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纵观我国历史,劳动人民在土木工程材料的生产和使用方面,曾经取得重大的成就。在金属冶炼、木材防腐和陶瓷工艺等方面,都曾居世界领先地位。我国历代许多有名的建筑物如万里长城、都江堰水利工程、明故宫和一些宏伟壮观的寺庙、楼阁、塔等都说明当时我国土木工程材料特别是天然石料、砖瓦、木材、油漆和粘结材料的生产和应用技术都达到了很高的水平。每当出现新的建筑材料时,土木工程就有飞跃式的发展。土木工程的三次飞跃发展是砖瓦的出现、钢材的大量运用、混凝土的兴起。
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任何土木工程建(构)筑物(包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧道等)都是用材料按一定的要求打造成的,土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料。材料的品种很多,一般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;而非金属材料,按其化学成分,则有无机(矿物质)与有机之别。材料也可按功能分类,一般分为结构材料(承受荷载作用的材料,如基础、柱、梁所用的材料)和功能材料(具有其它功能的材料,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)。材料还可按用途分类,如建筑结构材料;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。工程上通常还按材料的化学成分将材料分为三大类,如表。
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材料的分类
无机材料
金属材料
黑色金属(铁、钢)、有色金属(铝、铜及合金等)
非金属材料
天然石材(砂、石及各种岩石加工成的石材),烧土制品(砖、瓦、陶瓷),玻璃胶凝材料(石灰、石膏、水玻璃、水泥),混凝土、砂浆
有机材料
植物材料
沥青材料
高分子材料
木材、竹材等
石油沥青、煤沥青及其制品
塑料、涂料、胶粘剂
复合材料
钢筋混凝土、聚合物混凝土、玻璃钢、纸面或纤维石膏板
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第一节传统材料:砖、瓦、砂、石灰、木材
砖、瓦、砂、石、灰可统称为地方材料,由于其工程用量大,原料价格低,一般都在当地或附近采购。砖、瓦、砂、石、灰这些材料是最基本的建筑材料。无论是在古代,还是在现代的建筑领域中,砖、瓦、砂、石、灰处于不可替代的地位。就好比水是由氢元素和氧元素组成的,建筑都是由砖、瓦、砂、石、灰等基本的建筑材料组成的。
在古埃及,充满着智慧和勤劳的古埃及人民不可思议地创造了世界的七大奇迹之一的金字塔。金字塔由砂、石、灰等古老而基本的材料建成,完全没有含有当今科技的混凝土和钢筋。我们祖先也是充满着智慧和勤劳的,当时我们的造桥技术处于领先地位,能横跨很宽的河流而中间不用桥墩。这不仅体现了较好的结构特性,而且还表明砖、砂、石、灰等材料制作水平高和运用合理。
(一)、砖
砖是一种常用的砌筑材料。砖瓦的生产和使用在我国历史悠久,有“秦砖汉瓦”之称。制砖的原料容易取得,生产工艺比较简单,价格低、体积小便于组合,粘土砖还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点。所以至今仍然广泛地用于墙体、基础、柱等砌筑工程中。但是由于生产传统粘土砖毁田取土量大、能耗高、砖自重大,施工生产中劳动强度高、工效低,因此有逐步改革并用新型材料取代的必要。有的城市已禁止在建筑物中使用粘土砖。
砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖;按所用原材料分为粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等;按有无孔洞分为空心砖、多孔砖和实心砖。
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除粘土外,也可利用粉煤灰、煤矸石和页岩等为原料烧制砖,这是由于它们的化学成分与粘土相近,但因其颗粒细度不及粘土,故塑性差,制砖时常需掺入一定量的粘土,以增加可塑性。 利用煤矸石和粉煤灰等工业废渣烧砖,不仅可以减少环境污染,节约大片良田粘土,而且可以节省大量燃料煤。显然,这是三废利用、变废为宝的有效途径。近年来国内外都在研制非烧结砖。如非烧结粘土砖是利用不适合种田的山泥、废土、砂等,加入少量水泥或石灰作固结剂及微量外加剂和适量水混合搅拌压制成型,自然养护或蒸养一定时间即成。
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(2)瓦,一般指粘土瓦。
以粘土(包括页岩、煤矸石等粉料)为主要原料,经泥料处理、成型、干燥和焙烧而制成。中国瓦的生产比砖早。西周时期就形成了独立的制陶业,西汉时期工艺上又取得明显的进步,瓦的质量也有较大提高,因称“秦砖汉瓦”。 粘土瓦的生产工艺与粘土砖相似,但对粘土的质量要求较高,如含杂质少,塑性高,泥料均化程度高等。中瓦。 粘土瓦只能应用于较大坡度的屋面。由于材质脆、自重大、片小,施工效率低,且需要大量木材等缺点,在现代建筑屋面材料中的比例已逐渐下降。
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(三)砂
砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一,是土木工程的大宗材料。砂一般分为天然砂和人工砂两类。由自然条件作用(主要是岩石风化)而形成的,粒径在5mm以下的岩石颗粒,称为天然砂。人工砂是由岩石轧碎而成,由于成本高、片状及粉状物多,一般不用。
砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起的平均粗细程度。通常有粗砂、中砂、细砂之分。砂的颗粒级配是指砂子大小颗粒的搭配比例。骨料颗粒级配示意图
(a)单一颗粒(b)两种粒径(c)多种粒径
如图可以看出,如果是同样粗细的砂,空隙最大[图(a)],两种粒径的砂搭配起来,空隙有所减小[图(b)],三种粒径的砂搭配,空隙更小[图(c)]。由此可见,砂子的空隙率取决于砂料各级粒径的搭配程度。级配好的砂子,不仅可以节省水泥,还提高了混凝土和砂浆的密实度及强度。砂的粗细用细度模数Mx表示。细度模数越大,表示砂越粗。根据细度模数大小范围,把砂划分为粗砂、中砂、细砂、特细砂。
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砂在自然状态下往往含有一定的水分,其含水状态有四种(见上图)。
[图(a)]在105℃±5℃下烘干,达恒重时的状态。
[图(b)]也叫气干状态,指砂子含水率和周围湿度达动态
平衡时的状态
[图(c)]颗粒表面干燥,内部孔隙吸水达饱和时的状态。
[图(d)]颗粒内部吸水饱和且表面附有吸附水的状态。
显然,砂的含水状态直接影响混凝土或砂浆拌合用水及砂的用量。
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(四)石材
凡采自天然岩石,经过加工或未经加工的石材,统称为天然石材。
天然石材是最古老的土木工程材料之一。由于天然石材具有很高的抗压强度,良好的耐磨性和耐久性,经加工后表面美观富于装饰性,资源分布广蕴藏量丰富,便于就地取材,生产成本低等优点,是古今土木工程中修建城垣、桥梁、房屋、道路及水利工程的主要材料。天然石材经加工后具有良好的装饰性,是现代土木工程的主要装饰材料之一。
一、毛石
毛石也称片石,是采石场由爆破直接获得的形状不规划的石块。根据平整程度又将其分为乱毛石和平毛石两类。毛石可用于砌筑基础、堤坝、挡土墙等,乱毛石也可用作毛石混凝土的骨料。
二、料石
料石是由人工或机械开采出的较规则的六面体石块,再略经凿琢而成。根据表面加工的平整程度分为毛料石、粗料石、半细料石和细料石四种。料石一般由致密均匀的砂岩、石灰岩、花岗岩加工而成。
三、饰面石材
用于建筑物内外墙面、柱面、地面、栏杆、台阶等处装修用的石材称为饰面石材。饰面石材从岩石种类分主要有大理石和花岗岩两大类。所谓大理石是指变质或沉积的碳酸盐类岩石,所谓花岗石是指可开采为石材的各类岩浆岩。饰面石材的外形有加工成平面的板材,或者加工成曲面的各种定型件。表面经不同的工艺可加工成凹凸不平的毛面,或者经过精磨抛光成光彩照人的镜面。
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四、色石渣
色石渣也称色石子,是由天然大理石、白云石、方解石或花岗岩等石材经破碎筛选加工而成,作为骨料主要用于人造大理石、水磨石、水刷石、干粘石、斩假石等建筑物面层的装饰工程。
五、石子
在混凝土组成材料中,砂称为细骨料,石子称为粗骨料,石子除用作混凝土粗骨粒外,路桥工程、铁道工程的路基道渣等也常用。石子分碎石和卵石,由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得到的粒径大于5mm的岩石颗粒,称为碎石或碎卵石。岩石由于自然条件作用而形成的,粒径大于5mm的颗粒,称为卵石。
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