結構。其中C、D級可用在重要的焊接結構。
Q195、Q215號鋼材強度較低，但塑性、韌性較好，易于冷加工，可制作鉚釘、鋼筋。
Q255、Q275號鋼材強度高，但塑性、韌性、可焊性差，可用于鋼筋混凝土配筋及鋼結構中的構件及螺栓等。
選用鋼材時，還要根據工程結構的荷載類型(動荷載或靜荷載)、連接方式(焊接或鉚接)及環境溫度等，綜合考慮鋼材的牌號、質量等級、脫氧方法加以選擇。如受動荷載、焊接結構、在低溫情況下工作的結構，不能選用A、B質量等級鋼材及沸騰鋼。
2、低合金高強度結構鋼
低合金高強度結構鋼是在碳素結構鋼的基礎上，少量添加若干合金元素而成。提高強度、韌性、耐磨性及耐腐蝕性。

2004考題．普通低合金結構鋼比普通碳素鋼的(  B  )。 
   A．強度低       B．強度高
   C．抗沖擊性差    D.工難度大

3、型鋼、鋼板：
  熱軋鋼板按板厚分兩種：
  (1)中厚板，厚度大于4mm；
  (2)薄板，厚度為0．35-4mm。
  冷軋鋼板只有薄板一種，厚度為0．2-4mm。
4、鋼筋
（1）、熱軋鋼筋
I級鋼筋（表面光圓，）的強度較低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，廣泛用作普通混凝土中非預應力鋼筋，Ⅱ級與Ⅲ級鋼筋的強度較高，塑性及焊接性也較好，廣泛用作  大、中型鋼筋混凝土結構的受力鋼筋。
 (2)冷加工鋼筋。在常溫下對鋼筋進行機械加工(冷拉、冷拔、冷軋)，使其產生塑性變形，從而達到提高強度(屈服點)、節約鋼材的目的，這種方法稱為冷加工。經冷加工后，雖鋼筋的強度有所提高，但其塑性、韌性有所下降。
 (3)熱處理鋼筋。熱處理鋼筋是以熱軋的螺紋鋼筋經淬火和回火調質處理而成，即以熱處理狀態交貨，成盤供應，每盤長約200m。預應力混凝土用熱處理鋼筋強度高，可代替高強鋼絲使用，配筋根數少，預應力值穩定，主要用作預應力鋼筋混凝土軌枕，也可用于預應力混凝土板、吊車梁等構件。
 (4)碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線。預應力混凝土需使用專門的鋼絲，這些鋼絲用優質碳素結構鋼經冷拔、熱處理、冷軋等工藝過程制得，具有很高的強度，安全可靠且便于施工。預應力混凝土用鋼絲分為碳素鋼絲(矯直回火鋼絲，代號J)、冷拉鋼絲(代號L)及矯直回火刻痕鋼絲(代號JK)三種。
碳素鋼絲(矯直回火鋼絲)。由含碳量不低于0．8％的優質碳素結構鋼盤條，經冷拔及回火制成。碳素鋼絲具有很好的力學性能，是生產刻痕鋼絲和鋼絞線的母材。
刻痕鋼絲。將碳素鋼絲表面沿長度方向壓出橢圓形刻痕，即為刻痕鋼絲。壓痕后，成盤的刻痕鋼絲需作低溫回火處理后交貨。
鋼絞線。鋼絞線是將碳素鋼絲若干根，經絞捻及熱處理后制成。鋼絞線強度高、柔性好，特別適用于曲線配筋的預應力混凝土結構、大跨度或重荷載的屋架等。
鋼絲和鋼絞線主要用于大跨度、大負荷的橋梁、電桿、枕軌、屋架、大跨度吊車梁等，安全可靠，節約鋼材，且不需冷拉、焊接接頭等加工，因此在土木建筑工程中得到廣泛應用。

 例題、Q235―A．F，表示（     ）， 
     A、鎮靜鋼   B、A級  C、屈服點為235Mpa    D、F級、
答案：B  C、

(五)焊接材料
1．焊條
焊條材質分為碳素結構鋼及低合金結構鋼兩種。根據藥皮的不同，大體分為酸性型及堿性低氫型兩種。焊條的選用要依據構件材質、化學成分及工藝要求來確定。
結構鋼電焊條用量最大，主要用來焊接碳素鋼、普通低合金鋼及鑄鋼。
鑄鐵電焊條適用于焊接各種鑄鐵施焊物，如一般灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵及球墨鑄鐵等。
2．焊劑
為使焊頭具有較好的機械性能，在進行焊接時多應選擇適當的焊劑。焊劑的選擇以適應施焊材料及施焊結構為依據。如一般的低碳鋼結構可選用高錳高硅型焊劑，并配以H08A和H08MnA焊絲。對于Q345、Q390等低合金鋼，則可選用高錳型或低錳型焊劑。在使用焊劑時要注意：在使用前，焊劑一般要在250~C下烘烤1-2h。

 (六)鋼材的防銹與防火
1．鋼材的防銹
混凝土配筋的防銹措施應考慮：限制水灰比和水泥用量，限制氯鹽外加劑的使用，采取措施保證混凝土的密實性，還可以采用摻加防銹劑(加重鉻酸鹽等)的方法。
2．鋼材的防火
裸露的、未作表面防火處理的鋼結構，耐火極限僅15min左右。防火處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型鋼結構防火涂料及LG鋼結構防火隔熱涂料等。

二、木材
 (一)木材的特性與分類
1．木材的特性
 (1)比強度大，具有輕質高強的特點；
 (2) 彈性韌性好，能承受沖擊和振動作用
 (3)；導熱性低，具有較好的隔熱、保溫性能
 (4)；在適當的保養條件下，有較好的耐久性
木材在使用時必然會受到木材自然屬性的限制，主要有以下幾個方面：
(1)    構造不均勻，呈各向異性；
2)濕脹干縮大，處理不當易翹曲和開裂；
    (3)天然缺陷較多，降低了材質和利用率；
    (4)耐火性差，易著火燃燒；易腐朽、蟲蛀
    2．木材的分類
    土木建筑工程用木材，通常以三種材型供貨，即：
    原木：伐倒后經修枝并截成一定長度的木材。
    板材：寬度為厚度的三倍或三倍以上的型材。
    枋材：寬度不及厚度三倍的型材。
    板材及枋材，統稱鋸材。鋸材按國家標準分為特種鋸材和普通鋸材兩個級別。普通鋸材根據其缺陷又分為一等、二等和三等三個等級。
    對于承重結構用木材，按受力要求分成三級，即I、Ⅱ、Ⅲ級。  I級材用于受拉或受彎構件；Ⅱ級材用于受彎或受壓彎的構件；Ⅲ級材用于受壓構件及次要受彎構件。

例題、對于承重結構用木材，（   ）級材用于受壓構件及次要受彎構件。
A、I   B、Ⅱ  C、Ⅲ   D、IV
答案：C

    (二)木材的物理力學性質
1．木材的物理學性質
 (1)含水率。木材內部所含的水根據其存在形式可分為三種，即自由水(存在于細胞腔與細胞間隙中)、吸附水(存在于細胞壁內)和化合水(木材化學組成中的結合水)。
水分進入木材后，首先吸附在細胞壁內的細纖維間，成為吸附水，吸附水飽和后，其余的水成為自由水。木材干燥時，首先失去自由水，然后才失去吸附水。當木材細胞腔和細胞間隙中的自由水完全脫去為零，而細胞壁吸附水飽和時，木材的含水率稱為“木材的纖維飽和點”。纖維飽和點隨樹種而異。纖維飽和點是木材物理力學性質發生改變的轉折點，是木材含水率是否影響其強度和干縮濕脹的臨界值。
木材具有較強的“吸濕性”。當木材的含水率與周圍空氣相對濕度達到平衡時，此含水率稱為平衡含水率。周圍空氣的相對濕度為100％時，木材的平衡含水率便等于其纖維飽和點。
    (2)濕脹干縮。防止脹縮最常用的方法是對木料預先進行干燥，達到估計的平衡含水率時再加工使用。
    2．木材的力學性質
    木材的組織結構決定了它的許多性質為各向異性，在力學性質上尤其突出。以強度為例，木材不僅有抗拉、抗壓、抗彎和抗剪四種強度，而且均具有明顯的方向性。
抗拉強度――順紋方向最大，橫紋方向最小。
抗壓強度――順紋方向大，橫紋方向小。
抗剪強度――橫紋方向大，順紋方向小。
抗彎強度――很大。因中性軸以上為順紋抗壓，以下為順紋抗拉，都是很強的，所以抗彎很好。

 (三)木材的防護
主要包括干燥、防腐、防火。
（四）、木材的加工利用
 (一)膠合板
1．制作：將木材軟化處理后切成薄板，表面刷膠后按紋理相互垂直方向疊放，加壓熱合而成的板材。以層數取名，如三合板。
2．特點：①解決了各項異性的缺點；②可用小直徑原木制成寬幅板。    3．適用范圍：室內、外工程。
 (二)纖維板
1．制作：以植物纖維為原料，經破碎、浸泡、研磨、加壓成型、干燥處理而成。
2．特點：各項同性，不易脹縮、翹曲及開裂，并有良好的保溫、吸聲、絕緣效果。
3．適用范圍：室內墻面、天花板、地板。