第二章 土木工程的材料
分为四个环节
基本知识 观察与分析 工程实例分析 创新性思维培养
第一环节 基本知识
一、材料与土木工程的关系
   1.材料是保证土木工程质量的基础
   2.材料对土木工程造价影响很大（所以要货比三家）
   3.材料对土木工程技术进步起促进作用
    混凝土：是人工造的石头，即“砼”（tóng）
二、常用的土木工程材料
   1.土
     土是连续、坚固的岩石在风化作用下开有成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。可以制砖、烧瓦、和混浆。
   2.木
     建筑中的木材主要取自树木的树干。常用的树种是针叶树，如松木、杉木等。工程中常用木料有圆木、方木、条木、板材等。
     木材自重轻，制作容易，造价便宜，但易燃、易腐蚀、易变形等缺点。
   3.石
     土木工程中采用的石料分为料石和毛石两类。料石又分为细料石、粗料石和毛料石。毛石分为毛平石、平板石和乱毛石。
      料石用于拌制混凝土；毛石用于地基基础或砌筑墙体
   4.砖
     砖分为实心砖和空心砖。实心砖是由粘土烧制面成，分为青砖和红砖。尺寸：240*15*53mm。
     砖用于砌筑墙体。粘土砖与农田争地，应限制使用。提倡采用使用工业废料做成的空心砖。
   5.瓦
     分为粘土瓦、非粘土瓦和石棉水混瓦。
     粘土瓦：是以粘土为原料，经烧焙而成。
     非粘土瓦：主要是指用水混和砂子为原料，模压成型，再经养护硬化而成。
     石棉水泥瓦：是以石棉纤维和水泥为原料，经制板加压而成。主要用于坡屋顶的屋面。曾经一段时间平屋顶用得较多，实践经验证明：平屋顶屋面漏雨问题无法解决，现在城市中住宅建筑已禁止使用平屋顶，而必须使用坡屋顶，对已建平屋顶甚至还要进行平改坡。
   6.胶凝材料和砂浆
     胶凝材料是指和水成浆后能硬化为坚实整体的矿物质粉状材料，如石灰、烧石膏、水混等。
     砂浆是由石灰、石膏、水泥等胶凝材料掺砂或矿渣等细骨料加水拌和而成，用以砌筑砌体。
     砌体结构的标准定义为：“由块体和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构。是砖砌体、砌块砌体和石砌体结构的统称。”
   7.混凝土和混凝土砌块
     是用水泥、砂（细骨料）和碎石（粗骨料、有时用砾石）按一定重量比例配合，加水拌合成型后养护而成的。
     水泥和砂、石的比例（按重量）称为配合比。水和水泥的比例（按重量）称为水灰比。
      混凝土的优点是可模性、耐久性、耐火性、整体性都很好，易于就地取材，价格较低，抗压强度比砖、石、木等都高，且能和钢盘粘结做成强度更高的钢筋混泥土结构；但其自重较大，施工比较复杂，工序多，工期长，抗拉强度低，易产生裂缝（裂缝是有限制的）。
   8.外加剂（建筑工程材料课程中会细讲）
      在混凝土拌和物中掺入不超过水泥重量的5%、且能使混凝土按要求改变性质的物质称为混凝土外加剂。
      外加剂按作用分为六类：
      调节混凝土、砂浆的和易性，如：减水剂、引气剂；
      调节混凝土、砂浆的硬化速度，如：早强剂，缓凝剂，速凝剂；
      调节混凝土、砂浆的空气含量，如：引气剂，加气剂，泡沫剂；
      改善混凝土、砂浆的物理力学性能，如：引气剂，膨胀剂，抗冻剂；
      增强混凝土中钢筋抗腐蚀性的外加剂，如：阻锈剂；
      能为混凝土提供特殊性能的外加剂，如着色剂，脱模剂。
   9.钢材
     结构工程中所用的钢材的主要成分是铁（Fe，约占99%）和少量的碳（C）。当碳的含量不超过0.22%时称为低碳钢。若含有少量锰（Mn），硅（Si),矾（V）等元素，就成为低合钢。常用钢材的类型有型钢、板材、管材和线材。
     钢材的优点是材质均匀，强度高，塑性好，便于加工安装；但耐火性差，易于锈蚀，维护费用较高。
     钢材的冶炼脱氧程度与性能
     沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。
     沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般地建筑地构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气泡产生，是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承载冲击荷载地重要结构。
     此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢（D级钢），其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，其质量较好。
     钢筋的应力-应变曲线图。
     反映钢筋在受力的情况下变形的过程。是如何变形的、变成什么形了、变形趋势是怎样的等等。
     疲劳断裂的特征与原因
     疲劳源区、扩展区、终断区
     高强螺栓超极限承载力而被拉断，高强螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。
   10.新型材料
      保温、隔热、防水、利用废料。
      高性能混凝土  质轻、高强、耐久、环保、性能好。
      金属材料   轻钢结构，不锈钢防腐，具有特殊性能的形状记忆合金；大型钢结构。
      装饰材料   幕墙材料等（玻璃幕墙等）；大型幕墙结构。

三、 土木工程材料的组成、结构、构造及其对性能的影响
a。材料的组成及其对材料性质的影响
      材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。
b。材料的微观结构及其对材料性质的影响
      材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及其分布特征。它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有着密切的关系。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为晶体、玻璃体、胶体三类，不同结构的材料，各具不同特性。
c。材料的宏观构造及其对性能的影响
      材料的宏观构造是指可用肉眼能观察到的外部和内部的结构。
      土木工程材料常见的构造形式有：密实构造、多孔构造、纤维构造、层状构造、散粒构造、纹理构造 。
      两种石材性能对比  大理石、花岗岩
      大理石主要成分是方解石（碳酸钙和碳酸镁），呈弱碱性。在酸雨等腐蚀介质的作用下，发生化学反应，颜色变暗淡，板材的结构逐步疏松，并发展为裂缝。而花岗岩主要为石英（结晶二氧化硅）、长石（架状铝硅酸盐）及少量云母（片状铝硅酸盐），为酸性石材，结构致密具有高抗酸腐蚀能力。
      纯铝虽轻，但强度、硬度都较低，需加入锰、镁等合金元素后，才可合成铝合金，才能获得较高的强度和硬度。此铝合金窗使用两年后就变形，一方面是其材质较差，另一方面是型材的厚度不足。
       氡是由镭衰变产生的自然界唯一的天然放射性惰性气体，无味，在空气中易被呼吸系统截留，并在局部区域不断累积而诱发肺癌。科学研究表明，有相当部分的肺癌患者与氡有关。在装修时选购石材须索要产品放射性合格证，根据石材的放射性等级作选择。
     四、土木工程材料在荷载作用下的力学性能
1.强度
指结构材料承受荷载的极限能力。
拉应力=拉力/截面面积，拉应变=（H1-H）/H
2.弹性与塑性
结构材料承受荷载其形状会改变，移去荷载，恢复原状。
结结构材料荷载承受更大荷载时，移去荷载，有残余变形，不能恢复原状。

3.脆性与韧性
材料受外力作用，当外力达一定值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏，这种性质称为韧性。

4.硬度
硬度是批材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。
金属材料等的硬度常用压入法测定，是以单位压痕面积上所受的压力表示。
陶瓷等材料常用刻划法测定。
工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。