沥青混凝土设计

3　土木工程材料与基本构件

本章导读：

●基本要求 了解土木工程材料在土木工程建设中的地位和作用；了解土木工程材料种类、特性及其发展方向；了解土木工程材料、构件与结构的关系。

●重点　土木工程材料种类及其基本性质；土木工程材料的应用与发展；土木工程材料、构件与结构的关系。

●难点　土木工程材料的重要性；土木工程材料的特性及其应用；土木工程基本构件在结构中的应用原理。

3.1　概　述

材料是构成构件的某种物质，如由钢材可形成钢板、钢梁等构件；由水泥、砂、碎石、钢筋等则可形成钢筋混凝土板、梁等构件。

构件则是土木工程结构构成的基础，如由柱、梁、板等构件可组成房屋结构（见图3.1）；由塔柱、主梁、拉索等构件则可形成斜拉桥结构（见图3.2）。

土木工程材料分为天然土木工程材料（如石材、木材等）和人造土木工程材料（如混凝土、钢材、合成高分子材料等）。用于建筑工程、道路与桥梁工程、地下工程、铁道工程等土木工程结构构件的材料性能不同，适用的场合也各异，以跨越能力为例，目前，采用钢材建造的桥梁跨径已达到1 991 m（日本明石海峡大桥），而采用石材则最大仅为146 m（中国丹河大桥）。在造价方面，由于材料费用在工程总造价中所占比例很大（40%～70%），所以，选择工程材料时不仅需考虑其性能，还需考虑其经济性要求。就功能要求来讲，采用隔热保温的墙体材料建造房屋就比普通房屋节约能源（如少用空调而节约用电）。从公共结构物或桥梁的安全、耐久性来看，采用高性能混凝土（高强度、高尺寸稳定性、高耐久性）就比采用普通混凝土更有保障。针对环境保护和低碳要求，采用生长周期较短的竹材就比采用生长周期较长的木材更加又有利于生态环境保护。

图3.1　房屋结构

图3.2　斜拉桥结构

总之，材料对土木工程建设与发展起着决定性的作用，因此，国家始终将材料的研究、开发作为科技发展的重点。

3.2　土木工程材料基本性质

3.2.1　物理性质

土木工程材料的物理性质主要体现在：表征材料基本特征的密度、孔（空）隙率、含水率、几何尺寸等；表征材料形状改变的体积膨胀或收缩率、伸长率、压缩率等。

土木工程材料的密度主要包括：真实密度——在规定条件下，烘干材料实体单位真实体积的质量；表观密度——在规定条件下，烘干材料实体包括闭口孔隙在内的单位表观体积的质量；毛体积密度——在规定条件下，烘干材料实体包括孔隙（闭口、开口孔隙）体积在内的单位体积的质量。密度是确定材料用量、计算构件自重等的依据。

土木工程材料的孔隙率是指某一材料孔隙体积占总体积的百分率，与之对应的概念为密实度，同一材料孔隙与密实度之和为100%。孔隙率的工程意义在于材料的孔隙率与孔隙特征（孔隙构造与孔径）会影响材料的其他性质，如孔隙率低、呈封闭孔、孔径小的材料，强度较高、耐久性较好。空隙率是指散粒材料（如砂、石子）堆积体积中，颗粒间空隙体积所占的百分率。与之对应的概念为填充率，同一堆材料的空隙率与填充率之和为100%。空隙率是配制沥青混合料、水泥混凝土时，控制骨料级配的重要依据。

土木工程材料与水有关的性质包括亲水性与憎水性、吸水性与吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性等。亲水性材料一般有吸水性，需考虑防水、防潮问题；而憎水性材料常被用作防水材料。材料的吸水性与吸湿性通常会对材料性能造成不利影响，此外在施工现场要考虑露天堆放砂、石的含水率。材料耐水性的指标软化系数可用来评价材料是否为耐水材料。抗渗性与抗冻性均从侧面反映材料的孔隙率与孔隙特征，因而可作为间接评价材料耐久性的指标。

土木工程材料的热工性质主要有导热性、热容量、比热容等，它们与建筑物的室内气候、使用能耗密切相关。如节能建筑的维护结构应选用导热系数小、热容量大的材料。

3.2.2　力学性质

土木工程材料的基本力学性质是指材料承受荷载作用的能力，如强度、弹性模量、抗冲击、抗剪切、抗扭曲等性能。材料力学性质的优劣直接关系到结构的安全、经济与耐久性能。

材料的强度是指在外力作用下抵抗破坏的能力，包括抗压强度、抗拉强度、抗弯（折）强度、抗剪强度等。按强度值大小不同，材料强度划分为若干个等级。材料的比强度则是指材料强度与其表观密度之比，如钢材的比强度就比普通混凝土高得多。比强度是衡量材料轻质、高强性能的重要指标，随着大跨结构及桥梁、超高建筑的发展需要，轻质高强材料已成为未来土木工程材料发展的主要方向。

材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性；相反，当外力去除后，有一部分变形不能恢复的性质称为塑性。通常土木工程材料在受力不大时表现为弹性变形，当外力达一定值时则呈现塑性变形，如低碳钢。材料的黏弹性则是指材料受力时，其性状依赖于材料的温度和加荷时间，如沥青与沥青混合料。

脆性是指当材料所受的外力达一定值时，材料发生突然破坏、且破坏时无明显的塑性变形。韧性是指材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量且产生较大变形而不破坏的性质。土木工程中，天然石材、混凝土、玻璃、烧结普通砖、陶瓷等无机非金属材料为脆性材料，它们的抗拉强度远低于抗压强度、抗震性能与抗冲击性能差，只适用于承压构件。钢材为典型的韧性材料，可用于承受冲击荷载、有抗震要求的结构。值得注意的是，虽然在弹性与塑性之间倾向于弹性，但韧性材料在破坏前所呈现出的塑性变形对于工程是有利的，它避免了突发性的脆性破坏。

3.2.3　耐久性能

材料长期抵抗内外部劣化因素作用而维持其结构性能的能力称为耐久性。耐久性是材料的综合性质体现，诸如抗渗性、抗冻性、抗腐蚀（侵蚀）性、体积稳定性、抗老化性、耐磨耗性、耐高温与燃烧性等。影响材料耐久性的因素很复杂，包括材料本身性质、工程设计与施工质量、使用与维护的科学性、环境适应性以及抵抗灾害的能力等。例如，由于车辆超载导致路面使用年限缩短是目前道路工程耐久性差的体现；混凝土建筑结构、桥梁开裂将导致钢筋锈蚀，从而严重影响结构耐久性。

材料的耐久性直接影响建筑（构筑）物、桥梁、地下结构等的安全性和使用寿命；建筑物的设计使用年限通常为50～70年，桥梁的设计使用年限一般为100年，跨海桥梁要求达到120～150年；特别重要的工程，如特大型水电站等设计使用年限要求甚至高达500年以上。要实现土木工程在设计使用寿命期内的正常、安全使用，必须要求工程材料具有长期耐久性能，这也是土木工程界需要长期努力的主要方向。

3.3　土木工程常用材料

3.3.1　砂石材料

通常将石料和集料统称为砂石材料，是建筑工程中使用量最大的一种材料。准确地认识、合理地选择以及正确地使用石料和集料，对于保证建筑结构工程质量有着重要的意义。

在建筑结构工程中，所使用的石料通常指由天然岩石经机械加工制成的，或者由直接开采得到的具有一定形状和尺寸的石料（细料石、粗料石、块石、片石等）。岩石是由各种不同的地质作用所形成的天然矿物的集合体。按不同的形成条件可将岩石分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。

集料是指在混合料中起骨架和填充作用的粒料，包括天然砂（见图3.3）、人工砂、卵石、碎石（见图3.4）以及工业冶金矿渣等。

图3.3　天然砂

图3.4　碎石

3.3.2　胶凝材料

胶凝材料是在物理、化学作用下将其他物料胶结（从可塑体逐渐变成固状）为具有一定力学强度的整体物质。按其化学成分可分为无机胶凝材料（如水泥、石灰、石膏等）和有机胶凝材料（如沥青、树脂等）两类。常用的土木工程胶凝材料简介如下：

1）石灰

石灰的主要原料是以碳酸钙为主要成分的矿物、天然岩石，常用的有石灰石、白云石、白垩或贝壳等；除了天然原料外，另一个原料来源是工业副产品，如用碳化钙（电石）制取乙炔时的电石渣，其主要成分是Ca（OH）2，即熟石灰。石灰是将石灰石原料经过适当温度（900～1 000℃）煅烧，得到以CaO为主要成分的块状生石灰，生石灰加水消解熟化后得到粉状的熟石灰，即氢氧化钙Ca（OH）2。石灰在土木工程中应用范围很广，包括用于砌筑或抹灰工程的石灰乳和砂浆，用作建筑物的基础、地面的垫层及道路的路面基层的石灰稳定类半刚性材料，常用的硅酸盐制品有灰砂砖、粉煤灰砖等。

2）水泥

水泥是制造各种形式的混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土建筑物或构筑物的基本材料之一，它广泛应用于建筑、道桥、铁路、水利和国防等工程中。水泥的品种很多，用于土木工程的水泥主要是硅酸盐水泥、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等六大品种。除此之外还有道路硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥及自应力水泥、白色与彩色硅酸盐水泥等。

水泥的原料主要是石灰质原料（石灰石、白垩等）和粘土质原料（粘土、粘土质页岩、黄土等）。另外，根据对水泥煅烧、性能等的不同要求，还需加入适量的铁矿粉、矿化剂等。各种原料按一定的比例配制，并经磨细到一定的细度，均匀混合，制备（干法和湿法）成“生料”，经煅烧、熟化、磨细得到的粉末状产品即为水泥。水泥的技术性质和技术要求主要体现在：细度、凝结时间、安定性、强度等。

细度是指水泥颗粒的粗细程度。水泥颗粒越细，比表面积越大，水化反应越快越充分，早期和后期强度都较高，但在空气中的硬化收缩也较大，成本也高。若水泥颗粒过粗，不利于水泥活性的发挥。国家标准规定：硅酸盐水泥的细度用比表面积表示，不小于300 m2/kg。

水泥的凝结时间对工程施工具有重要意义。为保证在施工时有充足的时间来完成搅拌、运输、成型等各种工序，水泥的初凝时间不宜太短；施工完毕后，希望水泥能尽快硬化，产生强度，所以终凝时间不宜太长，以利于下一道工序及早进行。

水泥浆体在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性。如体积变化不均匀即体积安定性不良，容易产生翘曲和开裂，降低工程质量甚至出现严重事故。因此体积安定性不良的水泥在实际工程中应严禁使用。

水泥强度是表征水泥质量的重要指标，也是划分水泥强度等级的依据。硅酸盐水泥根据3 d、28 d的抗折强度、抗压强度4个指标，分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R，共6个等级，其中R代表早强型水泥。普通水泥比硅酸盐水泥减少了62.5和62.5R等级。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比硅酸盐水泥减少了62.5和62.5R等级，但增加了32.5，32.5R等级。各强度等级硅酸盐水泥胶砂的各龄期强度不得低于标准规定值。

硅酸盐水泥硬化后，在一般使用条件下有较好的耐久性。但在某些特定的环境中，水泥石（净浆硬化体）会受到侵蚀，主要包括软水侵蚀（溶出性侵蚀）、盐类侵蚀（包括硫酸盐侵蚀与镁盐侵蚀）、酸类侵蚀、强碱侵蚀四类。值得注意的是，由于海水中含有MgSO4，故会对水泥石造成硫酸盐与镁盐的双重侵蚀，危害特别严重；此外，海水中的氯离子还会锈蚀钢筋，故用于海洋工程的混凝土应特别重视侵蚀问题。

3）沥青

沥青材料是由极其复杂的高分子碳氢化合物及非金属（氧、硫、氮）衍生物所组成的混合物。沥青在常温下呈黑色或黑褐色的固体、半固体或液体。沥青是由天然或人工制造而得，作为重要的有机结合料，沥青被广泛应用于道路工程、防水工程、水利工程、防腐工程等。

按沥青在自然界中获得的方式分为：地（石油）沥青和焦油沥青两大类。其中，地沥青是指通过对地表或地下开采所得到的沥青材料，包括天然沥青和石油沥青；焦油沥青可理解为由各种有机物（煤、泥炭、木材等）化工加工的“副产品”所得到的沥青材料，包括煤沥青、木沥青、页岩沥青（产源属地沥青，但生产方法同焦油沥青）等。

道路石油沥青的物理性质可用一些物理常数表征，如密度、介电常数和体积膨胀系数等。道路石油沥青的路用性质主要有：黏滞性、塑性、温度稳定性、加热稳定性、安全性、溶解度、含水量、劲度模量、黏附性、老化等。道路石油沥青主要在道路工程中用作胶凝材料，用来与碎石等矿物质材料配制成沥青混合料。通常，道路石油沥青标号越高，则黏度越小，延展性越好，温度敏感性越高。建筑石油沥青的针入度较小，耐热性能好，但延度较小，主要用于制作油纸、油毡和防水涂料等。这些材料大部分用于屋面及地下防水、沟槽防水、防腐蚀及管道防腐工程等。

传统沥青材料往往具有高温易软化、低温易脆裂、耐久性差等不足，随着现代高速、重载交通的发展以及当代建筑对防水材料要求的提高，对沥青材料的性能也提出了更高的要求。改性沥青是通过掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉或者其他材料等外掺剂（改性剂），改善基质沥青性能所得的新型沥青材料。

通过对沥青材料的改性，可以改善以下几方面的性能：提高高温抗变形能力，可以增强沥青路面的抗车辙性能；提高沥青的弹性性能，可以增强沥青的抗低温和抗疲劳开裂性能；改善沥青与石料的黏附性；提高沥青的抗老化能力，延长沥青路面的寿命。常用改性沥青：热塑性橡胶类改性沥青（即SBS）、橡胶类改性沥青、热塑性树脂改性沥青、热固性树脂改性沥青、乳化沥青等。根据使用功能的要求，可将沥青改性为：环氧沥青、彩色（浅色）沥青、调和沥青、阻燃沥青等。

3.3.3　水泥砂浆、水泥混凝土及沥青混合料

水泥砂浆（建筑砂浆）、水泥混凝土及沥青混合料是在砂、碎石等材料基础上借助胶凝材料形成。

1）水泥砂浆

水泥砂浆是以砂为主体材料，加入一定量的水泥（或其他掺和料）和水经拌和均匀而得到的稠状材料。根据砂浆的用途不同，分为砌筑砂浆、抹灰砂浆、锚固砂浆、修补砂浆、保温砂浆等。砌筑砂浆在建筑结构体中起着块体黏结、荷载传递作用，其主要技术性质体现在和易性和强度（黏结强度、抗压强度）和耐久性。强度等级划分为M2.5，M5.0，M7.5，M10，M15，M20。

2）水泥混凝土

水泥混凝土是各类建筑物体中应用最广泛、用量最大的建筑材料之一。水泥混凝土是以水泥为胶凝材料，由粗、细集料（碎石、砂）、水混合而成，必要时也可以加入适量的外加剂、掺和料以及其他改性材料改变其性能。其中水泥起胶凝填充作用，集料起骨架密实作用，水泥与水发生反应生成的具有胶凝作用的水化产物将集料紧密的胶结为整体，在一定的温度、湿度条件下经一定时间凝结硬化而形成的复合体，简称为水泥混凝土，如图3.5所示。混凝土实际上就是人工石，所以，工程上有时简写为“砼”。水泥混凝土是一般土木工程中最常见的结构——钢筋混凝土、预应力混凝土结构的基体，应用于包括大到三峡大坝，小到人行道地砖的几乎所有土木工程结构。

图3.5　水泥混凝土
1—粗骨料；2—细骨料；3—水泥浆体

（1）水泥混凝土的主要特点

在凝结硬化前具有较好的塑性，可根据结构物体的不同形状浇筑成型；它与钢筋有牢固的粘结性能；经硬化后具有较高的抗压强度和良好的耐久性能；水泥、粗细集料等原材料均可使用地方材料。当然，普通混凝土也存在抗弯拉强度低、抗变形能力较差、易开裂、自重大等缺点。

（2）水泥混凝土的分类

按材料组成有：普通混凝土、轻集料混凝土、特种混凝土。

按表观密度可分为：普通混凝土（表观密度约2 400 kg/m3）；轻混凝土（表观密度约1 900 kg/m3）；重混凝土（表观密度约3 500 kg/m3）。

按混凝土性能可分为：普通混凝土、高性能混凝土。

按强度等级分：低强度等级混凝土（抗压强度小于30 MPa）；中强度等级混凝土（抗压强度30～60 MPa）；高强度等级混凝土（抗压强度大于60 MPa）。

根据工程特殊性能的要求，可配制各种特种混凝土，如碾压混凝土、仿生裂缝自愈合混凝土、纤维混凝土、抗摩擦混凝土、加气混凝土、水工混凝土、防辐射混凝土、海工混凝土等。

（3）普通混凝土的技术性质

新拌混凝土的和易性：和易性又称为工作性，是指其易于搅拌、运输、浇捣成型，并能获得质量均匀密实的混凝土的一项综合技术性能。混凝土的和易性通常包括流动性、粘聚性、保水性等三个方面。影响混凝土拌和物和易性的主要因素有：单位用水量、浆集比、水胶比、砂率、水泥品种及细度、集料的品种和粗细程度、外加剂、时间、气候条件。

凝结硬化后混凝土的力学性能：混凝土的强度主要有抗压强度、抗折强度、抗拉强度和抗剪强度等；其中抗压强度值最大，也是最主要的强度指标。混凝土的强度等级由符号C（如C30）和混凝土强度标准值组成。

变形性能：混凝土在凝结硬化过程和凝结硬化以后，均将产生一定量的体积变形，主要包括化学收缩、干湿变形、自收缩、温度变形及荷载作用下的变形。

耐久性：混凝土的耐久性是指在外部和内部不利因素的长期作用（酸、碱、盐的腐蚀作用，冰冻破坏作用，水压渗透作用，碳化作用，干湿循环引起的风化作用，荷载应力作用和振动冲击作用等）下，保持其原有设计性能和使用功能的性质。目前，混凝土耐久性理论研究与技术开发、应用是土木工程界的主要任务之一。

（4）钢筋混凝土、预应力混凝土

众所周知，对两端简支的相同跨径、同样截面的木梁和钢梁，在相同荷载作用下木梁下挠远大于钢梁，甚至出现木梁断裂。其原因除了木梁刚度（抵抗下挠的能力）远小于钢梁外，在荷载作用下产生于木梁截面上部压应力以及下部拉应力过大或大大超出极限，导致梁的下挠或断裂。当采用混凝土梁时，虽然刚度比木梁大得多，但抗拉强度仍然很低，在不大的荷载下都可能导致截面下缘开裂而瞬间断裂。1848年世界上发明了钢筋混凝土，即为分别发挥混凝土抗压能力和钢的抗拉能力，在混凝土梁截面下部加入钢筋形成混凝土与钢材的组合截面，使得混凝土梁的受力性能大大改善。钢筋混凝土的发明以及19世纪中叶钢材在建筑业中的应用，实现了土木工程建设的第一次飞跃，使高层建筑与大跨度桥梁等的建造成为可能。

由于混凝土的抗拉性能远不如钢筋，所以钢筋混凝土结构（梁、板、柱等）是带裂缝工作的，从而制约了在诸如贮液池、开裂及耐久性要求极高的大跨桥梁结构等众多土木工程结构中的应用。为解决钢筋混凝土结构开裂问题，1928年在法国成功制作出预应力混凝土。生活经验表明，如图3.6所示的木桶直径呈上大下小，将铁箍自下往上敲紧，即可给木桶以环向压力（即预压力），只要该环向压力超过木桶因盛水而出现的环向拉力，桶体瓣片就不会散开或漏水。预应力混凝土的原理也是如此，同样以简支钢筋混凝土梁为例，在梁承受荷载前，通过张拉预设于梁截面下缘的钢筋并锚固，使得梁截面下缘产生预压应力，只要梁截面下缘因承受荷载产生的拉应力不超过预压应力，就能实现梁体下缘不出现拉应力或拉应力小于材料抗拉强度，从而实现梁体不开裂。总之，预应力混凝土是为提高混凝土的抗裂性，在受使用荷载作用前用张拉钢筋的方法使混凝土产生预压应力，以全部或部分抵消荷载作用下的拉应力的混凝土。预应力混凝土在工程结构中的应用，实现了土木工程建设的第二次飞跃。为了充分发挥材料作用，预应力混凝土结构采用的混凝土强度等级比钢筋混凝土结构高（通常在C40以上），所用预应力钢筋必须为高强钢丝或钢绞线。目前，预应力混凝土结构，特别是桥梁结构混凝土高性能（高强度、高尺寸稳定性、高耐久性）以及预应力体系的可靠性仍是业界关注的重点。

图3.6　木桶

3）沥青混合料

沥青混合料是由沥青材料、矿料经过充分拌和而形成的混合物，其中矿料起骨架作用（见图3.7），沥青起胶结和填充作用。将沥青混合料加以摊铺、碾压成型，成为各种类型的沥青路面。沥青混合料可分为沥青混凝土混合料、沥青碎石混合料、沥青玛蹄脂混合料等。沥青混合料的结构类型有：悬浮-密实结构（AC型）、骨架-空隙结构（AM和OGFC）、密实-骨架结构（SMA型）。沥青混合料的技术性质包括：

①高温稳定性。沥青混合料的高温稳定性是指其在夏季气温较高的情况下，其强度和模量都随温度升高而急剧下降的同时抵抗因交通荷载作用引起的车辙、推移、拥抱等永久变形的能力。

②低温抗裂性能。沥青混合料抵抗低温收缩裂缝的能力称为低温抗裂性。由于沥青混合料随温度下降而使劲度增大，变形能力降低，在温度下降所产生的温度应力和外界荷载应力的作用下，路面内部分应力来不及松弛，应力逐渐累积下来，这些累积应力超过材料抗拉强度时即发生开裂，从而会导致沥青混合料路面的破坏，所以沥青混合料在低温时应具有较低劲度和较大的变形能力来满足低温抗裂性能要求。

③耐久性。沥青混合料长期受到自然因素（如阳光、空气、水等）和重复车辆荷载的作用，为保证路面具有较长的使用年限，沥青混合料必须具有良好的耐久性。沥青混合料的耐久性有多方面的含义，其中较为重要的是水稳性、耐老化性和耐疲劳性能。

④抗滑性。沥青路面应具有足够的抗滑能力，以保证在最不利的情况下（当路面潮湿时），车辆能够高速安全地行驶，而且在外界因素作用下其抗滑能力不致很快降低。

⑤施工和易性。沥青混合料应具备良好的施工和易性，要求在整个施工工序中，尽可能使沥青混合料的集料颗粒以设计级配要求的状态分布，集料表面被沥青膜完整覆盖，并能被压实到规定的密度，这是保证沥青混合料实现上述路用性能的必要条件。影响沥青混合料施工和易性的因素主要有：气温、施工条件、混合料性质、拌和设备、摊铺机械和压实工具等。

图3.7　沥青混合料矿料骨架类型

3.3.4　钢材

钢是对含碳量介于0.02%～2.04%的铁合金的统称。人类对钢的应用和研究历史相当悠久，但直到19世纪贝氏炼钢法发明之前，钢的制取都是一项高成本低效率的工作。随着科学技术的发展，目前，钢以其可靠的性能、可接受的价格成为世界土木工程使用最多的材料之一。我国过去由于钢产量低下，土木工程中钢的使用有限，制约了工程的发展，如今，我国年钢产量已跃居世界前列，钢已成为土木工程结构，特别是大跨结构建设的必备材料，包括各种型钢（见图3.8）、钢板、钢管以及各种钢筋、钢丝和钢绞线等。

钢材品质均匀、强度高，具有一定的弹性和塑性变形能力，承受冲击、振动等作用的能力强。钢材可以采用各种机械加工，也可通过锻造形成所需要的形状（如桥梁支座、索鞍等），还可通过切割、铆接或焊接手段进行装配式施工。钢材的不足之处在于易腐蚀，防护费用高，同时能耗较大、一次性成本投入较高、耐火性差。

1）工程结构用钢

工程结构（如普通建筑结构、地下结构等）用钢主要包括碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。碳素结构钢又称普通碳素结构钢，可加工成各种型钢（见图3.8）、钢筋和钢丝，可进行焊接、铆接和栓接。低合金高强度结构钢是在钢材中加入规定数量的合金元素而生产的，用以提高钢材的使用性能，常用的合金元素有硅、钒、锰、铬、镍和铜等，大多数合金元素不仅可以提高钢材的强度和硬度，还可以提高钢材的塑性和韧性。由于优质碳素结构钢中的有害杂质得到严格控制，其性能较碳素结构钢更优。

2）钢结构用钢

钢结构在土木工程中的使用越来越广，所用钢材包括热轧型钢、冷弯型钢、热（冷）轧钢板、钢管、钢丝绳和钢绞线等。

热轧型钢主要有角钢、槽钢、工字钢（见图3.8）、H型钢、吊车轨道、金属门窗、钢板桩型钢等。

冷弯型钢常用钢板或钢带经冷轧或模压而成，对于厚度为1.5～6 mm的冷弯型钢也称为冷弯薄壁型钢。由于冷弯型钢截面经济性及刚度好，能有效发挥材料的作用，又有利于节约钢材。

按轧制方式不同，钢板可分为热轧钢板和冷轧钢板，其种类按照厚度的不同分为薄板、厚度、特厚板和扁钢。

钢管有热轧无缝钢管和焊接钢管两种。无缝钢管以优质的碳素结构钢或低合金高强度结构钢为原材料，采用热轧或冷拔无缝方法制造。焊接钢管由钢板卷焊而成。

钢丝绳和钢绞线是以高强度钢丝用一定的方式组合而成。

图3.8　型钢

3）桥梁结构及钢轨用钢

桥梁结构需要承受动载荷作用，安全风险高，需要采用专门结构钢（如Q420q）。除具有较高的强度外，还要求桥梁结构钢具有良好的塑性、韧性、可焊性和较高的疲劳强度，具有良好的抗大气腐蚀性。随着大跨径钢桥建设的快速发展，对钢材性能、强度级别以及板厚等提出了更高的要求。20世纪60年代应用于钢桥的最大板厚仅32 mm，90年代达50 mm，2009年建成的世界最大跨径拱桥——重庆朝天门长江大桥采用的Q420qD钢板最大板厚达80 mm，为适应桥梁跨径的进一步加大，需要采用强度更高、板厚更厚的钢板，其冶炼技术及焊接工艺等研究任重道远。

对于铁路、起重机等所用钢轨，由于长期处在车轮压力、冲击和磨损的作用下，不仅要求其钢材具有承受较高压力和抗剥离能力所需的强度，还需具有较高的耐磨性、冲击韧性和疲劳强度。

4）钢筋混凝土与预应力混凝土用钢

钢筋混凝土与预应力混凝土用钢主要是钢筋。钢筋属于线材，主要用于桥梁、建筑、地下结构、水利等工程中的钢筋混凝土与预应力混凝土结构以及桥梁索缆结构（如悬索桥主缆、斜拉桥拉索）。用于钢筋混凝土结构的普通钢筋主要有热轧钢筋、冷轧带肋钢筋（也称螺纹钢筋）、普通光面钢筋（见图3.9）和带肋钢筋（见图3.10）；用于预应力混凝土结构的预应力筋包括高强钢丝、钢绞线和精轧螺纹钢筋（见图3.11）。热轧光面钢筋采用普通质量碳素结构钢轧制而成。热轧带肋钢筋为表面具有规则间隔带肋的钢筋。冷轧带肋钢筋和钢丝是采用普通碳素钢、优质碳素钢或低合金钢热轧盘条经冷轧后，在钢筋表面分布有三面或两面横肋的钢筋与钢丝。冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性好、与混凝土的握裹力高、综合性能优良等优点。高强度钢丝，是用优质碳素结构钢经冷拔或再经回火等工艺处理制成。钢绞线（见图3.12）是通过绞线机将多根钢丝绞合而成，单根绞线一般由7根高强钢丝组成，也有2根、3根及19根等特殊绞线，其强度高（一般抗拉强度为1 860 MPa），抗松弛性能好，屈服强度也较高，过去主要靠进口，现在已实现国产化。钢筋的防腐始终是工程界关注的热点，以高强钢丝、钢绞线为例，过去主要通过镀锌实现自身防腐（另外还有外围防护），随着跨海桥梁等恶劣环境中的工程建设及其对耐久性的需要，钢筋防腐研究方兴未艾，如环氧涂层钢筋已在桥梁中推广应用。

图3.9　普通光面钢筋

图3.10　普通螺纹钢筋

图3.11　精轧螺纹钢筋

图3.12　钢绞线

5）钢材的防腐

钢材的腐蚀是结构安全的大敌。钢材常用防腐措施有：

①涂敷保护膜。指在钢材的表面涂敷一层保护层，以隔离空气或其他介质，常用的保护层有陶瓷、涂料、耐腐蚀金属、塑料等，或经化学处理使钢材表面形成氧化膜或磷酸盐膜。

②电化学防腐。对于不宜涂敷保护层的钢结构，如地下管道、港口结构、跨海桥梁结构等，可采取阳极保护或阴极保护的措施防止金属材料的腐蚀。

③制成合金钢。指在钢中加入铬、镍等合金元素，制成不锈钢，由于成本较高，应用受限。

钢材防腐技术仍是需要长期研究的重点问题。

3.3.5　木（竹）材

木材是最早用于土木工程的材料之一（以桥梁为例，由木梁、木桩及木柱形成的桥梁在4 000多年前就已存在）。图3.13所示为原木的组成。原木具有质量轻、强度较高、弹性和韧性较好、耐冲击和抗震性能好、保温隔热性好、装饰效果好、易于加工、无毒性、低碳等特点，曾广泛用于房屋、桥梁等建设。不同树种、树龄、含水率等的木材具有不同的密度、强度及模量，容易被腐蚀、虫蛀和燃烧，匀质性及尺寸稳定性较差，力学性能难以满足大跨结构需要，加之生态保护与树木砍伐之间存在矛盾，应用受到制约，原木的不足也随之显现。近年来，随着人们对生活环境绿色、自然、品位等的不断追求，木结构房屋、人行桥越来越受到追捧。优质树种培育、力学性能（抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度以及弹性模量）的改善、防护及耐久性处置等仍将是工程界研究的重点。同时，经过工程设计而人工生产的，比原木具有更高强度、硬度和刚度的胶合木质工程材料——工程木（包括梁、板等）在建筑工程中的应用日益广泛。

图3.13　原木及其构成
1—髓心；2—木质部；3—形成层；4—树皮；5—木射线（髓线）；6—心材；7—边材

竹材也是一种古老的建筑材料，过去主要使用原竹，如用于土质墙体“加筋”材料等。事实上，竹子成材时间短（一般为4～5年，而木材至少为20年），并可持续再生，将原竹加工成工程材料构件（梁、板等）用于房屋建筑、农村公路桥梁、景区建设已成为国家林业发展的重点。

3.3.6　土工合成材料

土工合成材料是以人工合成的聚合物（如塑料、化纤、合成橡胶等）为原料制成的各种类型产品，可置于岩土体或其它工程结构内部、表面或各结构层之间，具有加强、保护岩土或其他结构功能的一种新型工程材料。土工合成材料可以由不同的聚合物原材料生产，也可以按照使用目的制成各种各样的结构形式，品种繁多，如土工织物、土工膜、土工格栅（见图3.14）、土工网和土工膜袋等，它已经成为继钢材、水泥、木材之后的第4种新型建筑材料。

图3.14　土工格栅

由于土工合成材料具有强度高、柔性大、耐腐蚀性好、造价低、运输和施工方便，适应性好，质量易于保证等经济和技术上的优势，所以土工合成材料在我国和世界许多国家的护坡、堤坝、航道整治、挡土墙、软基处理、公路和铁路路基、机场跑道、蓄水池等诸多工程中得到了广泛的应用，涉及水利、电力、交通、建筑等各个领域。随着我国基础建设的飞速发展，土工合成材料在我国现代的公路、铁路、城市建设、港口等工程建设中越来越发挥着极其独特的优势。

土工合成材料分类随着新材料和新技术的发展不断变化，土工合成材料分为土工织物、土工膜、复合型土工合成材料和特种土工合成材料等四大类，如表3.1所示。

表3.1　土工合成材料分类

续表

土工合成材料的性质包括物理性质、力学性质、水力学性质、土工合成材料与土相互作用以及耐久性等内容。

3.3.7　合成高分子材料

合成高分子材料是以合成高分子化合物为基础组成的材料，始于20世纪50年代，现在已成为继水泥、木材、钢材之后的又一种重要的建筑材料，特别是在建筑用塑料管材、塑料异型材及门窗制品在塑料制品中占有着重要的位置。

土木工程中常用的高分子材料主要有：聚氯乙烯（PVC）、聚烯、苯乙烯类聚合物、有机玻璃、聚碳酸酯等。其中聚氯乙烯是最常用的一种高分子材料，用聚氯乙烯制造的高分子建筑材料和制品有塑料墙纸、塑料地板、门窗、装饰板、管材和防水卷材等，如图3.15所示。

合成高分子材料具有密度低、比强度高、耐水性及耐化学侵蚀性强、抗渗性及防水性好、装饰性好、易加工等许多优点；同时，高分子材料也存在耐热性差、易燃烧、易老化等，需要进一步研究、改善。

图3.15　PVC板材

3.3.8　墙体材料

墙体材料（见图3.16）是指构成房屋建筑墙体的材料。过去，墙体主要以黏土砖为主，随着基础设施建设的发展，黏土砖等材料不但在数量上、性能上难以满足需要，更主要的是自重大、生产效率低、耕地、能源耗费高，一直是技术改造的重点。近年来，加气混凝土砌块、陶粒砌块、纤维石膏板、玻纤水泥板、植物纤维板以及以粉煤灰、煤矸石、石粉、炉渣等废料为主要原料的新型墙体材料得到广泛应用。随着人们生活水平的提高，墙体材料的轻质、环保、保温、耐久、安全等性能越来越受到重视，需要通过不断地研究加以改进。

图3.16　常见墙体材料

3.4　土木工程功能材料

3.4.1　防水材料

防水材料是指能够防止雨水、地下水、工业污水、湿气等渗透的材料。应具有防潮、防渗、防漏的功能，以及良好的变形性能与耐老化性能。土木工程防水分为刚性防水和柔性防水两种。刚性防水主要采用防水混凝土和防水砂浆等材料；柔性防水主要采用防水卷材、防水涂料、密封材料等。从土木工程发展历史来看，因为水而导致的结构损伤、破坏、坍塌事故并不少见。目前所拥有的防水材料以及防水工艺还难以满足工程需要，研究、开发新型的防水材料及其工艺仍是工程界的一项长期任务。

3.4.2　绝热材料

绝热材料（包括保温材料、隔热材料等）是用于减少建筑（结构）物与环境热交换的一种功能材料。以房屋为例，如果墙体材料具有良好的保温性能，就可以在空调设备使用程度最低的情况下实现室内“冬暖夏凉”，从而节约能源。对处于炎热气候环境下的冷库等，则需采用良好的隔热材料加以围护，以确保冷库温度稳定。绝热材料按化学成分可分为有机和无机两大类；按材料的构造可分为纤维状（如矿棉、玻璃棉、硅酸铝纤维等及其制品）、松散粒状、多孔组织（如膨胀蛭石及其制品、膨胀珍珠岩及其制品、微孔硅酸钙制品、发泡硅酸盐制品、泡沫玻璃、泡沫塑料等）材料3种；此外，还有反射型绝热材料（如铝箔波形纸保温隔热板、玻璃棉制品铝箔复合材料、反射型保温隔热卷材、热发射玻璃等）。由于绝热材料对节约能源具有重要作用，一些国家将其看作是继煤炭、石油、天然气、核能之后的“第五大能源”，也是我国建筑行业重点发展的对象。

3.4.3　吸声与隔声材料

为防治噪声污染，保障声环境质量，在房屋建筑材料选择上需要考虑其吸声与隔声需要。通常将对125，250，500，1 000，2 000，4 000 Hz六个频率的平均吸声系数大于0.2的材料定义为吸声材料。吸声材料按吸声机理的不同分为两类，一类是疏松多孔的材料；另一类是柔性材料、膜状材料、板状材料、穿孔板。

人们要隔绝的声音按传播的途径可分为空气声（由于空气的振动）和固体声（由于固体的撞击或振动）两种。对空气声的隔声，根据声学中的“质量定律”，墙或板传声的大小，主要取决于其单位面积质量，质量越大，越不易振动，则隔声效果越好，故对此必须选用密实、沉重的材料（如黏土砖、钢板、钢筋混凝土）作为隔声材料。对固体声的隔声，最有效的措施是采用不连续的结构处理，即在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和隔墙及楼板之间加弹性衬垫，如毛毡、软木、橡皮等材料，或在楼板上加弹性地毯。随着对建筑声环境的要求不断提高，吸声与隔声材料的研发将是一项长期的任务。

3.4.4　装饰材料

土木工程装饰不仅是为了美观需要，还是保护主体结构在各种环境因素下的稳定性和耐久性的需要，所以，装饰材料不但应具有良好的装饰性能（包括色彩、光泽、透明性、花纹图案、形状、尺寸、质感及耐污性、易清洁性、耐擦洗性等）外，还应具有良好的物理力学性能（包括密度、强度、硬度、耐磨性、耐水性、抗冻性、热稳定性、耐火性、耐侵蚀性、吸声隔音性、保温隔热性等）、施工与加工性能（包括可锯性、可钉性、可钻性、可黏性等）以及房屋建筑所需的绿色环保特色。装饰材料品种多，包括木、石、砖、石膏、石棉、玻璃、马赛克、陶瓷、金属、塑料等；用途广，包括房屋建筑外墙及室内装饰，桥梁、展览馆等公用结构外观装饰等。随着对土木工程环境、功能及耐久性要求的提高，装饰材料的研究开发与应用前景广阔。

3.5　土木工程材料发展趋势

土木工程自身发展与其材料之间存在着相互依赖和相互促进的关系。随着社会发展对工程安全、低碳、可持续发展等的需要，土木工程材料需向高强、轻质、耐久以及节能、环保、生态等方向发展。

为保证使用最广泛的混凝土结构具有应有的承载能力及长期安全、耐久，需进一步开展混凝土原材料（水泥、砂、石）质量控制、生产工艺等研究，提高强度，降低后期变形，增强防冻、防腐、防渗能力，从而提高耐久性。

为满足土木工程各种结构对钢材的需求，开发性能更优、适应性更强的钢材，研究质量更可靠的钢材（特别是大尺度钢材）加工制造工艺等将是一项长期的任务。

新型工程材料的研究开发则是今后的重点，例如：用于桥梁的轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳的碳纤维拉索材料，用于建筑、桥梁的纳米防护材料，新型吸声材料，高效阻燃材料等。

3.6　土木工程基本构件

3.6.1　构件的分类

构件是组成建筑结构的单元。根据几何形状的不同，构件有线状和面状之分。前者又可分为直线状和曲线状；后者也可分为平面状和曲面状，同时，曲面状的结构有单曲面和双曲面之分。另一种基本的分类是基于刚度，分为刚性构件和柔性构件。刚性构件在荷载作用下只发生小的变形，没有显著的外形变化；而柔性构件在一种荷载条件下，就形成另一种外形，当荷载条件发生变化，则构件外形随之又发生大的变化，如图3.17所示。木材、钢筋混凝土等许多材料本质上属于刚性的，而钢材有时属于刚性，有时属于柔性，视具体情况而定。例如，钢梁为刚性构件，钢索则为柔性构件。

按照空间布置的不同，构件又可分为单向结构体系和双向结构体系。对前者，结构单向传递荷载；对后者，荷载传递复杂，至少双向传递。跨越在两个支座上的一根梁就是单向结构体系的例子，而搁置在四条连续边界上的刚性方板则属于双向结构体系。

图3.17　刚性构件与柔性构件

3.6.2　梁与柱

梁与柱是建筑工程中最基本的构件，由水平的刚性构件支撑在竖向的刚性构件上而形成的结构十分普遍。其中，水平构件被称为“梁”，承受着作用在其上的横向力，并将力传递到支承这个梁的竖向构件上；竖向构件则被称为“柱”，沿着它的轴向受力，并将所受的力传递到地面。很少有建筑不使用梁的，梁常常靠“弯曲”来承载，因为受到横向荷载后梁被弯成弓状（见图3.18）。弯曲会使梁产生内力和变形，在梁的任何截面处，梁的上部纤维受压缩短，而下部纤维受拉伸长。建筑结构或小跨桥梁一般采用钢筋混凝土梁，大跨径桥梁和其他大跨结构则需采用预应力混凝土梁、钢（桁架）梁。

图3.18　简支梁（板）

3.6.3　框架

框架结构是一种由线状构件（典型的是梁和柱）所组成的结构，构件之间在端部相互连接，连接处称为“节点”。虽然节点作为整体在受力后可转动，但是认为相连的构件之间没有相对转角发生。框架结构对跨度大的和跨度小的建筑都适用，图3.19给出了一些框架的形式，最简单的形式之一是由两根柱和一根刚性连接的梁所组成的单跨框架，将梁分成两段形成倾斜的、有屋盖顶点的框架称为人字形框架。单跨框架的概念可以扩展到多个单元的框架，例如，水平方向扩展可形成多个节间的框架，竖向扩展可形成多个楼层的框架。

图3.19　框架形式

框架结构能抵抗竖向荷载，也能抵抗水平荷载。当框架梁受到竖向荷载后，梁发生挠曲变形，梁端部趋于转角变形。

3.6.4　桁架

桁架是由一些单根线状的杆件以单个三角形或多个三角形布置方式组装而形成的结构，杆件之间在连接处通常假定为铰接。如图3.20所示，有多种可能的平面桁架外形。上部和底部的杆件称为弦杆，弦杆之间的杆件称为腹杆。使用桁架的基本原理是将杆件布置成一些三角形状，形成一个稳定的结构。由杆件组成的桁架受到荷载作用后，桁架作为整体受弯，这相当于一根梁那样的方式受弯。但是，桁架中的杆件并不受弯，而是纯粹的轴心受压或者受拉。

桁架也可以空间结构的形式承受荷载。空间桁架通常是一种大跨度的面状结构，它由一些稳定的空间（或者三维）的三角状几何单元以重复布置的方式所组成。可以有许多种重复性几何单元的构造方式，形成不同形式的空间结构，图3.21所示的只是其中一种形式。北京鸟巢则是更为复杂的特殊桁架结构。

图3.20　平面桁架形式

图3.21　空间桁架

3.6.5　索

索是一种柔性的线状构件，它受到外部荷载后会随着荷载的幅值和作用位置的情况而产生相应的变形，其形成的形状在英语中称为“funicular”，中文意思就是“索状”。在索里只存在拉力。当用索跨越两点来承受外部一个或多个集中荷载时，索会以一系列由直线段所构成的形状方式变形。只承受自重的等截面的索会自然地变形成为悬链线状，而承受均布荷载（沿其水平投影）的索会按照抛物线形状变形。索能以多种方式跨越很大的距离承载。如图3.22所示，悬索结构和斜拉索结构是土木工程中常用的两种结构形式。

图3.22　索结构

3.6.6　拱

如果将受荷载作用下的索的形状颠倒一下，则原来下垂的任何一点就变成了矢高点。如图3.23所示，将索的两个端点连成一水平线，则颠倒前后的点形成了镜面对称。按照这一新形状建造的、处于受压状态的结构，称为拱，它也属于线状成形的结构。按照受力体系划分，拱分为无铰拱、两铰拱和三铰拱。拱与梁的主要区别在于：拱在竖向荷载下将产生水平推力，且拱内以受压为主，在古代人们已会用砖、石建造拱。如今，钢筋混凝土、钢管混凝土、钢材等材料已广泛应用于拱的建造，拱在桥梁、拱形结构等方面的应用也日益增多。

图3.23　拱与索的差别

3.6.7　墙与板

墙与板都是刚性的面状构件。承重墙能同时承受竖向与侧向荷载。相对平面尺度而言，平板的厚度很小，多用于水平构件，以受弯的方式来承受荷载。板可支撑在其四周连续的边界上，也可只支撑在个别点上，也可以是这两种情况的混合。板通常采用钢筋混凝土（见图3.24）或者钢材来建造。可将狭长的刚性板在其长边的边缘处一块一块折线地连接起来形成折板结构，使其比平板具有更高的承载能力。

图3.24　钢筋混凝土板

3.6.8　壳

壳是一种三维的薄壁刚性构件，它可做成任何形状的表面。常用形式有：通过一曲线绕某一轴线旋转所形成的旋转曲面（见图3.25a）的球面，一平面曲线沿着另一平面曲线移动所形成的移动曲面（见图3.25b）的柱面），一直线的两端点在另外两个独立的平面曲线上移动所形成的直纹曲面（见图3.25c）的双曲抛物面，以及由这3种曲面组合所形成的多种多样复杂曲面。壳体通过曲面内的压应力、拉应力、剪应力来承载，薄薄的壳体，其抗弯能力有限，因此薄壳只适合承受均布荷载，且广泛应用于建筑屋盖。

图3.25　壳体结构

三维形式的结构也可用短小的刚性杆做成。严格地讲，这样的做法不是壳体结构，因为没有采用面状构件。可是，这种结构的受力行为与连续曲面的壳体类似，在曲面内呈现的应力通常很集中，相当于单根构件的受力。因此，这种由杆系组成的曲面结构已经得到推广应用，并称为网壳结构。

3.6.9　薄膜

薄膜是一种厚度很薄的柔性面状材料，它通过拉应力的形成来承载。肥皂泡沫是说明什么是薄膜及其特性的一个很好例子。薄膜对风的空气动力效应十分敏感，容易引起薄膜的颤振。所以，用于建筑的大多数薄膜需通过一些方法使其稳定，保持在荷载作用下薄膜的基本形状。保持薄膜稳定的基本方法是对其施加预应力。要达到预应力，对帐篷结构（见图3.26）可施加外力使薄膜绷紧，对充气结构则依靠内部压力空气。

图3.26　帐篷结构

膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式，至今已成为大跨度空间建筑的主要形式之一。它集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等为一体，建造出具有标志性的空间结构形式。它不仅体现出结构的力量美，还充分表现出建筑师的设想，享受大自然浪漫空间。设计灵感来自水分子结构的北京“水立方”，是世界上最大的膜结构工程（见图3.27），建筑外围采用世界上最先进的环保节能ETFE（四氟乙烯）膜材料。

图3.27　北京水立方

思考讨论题

1.土木工程材料及其在工程建设中的地位与重要性？

2.土木工程材料的分类？

3.土木工程材料的基本性质？

4.胶凝材料种类、作用及其应用场合？

5.钢筋混凝土、预应力混凝土出现的背景及其对土木工程建设发展的促进作用？

6.土木工程用钢材的种类及其适用的结构类型？

7.土木工程材料、构件与结构的关系？

8.土木工程材料的发展方向？

9.土木工程基本构件种类、可组成的结构形式及应用原理？