绪 论 0,1士木工程材料分类 土木工程材料(civil engineering material)是指土木工程中使用的各种材料和制品， 它是土木工程的物质基础，土木工程材料的品种繁多，作用和功能各异。为方便应用，常 按不同原则分类(n阳f6 ation),按材料来原，可分为天然材料和人造材料：按使用功能， 可分为结构材料和功能材料：按组成材料的物质和化学成分，可分为无机材料，有机材料 和复合材料三大类，每大类又有更细的类别，如表0,1所示。 表0,1常周土木工程材料的分类 是 别 章节 金端 黑色金满 明.铁，不锈别等 第2章 材料 有色金属 铜，胡及其合金 无 气硬性胶凝材料 石灰，石青，菱若土，水或璃 第3章 机 等 水硬性胶板材料 各种水泥 第4章 材 有 属材料 无机人造石材 显凝土，秒累，硅酸盐建筑副品等 第5章，第6章 天然石制 花州岩，石灰岩，影着大理岩等 第7章 烧上及地胜射品 绕结诗，镜结瓦，购党，玻璃等 植物材料 末材，竹树 机材料 西青 西青及西青制品 第8章，第身章 合或高分子材料 细料撞胶，涂料，胶粘列 第10章 金属一无机非金属材料 明纤游增强湿凝士 复合材料 无机非金属一有机材料 装璃解，星合物水视 有机材料一金属 仔质金属夹艺板
0,2土木工程材料的作用和发展 土木工程材料作为土木工程的物质基础，对土木工程的发展起着关健作用。土木工 程新材料的出现住柱带来工程技术的变革，甚至出观大的飞氏 人类最早是穴居果处，进人石器时代后，才开始利用土，石，木等天然材料从事营造活 动，挖土雷石为洞，使木搭竹为棚。随着社会生产力的发展，人类进面利用天然材料进行 简单加工，砖，瓦等人造土木工程材料相继出现，使人类第一次冲皱天然材料的束博，开始 大量修建房屋和防海工程等，从面使土木工型出观第一次飞氏。17世纪0年代在土木 工程中开始使用生铁，19世纪初开始使用熟铁建造桥景和房星，出现了削结构的维形， 从19世纪中叶开始，出现了延性好，抗压和抗拉强度高，质量均匀的建筑钢材，使钢结构 得到迅速发展，结构物的跨度从砖石结构和木结构的几十米发展到百米，几百米，直列观 代的千米以上，随着设计理论和施工技术的进一步完善，土木工程又产生了一次飞跃，19 世纪20年代，被特兰水视发明不久，出现了混服士材料，并很快与钢脑复合制成解脑混疑 土结构：0世纪30年代，又出现了预应力混凝土材料，使土术工程又出现了新的，经济 的，美观的工程结构形式，其结构设计理论和施工技术也得到了蓬物发展，这是土木工程 的又一次飞跃发展，纵我历史，土木工程三次飞氏都与新的优良的材料出现和应用有关。 土术工程材料的发展与土木工程技术的进步密切相关，它门相互制约，相互依赖和相 互雅动，新型土木工程材料的诞生推动土木工程设计理论和施工技术的变化，而新的设 计理论和疏工载术又对土木工程材料提出了更高的要求，常常会促进新材料的诞生和 发展 0,3土木工程材料的选择和标准 材料信息参数是构成构件和结构性能的基罐，在一定程度上“材料一构件一结构”组 成了宏观上的“本构关系”。因此，作为一名土木工程技术人员，无论是从事设什，施工或 管理工作均必须掌程土木工程材料的基本性能，并做到合理选材，正确使用和维护保养。 土木工程材料的选择和使用，应该根据工程的特点和使用环境，遵屑有关的技术标准 进行，在我国，这些技术标准应作为材料生产，设计，植工，管理和研究等部门共同遵循的 依器。绝大多数常用的土木工程材料，均由专门的机构制定并发布相应的技术标准，对其 质量，规格，检验方法和验收规则均作了详尽面明确的规定，目前，我国的技术标准分为 国家标准，行业标漫，地方标准和企业标准四极，国家标准是由国家有关的主管部门发布 的全园性的指导性技术文件，其代号为GB。行业标准也是全国性的指导性技术文件，但 它由各主管生产部（局）或行业协会发布，其代号按部门或行业协会名而定，如建精行业标 准的代号为JC,建设部行业标准的代号为JG可，中国工程建设标准化协会标准代号为 CECS。地方标准是地方主管部门发布的地方性的指导性技术文件，其代号为DB。企业 标准期仅适用于本企业，其代号为QB。几没有国家标准，行业标准和地方标准的产品， 2 工程材料
均应剂定企业标准，国家标准，行业标准和地方标准按属要求执行的程度分为强解标准 和推荐标准（以/T表示）。当莎及国际同的土木工程项目时，有时还需要避质国际标准或 国外标准选择使用材料，表0,2给出了一些国际和网外标准编号。土木工程材料不仅要 求必须符合产品标准，而且更重要的是要莲属有关设计，饰工和应用的规蓖，规程选择相 使用。由于现行的规范，规程是以往工程实我经验的总结，在从事土木工程活动时，应熟 器有关的技术标准，这就要求拿提土木工程材料的基础理论减基本规律，特别是土木工 程材料的性质和影响材料性质的因素，才能根翻工程特点，正确选样和合理使用材料。 表线1国际和国外标准编号 英文增写 英文名程 中文名称 ASTM American Society for Testing Materiala 美国材料与试验学会标准 150 Intemationl Standard Orgeniration 因际标准化明织的标准 S Japanese Industrial Srandird 日本工业标准 BS Brirish Standard 英国（工业）标准 DIN Deutsch Industrial Norman 德国工业品标准 标准的表示方法如下：标准代号十标准发有根序号十发布年代十名称。例如： “GB175一2001硅酸盐水泥，普通硅酸盐水视”表示：中国国家标准GB,标准发布号为 175,发布年份是2001年，名称是硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥。 0,4学习士木工程材料的目的和探究式学习方法 本课程作为土木工程类的专业基础课，在学习中应结合现行的技术标准，以士术工程 材料的性能及合理使用为中心，注意事物的本质和内在联系，土木工程材料是一门实用 性较强的课程，学习时须以材料组成，结构，性能与应用为主线。重点是掌提性能与应用： 面对材料的生产只作一般性的了解。士木工程材料种类紫多，需要学习和研究的内容范 围很广，因此，对其学习不应面面俱到，平均分配力量，周应有重点，点面结合地进行 学习 试验课是本课程的重要教学环节，其任务是验算基本理论，学习试验方法，培养科学 酥究能力和严覆算密的科学态度。做实险时要严肃认真，一丝不荷，即使对一些操作简单 的试验，也不应侧外，要了解试验条件对试验结梨的严重影响，并对试验结果作出正确的 分析和判断 在“土木工程材料”课中推荐深用“探究式敦学“方法。“探究式教学“方法介绍如下， (1)学习过程 学习过程包括下面儿点：①发现并明确是出要探究的问题：②猜想与假设：③通过 观得，调查，试验等各种方法收集各种科学证据：④分析，论正：得出结论，解释，概型 建构及预测：①合作评估与交流
(2)学习内容 下列为“探究式教学”的学习内容，可供参考。探究式学习内容不是固定不变的，内 容可不斯更新，具有可扩充性，还可细化，不变的是探究式学习方法。 探究式学习一：人类发展与工程材料发展问的关系 探究式学习二：材料孔廊，材料中的水，孔隙对材料力学，热工，声学性质和耐久性的 影响 探究式学习三：硬石青应用研究，研究石青板材和商块的防火性能优城的原理 耀究式学习四：水泥水化产物做观形，分析：水泥电性质研究，粉煤灰和矿法对水泥 性质的影响：火山灰反应及松煤灰活性：素泥应用研究， 探究式学习五：混凝土减水剂，缓提剂，引气刺等对混颗土性质的影响，粉煤灰和矿清 对混凝土性质的形响，粉煤灰凝土，混凝土导电性质，混凝土第大组分及特性混凝土。 探究式学习六：抹灰秒浆开裂及预防， 探究式学习七：墙体材料改革的必要性和改革途径，新型墙体材料 探究式学习八：合金钢及铁合金解： 探究式学习九：高分子材料与结构补强加国。 探究式学习十：装饰木材， 保究式学习十一：断青改性及新型防水材料 探究式学习十二：我属西青混合科配合比设计标准与美国Superpav标准的对比. 探究式学习十三：复合材料与材料绝热和吸唐性质 (3)“探究式教学”考核的方法 教师可布置6一8个通目或方向，让学生写出小论文，其中，每个学生可自行选择一 个内容，根据兴座方向自由分组，小组人数以6人为宜，魏立完成小论文，小论文不得雷 同，论文中要有一篇英文参考资料，小组成员讨论，共同形或I个Powerpoint演示文档 随课程进度分阶段在课内学时宜讲，分主讲和辅讲，在课意上，每次宜讲控制在10分钟左 右，也可在课后集中进行， 个人小论文成绩由组宜读成绩和个人论文成绩综合评定，考试卷中出题包括摆究式 学习内容，并将探究式学习的成绩计人综合成填。 4 工程材料
材料的基本性能 本章提要 本章余绍材料的组成，结构和性能三个方面的吴系残材料 的物理性质，村料的力学性质爱材料的时久性三个方面的内客 要表熟品3钟常见品格是型，重点章锤4种害度的区制及计算 秀清，以观传水性，情水性、观米生，吸温性，时水性，杭渗性6个 与水相关的质，乎热性，然客量2个与热相关的性质，拿强拉 仲，压幢，雪山，剪切，弹社，型性，格弹性，魏性，初性9个力学性 喷，其中松弹性可以作为选学内客， 土木工程材料是一门两物理，化学，力学等的学科，土本工程材料的核心问题是材料 的组成(component),结构(structure)和性能(property)以及它们之间的关系。所以，在 本章我们将先要了解土木工程材料的组成，结构，再了解土木工程材料的基本性能，一般 而言，土木工程材料的基本性质包据物理性质，力学性质和附久性，物理性质包括密度、 密实度，导热系数，渗透系数等，力学性质包括极限强度，弹性模量，塑性，树性等，耐久性 包括抗冻性，抗湖性，抗风化性，抗老化性，耐化学腐蚀性等内容。建筑物是由各种建筑材 料建筑周成的，这些材料在建筑物的各个部位要起到相应的作用，圆此要求建筑材料必须 具备相应性质。如结构材料必须具备良好的力学性质，墙体材料应具备良好的保温隔热 性能，隔音吸声生能等：屋面材料应具备良好的抗擦防水性能等，地面材料应具备良好的 耐久性如耐磨损性能等。一种工程材料要具备哪些性质，这要根据材料在建筑物中的功 用和所处环境来决定， 11材料的组成、结构及性能的关系 图1,1表明材料科学与工程主要研究材料的组成、结构和性德三个方面，结构决定性 能是材料科学与工程很重要的一个结论，属于材料科学与工程分支的土木工程材料学同 样里从这一规律，材料的桂能是由材料内部的微观结构所决定的。不同种类材料由于国 成结构不同而星现出不同的性质，同一种材科经不同工艺处理后得到不同的组织结构时， 1材料的蒸本性能 5
也会具有不同的性能，例如：都是由碳组成的石是和金形石由于结构不同面性能不一样， 石墨内部的碳原子问星六边形层状排列，层与层之间联结力非常剩，金刚石内部的碳原子 量“骨果”状三维空问排列，这种结构在各个方向联结力均匀，而且联结力根强 材料料学与工 (土木工程材料学) 密在应 图丽函宝配图 墨1.1材料科学研究内容分解国 在认识了材料的组织结构与性能之间的关系及显微组织结构形成的条件、过程与机 理的蒸础上，就可以通过一定的方法控制组织结构的形成条件，使其形成预期的组织结构 南达到所期级的性能。同时，只有了解材料的组成，结构及构造，才能更好地掌强材料的 基本性质。 1.2材料的组成 1.2.1化学组成 化学组成(chemical components)是指材料的化学成分。无机非金属材料的化学规分 常用各种氧化物的含量来反映，如水泥的化学或分是以CaO,SiO,A山O,F,O,、MgO 等氧化物的质量百分比来表示，金属材料则常以化学元素的含量来分类，如碳素解以国 元素含量来划分，合成高分子材料常以其链节表示，如聚乙烯的每节是CH等。土木 工程材料的诸多性质都与其化学成分有关，如力学性能，耐腐慎性，耐老化性能，耐火 性等。 1.2.2矿物组成 矿物组成(mineral components)是指材料中具有特定的品体结构、特是的物理力学 性能的组织结构的种类和数量 1.2.3相组或 相组成(phase components)是指材料中具有相近结构和相同性质的均匀部分的种类 和数量。比如，混酸土可以认为是有砂石骨料相分散在水泥浆体相中所组成的复合材料 而且骨料相和浆体相闻还有界面相。这些相的组成比侧发生变化时，混凝土的性能会随 之改变。 6 工程材料
因此，不同材料的组成对材料性质的影响不一样，需结合具体村料的特性进行研究和 分析 1.3材料的结构 材料的性质除与材料组或有关外，还与其结构和构造有密切关系。材料的结构和构 造是泛指材料各组成部分之间的结合方式及其在空间排列分布的规律。图1.2给出了不 问构造尺度范国的丽片，唇助我们认识材料微观结构，宏观结构与建筑物之间的关系，图 1.2(a)所示是台北101大厦（世界上最高的大楼，101层，高508m),它是由钢筋混凝土 建造，其中混凝土是由水泥基材料和骨料等但成，图1,2(b)所示的是混凝土断面，混凝土 中的水泥和水反应，生脱具有粘结性能的水化产物，图1,2（©）给出了故大2000倍的微观 结构，图1.2(a)中的物体比图1.2（©）中的要大约5000万倍， (A) b创 图12不同钩造尺度范国的规片 (a)台北101大厦，()现规土新面)水见基的侧观结将 目前，材料不同层次的结构和构造的名称与划分，在不司学科间尚来统一，通常，按 材料的结构和构造的尺度范围，可分为宏观结构，亚微观结构和微观结构： 1.3.1宏现结构 材料的宏观结构(macrostructure)是指用肉眼或故大镜可分前出的结构和构造状况， 其尺度范围在10m缓以上。按宏观结构的特任，材料有致密，多孔，粒状.层状等结构 宏现结构不同的材料具有不同的特性，例如，玻璃与泡沫玻璃的组成相同，但宏现结构不 同，前者为致密结构，后者为多孔结构，其性质鼓格不同，玻璃用作采光材料，泡球玻璃用 作绝热材料 材料宏规结构和构造的分类及特征见表1.1。 上材料的蒸本性能
表1.1材料宏观结构和构透的分典及特恒 车规结构 结构特任 常用的土术工程材料华铜 致密结构 无宏观尺度的孔隙 弱铁，酸璃，塑料等 孔称特在 微孔结构 主夏具有微观孔察 石膏制品，烧土制品等 多孔结构 具有较多相大孔醇 细气旗凝土，溶律玻璃，泡体塑料等 纤细结构 主要白纤线块材料构成 本材，藏璃倒，岩棉，GRC等 层状结构 山多层材料叠合构成 复合墙服，校合板，照面石膏服等 构造特任 胜粒结构 白松歌颜粒状材料构或 砂石材料，影医珍殊岩等 聚集结构 由骨料和胶结材料构或 各种混颗土，砂蒙，陶竞等 1.3.2亚特现结构 材料的亚微视结构(mes0U©tu阳)（又称介视结构）是指用光学是微镜和一般日横 透射电子显微镜所能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构，其尺度范围在 10”一10m,土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类屏究。对于水混混凝土： 通常是研究水泥石的孔晾结构及界面特性等，对于金属材料，通常是研究其金相组织，品 界及品粒尺寸等：对于木材，通常是研究木纤维，管胞，随线等组织的结构。材料在显微结 构层次上的差异对材料的性能有显著的影响。例如，酮材的品就尺寸感小，钢材的强度越 高。又如混凝土中毛细孔的数量减少，孔径减小，将使混凝士的强度和抗穆性等据高。因 此，对于土木工程材料面言，从显微结构层次上研究并政普材料的性能十分重要。 1.3.3概现结构 材料的微观结构(microstructure)是指原子减分子层次的结构，材料按微观结构可 分为品体和威璃体。许多金属和事金属化合物为品体结构，而玻璃和题料常常是藏璃体。 1.3.3.1品体 品体(cysD是质点（原子，分子，离子）按一定规律在空间重复排列的圆体，可用网 格来横述晶体结构。用一个点或一个小球来表示原子所在的位置，并用线条连接各个点， 则图中的堆积就形或一个空间网格，称之为空间点阵(ate)或品格，每个点就叫做点 阵，从中取出一个能代表点阵重复排列规则的最小单元，来表征其排列规律和特征，这个 单元就称为品胞或单胞(ut©e)。利用形球模型可以算出品体结构中的间愿，以及点牢 君数与原子半径之间的关系。 在品体结构中，最常见的是体心立方(Body Centered Cubie Crystal Structure,简称 BCC),面心立方(Face-Centered Cubic Crystal Structure,简称下CC)和六方密排(Hea gonal Close-Packed Crystal Structure,简称HCP)三种典型结构，结构图分别如图1.3 (a).(b),(e)所示， 从图1.3()左图中可以看出透取的一个品胞，是一个立方体，立方体中心有一个原 子，故称为体心立方品胞，立方体八个角上的每个原子那由八个品胞来分享，一个品胞只 占有人分之一个原子，只有体中心的原子完全属于这个品脑，所以每个体心立方品胞拥有 8 工程材料
T 面1.3体心立方、圆心立方和六方密排晶跑 (a)体心立方品图(BCC):(b)衡心立方品形(PCC),(e)大方密排品指(HCP 2个原子，即8×言十1一2，用点（小球）代表原子，可以更清楚地表示体心立方品胸的对 称规律和原子的位置，立方体的边长口是重要的品胞（点库）参数，a一4RW3,R为原子 半径，计算过程见例题1,1 与晶体中一个原子最邻近的等距离的原子数称为配位数(coordination number), BCC品体中最中间的一个原子有8个近邻原子，故BCC的配位数是8，数密度是指晶体 结构中原子体积占总体积的百分比。如以一个品胞来计算，则数密度就是品脑中原子体 积与品胸体积之比，也称堆积密度，是指空间的利用率，以CC品体数密度为68%，计算过 程见例题1.1. 【例题11】如国1.4所杀，巴如原于半径为R (1)计算BCC的品格常数（边长）a的值，(2)束BCC 的数密度。 解(1)在BCC中，原予在立方体时角线方向上 是相切的（见图），所以立方体对角我的长度等子4R, 已和立有体对角线长度与边长的关系为 时角线长度=4R=√/3后 所以 a=4R/人W3 国14体心立方中厘子率程 (2)品胞的体织，也就是立方体的体积 和基胞尺寸图 V,=a2=(4R/V)3=12.3R则 一个BCC中会有2个原于，国此BCC中原子古有的体积： =2×言R=&376R 故数密度为 长=&376R/029R)=68% 图1.3(b)表示出了图心立方(CC)晶体原子的雄积方式和它的品胞，可看出，除立 方体角上有原子外，立方体的大个面的中心也有原子占据。同样，每个角上的原子由8个 1材料的前本性粗
品购分享，面面中心的原子则由2个品瓶分享，所以，一个面心立方品脑有4个完整的原 子，即8×言+6x =4 采用例题1,1的方法，我们不难计算出下CC的立方体边长4=4R/人W2,致密度为 74%,还可以知道FCC的配位数是12， 六方密排品胞(HCP)如图1.3(c)所示，可看出，上下品面各有6个原子排成六方形 外，品面的中心还有1个原子，在上下品面间有一由3个原子构成的中间原子平面，上下 面的6个原子分别由6个品胞分享：国中心的原子由2个品胞分享，中间平面的3个幕子 则属于这个品胞所有，所以每个HCP品酯包合6个原子，即12×吉+2×号+3-6，配 位数和数密度分别也是12和74%， 从上面的分斯可知，BCC是事密排结构，FCC和HCP是密接结构，即具有最高的致 密度和配位数。这三种典型结构的福胞分则含有2,4,6个原子。 材料以价键的不同可以分为：原子品体（以共价键结合，如金刚石，石英和刚玉等），离 子品体（以离子键结合，如氯化钠，石青等），分子品体（以分子键结合，如有机高分子），金 属品体（以金属健结合，如铁，解，合金），在工程材料中，有时可能同时存在多种键，尤为 表现在无机非金属材料中，如硅酸盐品体结构非常复杂，有弧岛状，组群状，链状，层状和 骨架状结构等，但它们有一个共同特点，即均具有SO四面体，如图1.5()所示，并由 此导出硅酸盐结构定律，以及铝氧人面体结构，如图1,5(b)所示， OH 04H ( ) 图1,5健酸盐品体结构典型地构示童图 (a)硅氧四面体(tetrabedron》:(b)组氧人面体《ortahedron) 1.3.3.2城瑞体 固吉物质中除各种品体外，另一大类为玻璃体，玻璃体又称非品体(amorphous sol ),由于非品态物质内的原子辣列在三维空间不具有有序性和周期性，故决定了它在性 质上是各向同性的，且没有面定的熔点（对玻璃面言，存在一个玻璃转变温度）。应注意圆 态物质虽有品体和非品体之分，但在一定条件下，两者是可以相互转换的。 【例题1,2】（填空题）全属品格可分为三种类型，BC℃的英文全称是 中文需思代表 FCC的英文全称是 ,中文意思代表 HCP的莫文全称是 ,中文意思代表 答：BCC的英文全种是Body-Centered Cubie,中文意忌代表体心立方，FCC的英文全 10工程材料