內容提要
建築材料概述、鋼材、木材的介紹
重點難點
1、熟悉土木建築工程主要材料的分類、基本性能及用途
2、建築材料的物理、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．熟悉土木建築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)土木建築工程材料的分類、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)防水塗料。
(5)影響混凝土強度的因素。
2004年考分分布大致如下：
章數頁數2003年考試2003分/頁2004年考試2004分/頁第一章工程構造72約占11題，共13分0.181約占10題，共13分0.181第二章工程材料47約占15題，共19分0.404約占16題，共21分0.447第三章工程施工技術110約占20題，共25分0.227約占19題，共25分0.227第四章工程施工組織術48約占18題，共23分0.479約占18題，共23分0.479第五章工程計量19約占16題，占20分1.053約占17題，共18分0.947
第一節 概 述
一、 土木建築工程材料的分類
1、按基本成分分類
複合材料能夠克服單一材料的弱點，發揮複合後材料的綜合優點。
2．按功能分類
結構材料、功能材料。
3．按用途分類
建築結構材料；橋樑結構材料；水工結構材料；路面結構材料；建築牆體材料；建築裝飾材料；建築防水材料；建築保溫材料等。
例題、土木建築工程材料按基本成分分類有（ ）。
a、有機材料
b、複合材料
c、無機材料
d、金屬材料
e、非金屬材料
答案：a、b、c
二、土木建築工程材料的物理力學性質
(一)材料的物理狀態參數
1．密度。材料在絕對密實狀態下，單位體積的質量用下式表示：
密度(g／cm3、kg／m3)= 材料在乾燥狀態的質量/ 材料的絕對密實體積
材料的絕對密實體積是指固體物質所占體積，不包括孔隙在內。
密實材料如鋼材、玻璃等的體積可根據其外形尺寸求得。
其它材料多或少含有孔隙，可以將該材料磨成細粉，乾燥後用排液法測得的粉末體積，即為絕對密實體積。
2．表觀密度。即體積密度，是材料在自然狀態下單位體積的質量，用下式表示：
表觀密度(kg／m3)= 材料的重量/ 材料在自然狀態下的外形體積
若外觀形狀不規則，可用排液法求得，為了防止液體由孔隙滲入材料內部而影響測值，應在材料表面塗蠟。
另外，材料的表觀密度與含水狀況有關。材料含水時，重量要增加，體積也會發生不同程度的變化。因此，一般測定表觀密度時，以乾燥狀態為準，而對含水狀態下測定的表觀密度，須註明含水情況。
3．堆密度。堆密度也稱堆積密度，系指粉狀或粒狀材料，在堆積自然狀態下，材料的堆積體積包括材料內部孔隙和鬆散材料顆粒之間的外部空隙在內的體積。堆密度是材料在自然堆積狀態下單位體積的質量，按下式計算：
堆密度(kg／m3)= 材料的重量/材料的堆積體積
散粒材料堆積狀態下的外觀體積，既包含了顆粒自然狀態下的體積，又包含了顆粒之間的空隙體積。散粒材料的堆積體積，常用其所填充滿的容器的標定容積來表示。散粒材料的堆積方式是鬆散的，為自然堆積；也可以是搗實的，為緊密堆積。由緊密堆積測試得到的是緊密堆積密度。
例題、包括內、外部孔隙的密度是（ ）
a、密度 b、表觀密度 c、堆密度 d、密實度
答案：c
4、密實度。指材料體積內被固體物質所充實的程度，用下式表示：
密實度(％)= [表觀密度/密度]*100%
5．孔(空)隙率。指材料體積內孔隙體積所占的比例，用下式表示：
孔(空)隙率(％)=1-密實度
散狀顆粒材料在自然堆積狀態時，顆粒間空隙體積占總體積的比率，稱為空隙率。
密實度和孔隙率兩者之和為1，兩者均反映了材料的密實程度，通常用孔隙率來直接反映材料密實程度。孔隙率的大小對材料的物理性質和力學性質均有影響，而孔隙特徵、孔隙構造和大小對材料性能影響較大。構造分為封閉孔隙(與外界隔絕)和連通孔隙(與外界連通)；按孔隙的尺寸大小分為粗大孔隙、細小孔隙、極細微孔隙。孔隙率小，並有均勻分布閉合小孔的材料，建築性能好。
例題、僅僅包括內部孔隙的密度是（ ）
a、密度 b、表觀密度 c、堆密度 d、密實度
答案：b
二)材料與水有關的性質
1．吸水性與吸濕性。
(1)吸濕性。材料在潮濕空氣中吸收水氣的能力稱為吸濕性。反之為還濕性。吸濕性的大小用含水率表示，
材料的含水率ωwc =材料所含水分的質量/材料烘乾到恆重時的質量
=[材料吸收空氣中的水氣後的質量(g)。-材料烘乾到恆重時的質量(g)]/ 材料烘乾到恆重時的質量(g)
當氣溫低、相對濕度大時，材料的含水率也大。材料的含水率與外界濕度一致時的含水率 稱為平衡含水率。它隨環境中的溫度和濕度的變化而改變，當材料的吸水達到飽和狀態時的含水率即為材料的吸水率。
(2)吸水性。材料與水接觸吸收水分的能力稱為吸水性。吸水性的大小用吸水率表示。吸水率分質量吸水率和體積吸水率。
質量吸水率ωwa=[材料吸水飽和後的質量(g)- 材料烘乾到恆重時的質量(g)]/ 材料烘乾到恆重時的質量(g)
體積吸水率ωwa體 =[材料吸水飽和後的質量(g)- 材料烘乾到恆重時的質量(g)]/ 乾燥材料在自然狀態下的體積
材料吸水率的大小與材料的孔隙率和孔隙特徵有關。具有細微而連通孔隙的材料吸水率大，具有封閉孔隙的材料吸水率小。當材料有粗大的孔隙時，水分不易存留，這時吸水率也小。輕質材料，如海綿、塑膠泡沫等，可吸收水分的質量遠大於乾燥材料的質量，這種情況下， 吸水率一般要用體積吸水率表示。
2004考題．某物體在自然狀態下的體積為100cm3，質量500g，其含水率和密實度分別為10％、85％，則其密度為( b )。
a．4．5g／cm3 b．5．35g／cm3
c．5．29g／cm3 d．5．0g／cm3
2．耐水性。材料長期在飽和水作用下不破壞，其強度也不顯著降低的性質稱為耐水性。有孔材料的耐水性用軟化係數表示，按下式計算材料的軟化係數kr：
kr=材料在水飽和狀態下的抗壓強度(mpa)fb/ 材料在乾燥狀態下的抗壓強度(mpa)fg
材料的軟化係數在o～1之間波動。因為材料吸水，水分滲入後，材料內部顆料間的結合力 減弱，軟化了材料中的不耐水成分，致使材料強度降低。所以材料處於同一條件時，一般而言吸水後的強度比干燥狀態下的強度低。軟化係數越小，材料吸水飽和後強度降低越多，耐水性越差。對重要工程及長期浸泡或潮濕環境下的材料，要求軟化係數不低於o．85～o．90。通常把軟化係數大大於0.85的材料稱為耐水材料。
例題、關於耐水性不正確的[ ]。
a、有孔材料的耐水性用軟化係數表示
b、材料的軟化係數在o～1之間波動
c、軟化係數大於0.85的材料稱為耐水材料。
d、軟化係數小於0.85的材料稱為耐水材料。
e、軟化係數越大，材料吸水飽和後強度降低越多，耐水性越差
答案：de
3．抗滲性。材料抵抗壓力水滲透的性質，用滲透係數k表示。公式的組成要記憶，記清和哪些因素有關。滲透係數k小，抗滲性能好。
4、抗凍性。
抗凍性用“抗凍等級”表示。“抗凍等級”表示材料經過規定的凍融次數，其質量損失、強度降低均不低於規定值。如混凝土抗凍等級d15號是指所能承受的最大凍融次數是15次(在-15c的溫度凍結後，再在200c的水中融化，為一次凍融循環)，這時強度損失率不超過25％，質量損失不超過5％。
2004考題．混凝土抗凍等級d15號中的15是指( a )。
a．承受凍融的最大次數為15次
b．凍結後在15~c的水中融化
c．最大凍融次數後強度損失率不超過15％
d．最大凍融次數後質量損失率不超過15％
（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，其值等於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)低於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製技術。
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，外力取消後變形消失，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。在彈性範圍內符合虎克定律。材料的彈性模量e是衡量材料在彈性範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，外力取消後仍保持變形後的形狀和尺寸，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後變形是介於彈塑性變形之間的。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(含碳量高於2．06％)在煉鋼爐中冶煉，將含碳量降低到指定範圍，並控制其它雜質含量後得到鋼。
(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；0．60％)。
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。合金元素總含量小於5％為低合金鋼；5％～10％為中合金鋼；大於10％為高合金鋼。
2、按用途分類：分為結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不鏽鋼、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)，介於二者之間為半鎮靜鋼(b)。
建築鋼材多為 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。抗拉性能是建築鋼材最重要的性能。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，一定範圍內，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，可用於焊接質量的檢驗，能揭示焊件在受彎表面裂紋，雜質等缺陷。
3．衝擊韌性。衝擊韌性指鋼材抵抗衝擊載荷的能力。對直接承受動荷載而且可能在負溫下工作的重要結構，必須進行衝擊韌性檢驗。
2004考題．影響鋼材衝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。在反覆荷載作用下，鋼材在遠低於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。可焊性主要指焊接後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)；當含碳量小於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．矽(si)：當小於等於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並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並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）、土木建築常用鋼材
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。
建築工程中主要套用的碳素鋼是q235號鋼，可軋制各種型鋼、鋼板、鋼管與鋼筋。q235號鋼廣泛用於一般鋼結構。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，易於冷加工，可製作鉚釘、鋼筋。
q255、q275號鋼材強度高，但塑性、韌性、可焊性差，可用於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)、連線方式(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．抗衝擊性差 d.工難度大
3、型鋼、鋼板：
熱軋鋼板按板厚分兩種：
(1)中厚板，厚度大於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，便於冷加工，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。經冷加工後，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，也可用於預應力混凝土板、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、冷軋等工藝過程製得，具有很高的強度，安全可靠且便於施工。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)。由含碳量不低於0．8％的優質碳素結構鋼盤條，經冷拔及回火製成。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。壓痕後，成盤的刻痕鋼絲需作低溫回火處理後交貨。
鋼絞線。鋼絞線是將碳素鋼絲若干根，經絞捻及熱處理後製成。鋼絞線強度高、柔性好，特別適用於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於大跨度、大負荷的橋樑、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，因此在土木建築工程中得到廣泛套用。
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，大體分為酸性型及鹼性低氫型兩種。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。
鑄鐵電焊條適用於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矽型焊劑，並配以h08a和h08mna焊絲。對於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)鋼材的防鏽與防火
1．鋼材的防鏽
混凝土配筋的防鏽措施應考慮：限制水灰比和水泥用量，限制氯鹽外加劑的使用，採取措施保證混凝土的密實性，還可以採用摻加防鏽劑(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塗敷防火塗料。
防火塗料有sti—a型鋼結構防火塗料及lg鋼結構防火隔熱塗料等。
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，能承受衝擊和振動作用
(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)濕脹乾縮大，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
土木建築工程用木材，通常以三種材型供貨，即：
原木：伐倒後經修枝並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。
對於承重結構用木材，按受力要求分成三級，即i、ⅱ、ⅲ級。 i級材用於受拉或受彎構件；ⅱ級材用於受彎或受壓彎的構件；ⅲ級材用於受壓構件及次要受彎構件。
例題、對於承重結構用木材，（ ）級材用於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(存在於細胞腔與細胞間隙中)、吸附水(存在於細胞壁內)和化合水(木材化學組成中的結合水)。
水分進入木材後，首先吸附在細胞壁內的細纖維間，成為吸附水，吸附水飽和後，其餘的水成為自由水。木材幹燥時，首先失去自由水，然後才失去吸附水。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乾縮濕脹的臨界值。
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於其纖維飽和點。
(2)濕脹乾縮。防止脹縮最常用的方法是對木料預先進行乾燥，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
主要包括乾燥、防腐、防火。
（四）、木材的加工利用
(一)膠合板
1．製作：將木材軟化處理後切成薄板，表面刷膠後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可用小直徑原木製成寬幅板。 3．適用範圍：室內、外工程。
(二)纖維板
1．製作：以植物纖維為原料，經破碎、浸泡、研磨、加壓成型、乾燥處理而成。
2．特點：各項同性，不易脹縮、翹曲及開裂，並有良好的保溫、吸聲、絕緣效果。
3．適用範圍：室內牆面、天花板、地板。